基于BB-Black開發(fā)板的智能硬件生理監(jiān)測

柏雪峰，楊斌，劉博

(西南交通大學 信息科學與技術(shù)學院，成都610031)

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柏雪峰，楊斌，劉博

(西南交通大學 信息科學與技術(shù)學院，成都610031)

隨著IT技術(shù)的不斷發(fā)展，智能硬件概念被提出，硬件的智能化程度逐漸成為衡量一個國家IT技術(shù)水平的標準之一。醫(yī)療設備作為人們最關注的領域之一，其智能化直接影響人們的生活質(zhì)量。本文以BB-Black為核心，掛接ZigBee無線傳感節(jié)點和GSM/GPRS模塊,建立web服務器和SQLite數(shù)據(jù)庫，接收、解析和存儲ZigBee節(jié)點采集的生理數(shù)據(jù)，控制GSM/GPRS進行緊急呼救和發(fā)短信,提供自動生理監(jiān)測功能，為人們的生活提供便利。

智能硬件；BB-Black；Web服務器；SQLite數(shù)據(jù)庫；GSM/GPRS；生理監(jiān)測

引 言

隨著技術(shù)的發(fā)展，近年來涌現(xiàn)了不少優(yōu)化的智能醫(yī)療設備，給人們的生活帶來了極大便利,但仍存在功能單一、不可遠程訪問等缺陷。BB-Black開發(fā)板以其價格便宜、功能強大等優(yōu)點廣泛應用于各種場景，利用BB-Black設計一個更智能、功能更齊全的實時遠程醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)，將是一個有意義的研究課題。

1 應用系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計描述

1.1 硬件平臺相關介紹

設計共涉及BB-Black、ZigBee和GSM/GPRS三個硬件模塊。其中BB-Black開發(fā)板為核心模塊，是一款基于AM3359處理器的開發(fā)套件，其實物圖如圖1所示。

圖1 BB-Black實物圖

處理器集成了高達1 GHz 的 ARM Cortex-A8 內(nèi)核，并提供了豐富的外設接口和兩個擴展接口，可擴展LCD、UART、eMMC、ADC、I2C、SPI和PWM等接口。其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 BB-Black系統(tǒng)框圖

AM3359是基于 ARM Cortex-A8 內(nèi)核的微處理器，在圖像、圖形處理、外設,以及諸如etherCAT 和 PROFIBUS 的工業(yè)接口選項方面進行了增強，并支持 Linux、 WinCE 和Android 等高級操作系統(tǒng)。該處理器包含了多個子系統(tǒng)：微處理器單元(MPU)子系統(tǒng)基于 ARM Cortex-A8 微處理器； POWERVR SGX 圖形加速子系統(tǒng)用于3D圖形加速，以支持顯示和游戲效果；可編程實時單元子系統(tǒng)(PRUSS)使用戶可以創(chuàng)建各種超越本地外設的數(shù)字資源。此外，PRUSS 獨立于 ARM 內(nèi)核，允許設備擁有獨立的操作和時鐘，從而在復雜系統(tǒng)解決方案中有更大的靈活性。

1.2 系統(tǒng)功能模塊及信息處理過程

系統(tǒng)的功能模塊如圖3所示，主要由生理數(shù)據(jù)采集模塊、GSM短信發(fā)送模塊、遠程登錄模塊和BB-Black模塊4部分組成。其中生理數(shù)據(jù)采集模塊采用ZigBee無線傳感節(jié)點實時采集用戶生理數(shù)據(jù)；GSM短信發(fā)送模塊采用四頻 GSM/GPRS ，實現(xiàn)緊急報警和定位；遠程登錄模塊是指手機或其他上網(wǎng)設備，供用戶遠程訪問和監(jiān)控；BB-Black模塊是本系統(tǒng)的核心模塊，該模塊又可分為數(shù)據(jù)處理、Boa服務器和SQLite數(shù)據(jù)庫三部分。數(shù)據(jù)處理模塊實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的接收、解析、向SQLite數(shù)據(jù)庫插入數(shù)據(jù)和向GSM模塊下達緊急報警命令；SQLite數(shù)據(jù)庫主要用于存儲生理數(shù)據(jù)；Boa服務器則實現(xiàn)用戶的遠程訪問，查詢SQLite數(shù)據(jù)中存儲的生理數(shù)據(jù)。

圖3 系統(tǒng)功能模塊框圖

系統(tǒng)的信息處理過程如下：

① 生理數(shù)據(jù)采集模塊實時采集生理數(shù)據(jù)。用戶可根據(jù)需要隨身攜帶相應的生理數(shù)據(jù)檢測模塊(如血壓、血糖、脈搏等檢測模塊)，在BB-Black建立的無線傳感網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)移動、實時生理數(shù)據(jù)采集，按IEEE802.15.4的通信標準，通過無線網(wǎng)絡將生理數(shù)據(jù)包傳送出去；在BB-Black開發(fā)板上連接的ZigBee終端節(jié)點將數(shù)據(jù)包接收。

② BB-Black模塊接收、分析和處理生理數(shù)據(jù)。AM3359處理器定時地讀取終端節(jié)點接收的數(shù)據(jù)包，通過解析得到數(shù)據(jù)包中的生理數(shù)據(jù)，并存儲到SQLite數(shù)據(jù)庫，同時根據(jù)健康指標對數(shù)據(jù)進行分析，若遇緊急情況，則向GSM/GPRS模塊發(fā)送AT控制命令，進行緊急呼救。

③ 監(jiān)護人或醫(yī)生可隨時隨地訪問服務器查看、管理被監(jiān)護人近期生理數(shù)據(jù)。用戶通過上網(wǎng)設備打開瀏覽器登陸B(tài)oa服務器，提交查詢表單，即可訪問SQLite上存儲的被監(jiān)護人的生理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程了解被監(jiān)護人近期身體狀況，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

本系統(tǒng)應用場景可如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)應用場景圖

2 遠程監(jiān)控功能實現(xiàn)

系統(tǒng)以BB-Black為平臺，提供用戶遠程登錄訪問嵌入式Web服務器Boa，查看該服務器上的被監(jiān)護人近期生理數(shù)據(jù)功能；為了實現(xiàn)嵌入式設備的數(shù)據(jù)存儲功能，采用開銷小、可移植性強、便于使用且高效的嵌入式SQLite數(shù)據(jù)庫。而CGI(Common Gateway Interface)通用網(wǎng)關接口，則是Web服務器和SQLite數(shù)據(jù)庫之間的橋梁，作為客戶端與Web服務器交互的標準接口，可按照該標準編寫應用程序?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)HTML網(wǎng)頁無法實現(xiàn)的數(shù)據(jù)庫訪問和搜索功能，實現(xiàn)客戶端與服務器的交互操作。其工作原理如圖5所示。

圖5 遠程監(jiān)控模塊軟件構(gòu)成與工作原理

2.1 嵌入式Web服務器的使用

2.1.1 嵌入式Web服務器Boa

ARM Linux開發(fā)環(huán)境下支持httpd、thttpd和Boa三種嵌入式Web服務器。本文選用的是運行過程中需要較少資源的嵌入式Web服務器Boa。

Boa作為一種單任務的HTTP服務器，通過建立HTTP請求列表來處理多路HTTP連接請求，同時在處理請求過程中只為CGI程序創(chuàng)建新進程，在最大程度上節(jié)省了系統(tǒng)資源，對嵌入式系統(tǒng)來說至關重要。同時，它還具有自動解壓文件、生成目錄等功能。

2.1.2 Boa功能實現(xiàn)

設計中Boa服務器需實現(xiàn)接收客戶端請求、分析請求、響應請求和向客戶端返回請求結(jié)果等任務。其工作流程如圖6所示。

圖6 Boa服務器工作流程

Boa服務器初始化工作代碼略——編者注。

Boa在ARM上的移植略——編者注。

2.2 CGI與SQLite數(shù)據(jù)庫移植

BB-Black開發(fā)板在運行CGI和SQLite程序前，需要將相應的庫移植到開發(fā)板。設計通過交叉編譯之后將CGI的libcgic.a和capture拷貝到BB-Black開發(fā)板的/home/www/cgi-bin目錄下，完成移植工作(可通過網(wǎng)頁訪問該目錄，若在網(wǎng)頁上顯示cgic test的字樣，則表明CGI庫移植成功)。

將SQLite的sqlite3和libsqlite3.so.0.8.6分別下載到BB-Black開發(fā)板的/usr/bin和/usr/lib目錄中，并通過ln-s /usr/lib/libsqlite3.so.0.8.6 /usr/lib/libsqlite3.so.0命令建立軟鏈接(因為可執(zhí)行程序sqlite3在運行時搜尋libsqlite3.so.0動態(tài)庫)，完成移植工作。

2.3 遠程監(jiān)控功能實現(xiàn)

2.3.1 HTML設計

遠程醫(yī)療監(jiān)控界面主要有監(jiān)護人登錄界面和被監(jiān)護人生理數(shù)據(jù)監(jiān)測界面。其中脈搏和心跳監(jiān)測HTML頁面首行代碼“