基于嵌入式技術(shù)的農(nóng)村醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計

黎敬濤等

摘 要： 為了解決農(nóng)村的醫(yī)療問題，設(shè)計一種基于嵌入式技術(shù)的農(nóng)村醫(yī)療系統(tǒng)。該系統(tǒng)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為采集系統(tǒng)，采用樹莓派（Raspberry pi）作為系統(tǒng)控制器核心的健康查詢一體機(jī)，搭載Linux操作系統(tǒng)，接收采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并上傳至數(shù)據(jù)處理中心。提供短信查詢的功能，方便通過手機(jī)終端獲取指定人員的健康信息。數(shù)據(jù)處理中心負(fù)責(zé)生命特征信息的存儲、分析，醫(yī)護(hù)人員可通過醫(yī)療平臺查詢用戶的生命特征信息。測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠完成相應(yīng)的功能，滿足應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞： 嵌入式技術(shù)； 樹莓派； 農(nóng)村醫(yī)療系統(tǒng)； 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號： TN702?34； TP302.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）18?0060?04

Abstract： A rural medical system based on embedded technology is designed in this paper to solve the rural medical problem. The wireless sensor network（WSN） is adopts as the acquisition system and Raspberry Pi as the core of the system controller in this system. Linux operation system is mounted to collect the data from the acquisition system， which would be analyzed and uploaded to the data processing center. This system provide the function of information query for user. Its so easy to find health information by mobile phone. Data processing center is responsible for information storage and analysis. The doctor can also query the users information on the medical platform. Test results show that the system can complete appropriate function to meet the application requirements.

Keywords： embedded technology； Raspberry Pi； rural medical system； wireless sensor network

0 引 言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，生活方式的變化，以及子女?dāng)?shù)的減少，農(nóng)村的老年家庭空巢率正不斷的加大?？墒俏覈男l(wèi)生醫(yī)療事業(yè)發(fā)展較經(jīng)濟(jì)發(fā)展卻相對滯后，農(nóng)村老年人看病難，看不起病的問題尤為突出，農(nóng)村的醫(yī)療模式也主要以”治療為主”。導(dǎo)致這種問題出現(xiàn)的主要原因有：農(nóng)村醫(yī)療設(shè)施落后，無法對身體的生理數(shù)據(jù)進(jìn)行及時準(zhǔn)確的監(jiān)測；外出務(wù)工子女對父母身體生理數(shù)據(jù)信息的閉塞，只有等到父母身體出現(xiàn)病癥時才能給予其關(guān)心和治療。

隨著嵌入式技術(shù)，無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，基于無線傳感網(wǎng)構(gòu)建的遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在農(nóng)村，社區(qū)醫(yī)療服務(wù)中得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[1?4]。目前國內(nèi)外相關(guān)研究都主要側(cè)重于如何構(gòu)建一個可穿戴式設(shè)備的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過準(zhǔn)確采集人體生理參數(shù)來提高其在醫(yī)療服務(wù)中的實用性[5?6]。而農(nóng)村老年人需要勞作，無法使用可穿戴式設(shè)備，以及經(jīng)濟(jì)條件相對較差無法廣泛普及。同時與子女進(jìn)行健康信息的及時交互也沒有得到解決。

本文從實際出發(fā)，結(jié)合已經(jīng)研究相對成熟的生命特征傳感器技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式技術(shù)，設(shè)計了一種農(nóng)村專用醫(yī)療系統(tǒng)。

系統(tǒng)中的不同生理數(shù)據(jù)采集設(shè)備被作為單獨(dú)個體安置在農(nóng)村人口比較密集的公共醫(yī)療房間內(nèi)供集體使用，旨在有效地改善落后的農(nóng)村醫(yī)療設(shè)施，降低了成本。

農(nóng)村醫(yī)護(hù)人員可以通過醫(yī)療平臺的對居民的身體健康狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷，增加了農(nóng)村醫(yī)護(hù)人員的彈性時間。外出子女可以通過手機(jī)終端以短信的方式從醫(yī)療系統(tǒng)中查詢家中留守老人的身體生理數(shù)據(jù)以及醫(yī)護(hù)人員的參考意見。將外出子女身份由原先的被動接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃硬樵儭?/p>

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于嵌入式技術(shù)的農(nóng)村醫(yī)療系統(tǒng)主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、健康查詢一體機(jī)、醫(yī)療信息平臺和數(shù)據(jù)中心等幾部分構(gòu)成。系統(tǒng)整體架構(gòu)圖如圖1所示。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不同生理數(shù)據(jù)采集終端作為單獨(dú)醫(yī)療設(shè)備與健康查詢一體機(jī)放置在人口密集的公共醫(yī)療房間內(nèi)。留守老人隨時可通過不同監(jiān)測設(shè)備檢測個人的生理數(shù)據(jù)，并同身份信息參數(shù)，通過ZigBee協(xié)調(diào)器傳遞給健康查詢一體機(jī)。ZigBee協(xié)調(diào)器不負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，只負(fù)責(zé)將收到的個節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)通過RS 232串口總線傳送給健康查詢一體機(jī)。由樹莓派構(gòu)成的健康查詢一體機(jī)在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接受處理，根據(jù)數(shù)據(jù)的相關(guān)屬性進(jìn)行顯示，并通過Internet網(wǎng)絡(luò)上傳給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。健康查詢一體機(jī)的身份識別功能，可以幫助用戶隨時查詢過去的監(jiān)測記錄以及醫(yī)護(hù)人員的診斷信息。醫(yī)護(hù)人員通過醫(yī)療系統(tǒng)平臺可以遠(yuǎn)程獲取數(shù)據(jù)中心存儲的不同用戶的生理數(shù)據(jù)信息進(jìn)行診斷，如果發(fā)現(xiàn)異常生理數(shù)據(jù)，即可通過健康查詢一體機(jī)將特定的用戶信息發(fā)送至手機(jī)客戶端。這種即時的反饋模式有效地避免了外出子女對留守老人健康信息的閉塞性，具有很強(qiáng)的實時性，尤其是對當(dāng)前留守老人中高發(fā)的慢性病的檢測和治療具有很大的幫助，實現(xiàn)預(yù)防為主代替治療為主。

2 硬件設(shè)計

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

生理數(shù)據(jù)區(qū)域的信息采集利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由多個監(jiān)測設(shè)備和ZigBee協(xié)調(diào)器組成，監(jiān)測設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

每個監(jiān)測設(shè)備點(diǎn)包括不同生命特征傳感器（溫度傳感器、血壓傳感器、脈搏傳感器等）、ZigBee無線通信模塊、MCU、身份識別模塊、LCD顯示模塊、電池供電等，具有生理數(shù)據(jù)采集，計算處理，無線通信，自動組網(wǎng)和控制設(shè)備的能力。監(jiān)測設(shè)備以MSP430F149單片機(jī)為核心，內(nèi)部集成了12位A/D轉(zhuǎn)換器，通過生命特征傳感器采集模擬信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。再由單片機(jī)對所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，封裝打包通過TI公司推的ZigBee標(biāo)準(zhǔn)芯片CC2530發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器。

ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是負(fù)責(zé)組網(wǎng)、監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和收集數(shù)據(jù)，通過RS 232串口實時將數(shù)據(jù)傳送給健康查詢一體機(jī)。為了提高傳輸距離，采用了TI公司專門設(shè)計的擴(kuò)展射頻芯片CC2591將節(jié)點(diǎn)的傳輸距離擴(kuò)展到1 km。

2.2 健康查詢一體機(jī)

健康查詢一體機(jī)終端硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

健康查詢一體機(jī)以樹莓派電腦板（博通ARM架構(gòu)的700 BCM2835的CPU）為核心，外圍硬件接口包括標(biāo)準(zhǔn)的RJ?45以太網(wǎng)接口、HDMI高清視頻輸出接口、3.5 mm音頻輸出輸出口、SD卡座和USB 2.0接口并支持USB Hub擴(kuò)展，另外還具有一個26 PIN的GPIO接口，該GPIO接口集合了UART，I2C，SPI接口，用于外擴(kuò)硬件設(shè)備。

健康查詢一體機(jī)通過GPIO口外接了GSM模塊，身份識別模塊等硬件設(shè)備[7]，由于樹莓派上GPIO引腳不能接受3.3 V以上的電壓。因此需要對GPIO接口的外圍硬件電路接口需要做保護(hù)設(shè)計[8]，GPIO保護(hù)接口的硬件電路圖如圖5所示。

圖5 樹莓派GPIO接口外接的電路圖

身份識別模塊選用MF RC531作為射頻基站芯片，通過SPI接口與樹莓派進(jìn)行通信，采用TXB108芯片可以有效地保護(hù)GPIO的接口電壓。A端口連接GPIO，輸入電壓為3.3 V，B端口連接MF RC531芯片輸入電壓為5 V，這樣可以保證樹莓派與MF RC531芯片都可以在限定的范圍內(nèi)工作和通信。GPIO接口提供了UART串口，為了安全考慮，外接設(shè)備不可以直接連接。系統(tǒng)中選用MAX3232芯片可以有效地保護(hù)GPIO接口與外接串口的連接。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的程序設(shè)計

傳感器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，會進(jìn)入休眠模式。當(dāng)身份識別模塊有信息傳入時，傳感器開啟采集的工作模式，延時，等待MCU的發(fā)送命令，根據(jù)相關(guān)命令將數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器，發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束后，傳感器節(jié)點(diǎn)會再次進(jìn)入休眠模式。如果延時沒有收到發(fā)送命令，則說明數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)故障。ZigBee協(xié)調(diào)器軟件負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的初始化，通過網(wǎng)絡(luò)接受傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過串口與健康查詢一體機(jī)進(jìn)行通信，管理網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)。

3.2 健康查詢一體機(jī)的軟件設(shè)計

健康查詢一體機(jī)軟件除了在系統(tǒng)中安裝Qt庫和wiringPi庫，關(guān)閉GPIO中的UART串口默認(rèn)的調(diào)試功能，并重新設(shè)置串口的波 特率為9 600 b/s之外。軟件設(shè)計分為服務(wù)器模塊、數(shù)據(jù)操作模塊、串口通信模塊、功能按鍵模塊和信息顯示模塊；模塊之間相互作用，共同完成相關(guān)功能，健康查詢一體機(jī)程序流程如圖6所示。

3.2.1 服務(wù)器模塊

服務(wù)器模塊采用Socket與醫(yī)療信息平臺和數(shù)據(jù)中心進(jìn)行通信。它的主要功能有：接受醫(yī)療信息平臺的命令并進(jìn)行解析；與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行通信，對數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

3.2.2 串口通信模塊

程序打開串口，就監(jiān)聽串口設(shè)備，一旦有數(shù)據(jù)從串口發(fā)送過來，就對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理。串口傳送的數(shù)據(jù)分為兩類，即GSM模塊的數(shù)據(jù)和ZigBee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)。對于GSM模塊的數(shù)據(jù)，會對其進(jìn)行解析處理，調(diào)用服務(wù)器模塊從數(shù)據(jù)中心查詢數(shù)據(jù)。ZigBee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)會調(diào)用數(shù)據(jù)操作模塊進(jìn)行分類處理，通過Socket模塊上傳到數(shù)據(jù)中心。

3.2.3 數(shù)據(jù)操作模塊

提供接口供服務(wù)器模塊，串口模塊調(diào)用，對數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析處理，并且可調(diào)用服務(wù)器模塊和串口模塊，分別與數(shù)據(jù)中心與GSM模塊進(jìn)行通信。

3.2.4 身份識別模塊

程序監(jiān)聽SPI接口，一旦有數(shù)據(jù)從SPI接口發(fā)送過來，就對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理。調(diào)用服務(wù)器通信模塊從數(shù)據(jù)中心讀取相應(yīng)身份信息的用戶生理數(shù)據(jù)，然后調(diào)用顯示模塊在顯示屏上通過UI界面進(jìn)行數(shù)據(jù)的直觀顯示。

3.3 醫(yī)療信息平臺軟件設(shè)計

運(yùn)行在個人電腦醫(yī)療信息平臺程序由2個基本功能模塊組成：人機(jī)接口和服務(wù)器通信程序。人機(jī)接口不僅提供操作界面供醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)診斷，還可以組織節(jié)點(diǎn)初始化，配置健康查詢一體機(jī)等參數(shù)。醫(yī)療信息平臺同時還提供曲線形式的數(shù)據(jù)可視化[9?10]。服務(wù)器通信程序負(fù)責(zé)醫(yī)療信息平臺與數(shù)據(jù)中心和健康查詢一體機(jī)的通信。

系統(tǒng)在研制成功后，進(jìn)行了一系列的試驗，從表1中可以看出針對不同實驗人員的身體特征數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)與人工的測量比對，雖然存在一定的誤差，但是系統(tǒng)能夠滿足當(dāng)前農(nóng)村醫(yī)療的所需。

4 結(jié) 語

本文提出了一個基于嵌入式技術(shù)的農(nóng)村醫(yī)療系統(tǒng)，分別從健康查詢一體機(jī)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集和醫(yī)療信息平臺方面介紹了系統(tǒng)設(shè)計的思路。有效地解決我國農(nóng)村當(dāng)前存在醫(yī)療問題，具有一定的推廣應(yīng)用價值。下一步將在手機(jī)終端提供3G無線網(wǎng)絡(luò)訪問的功能，便于農(nóng)村人員去城市醫(yī)館就醫(yī)時，及時準(zhǔn)確的向醫(yī)護(hù)人員告知個人身體癥狀，以及過去身體生理特征數(shù)據(jù)的檢測記錄。

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