智能健康監(jiān)測終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

武風(fēng)波+周云如+張會可

摘 要： 基于嵌入式、3G通信、傳感器技術(shù)以S3C6410為核心處理器，外圍拓展人體體溫、心率、血氧、圖像等健康數(shù)據(jù)采集模塊，增加GPS定位、3G通信模塊，設(shè)計(jì)智能健康監(jiān)測終端，實(shí)現(xiàn)對人體健康數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測與報(bào)警。聯(lián)合醫(yī)療數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、手機(jī)客戶端，對智能健康監(jiān)測終端進(jìn)行測試和分析。測試結(jié)果表明，智能健康監(jiān)測終端運(yùn)行穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)對人體體溫、心率、血氧、圖像、GPS等健康數(shù)據(jù)的采集，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送、遠(yuǎn)程報(bào)警等功能。

關(guān)鍵詞： 嵌入式技術(shù)； 智能醫(yī)療； 健康監(jiān)測； 遠(yuǎn)程報(bào)警

中圖分類號： TN931+.3?34； TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）14?0064?04

Abstract： An intelligent health monitoring terminal based on embedded technology， 3G communication technology and sensor technology was designed， which takes S3C6410 as its core processor， utilizes the health data acquisition module to collect the body temperature， heart rate， blood oxygen， image and other data， and adds GPS positioning module and 3G communication modules. It can collect and monitor the human bodies′ health data and gives an alarm. The intelligent health monitoring terminal was tested and analyzed in combination with mecical data processing server and mobile client. The result shows that the intelligent health monitoring terminal works steadily， can realize the body temperature， heart rate， blood oxygen， image， GPS and other health data acquisition， and achieve the functions of remote data transmission and remote alarm.

Keywords： embedded technology； intelligence medical treatment； health monitoring； remote alarm

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，生活水平日益提高，人們越來越關(guān)注自身的健康。當(dāng)前，世界總?cè)丝跀?shù)量巨大，加之受到環(huán)境、生物（細(xì)菌、病毒）等方面因素的影響，健康問題凸顯，各種疾病威脅著人類健康[1]。

為應(yīng)對疾病威脅，世界各國紛紛采取措施，并將醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)作為重點(diǎn)發(fā)展行業(yè)，智能醫(yī)療隨之產(chǎn)生。智能醫(yī)療就是利用傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等新興技術(shù)，在患者、醫(yī)務(wù)人員、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、醫(yī)療設(shè)備之間構(gòu)建信息互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)信息化、智能化的新型醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)體系[2]。智能醫(yī)療發(fā)展的目標(biāo)是從醫(yī)療衛(wèi)生發(fā)展的實(shí)際需求出發(fā)，結(jié)合無線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療監(jiān)護(hù)無線化、數(shù)據(jù)采集智能化、數(shù)據(jù)分析科學(xué)化、數(shù)據(jù)管理自動(dòng)化[3]。

智能醫(yī)療概念自提出以來，受到國內(nèi)外高度重視，智能醫(yī)療行業(yè)發(fā)展迅速，成果顯著，目前已經(jīng)應(yīng)用在病人身份識別、醫(yī)療樣品識別、醫(yī)療物資管理追蹤、病人案例辨識、住院監(jiān)護(hù)等方面[4]。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)很多，例如移動(dòng)護(hù)理系統(tǒng)、嬰兒防盜系統(tǒng)、醫(yī)療遠(yuǎn)程會診系統(tǒng)、醫(yī)療遠(yuǎn)程健康教育系統(tǒng)[5]等。

基于目前我國醫(yī)療服務(wù)行業(yè)的實(shí)際需求出發(fā)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電子信息技術(shù)、嵌入式技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)等，借鑒國內(nèi)外在移動(dòng)醫(yī)療、智能醫(yī)療領(lǐng)域的研究成果和經(jīng)驗(yàn)，本文在充分研究現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一款用于人體健康智能監(jiān)測的便攜式監(jiān)測終端，實(shí)現(xiàn)人體健康數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測、報(bào)警，目的在于解決當(dāng)前形勢下人體健康，尤其是中老年人在身體健康狀態(tài)獲知難、病情發(fā)展控制難的問題，實(shí)現(xiàn)對這些對象的身體健康監(jiān)測、病情數(shù)據(jù)采集控制和報(bào)警。

1 智能健康監(jiān)測終端總體設(shè)計(jì)

1.1 總體框架設(shè)計(jì)

智能健康監(jiān)測終端應(yīng)用系統(tǒng)組成如圖1所示，由智能健康監(jiān)測終端、醫(yī)療數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、移動(dòng)客戶端三部分組成。

1.2 終端硬件框架

智能健康監(jiān)測終端主要實(shí)現(xiàn)對人體健康數(shù)據(jù)的采集監(jiān)測，顯示采集的人體健康數(shù)據(jù)。同時(shí)當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，終端實(shí)現(xiàn)報(bào)警，不僅如此，還應(yīng)當(dāng)充分利用終端采集的健康數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程報(bào)警。當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，確認(rèn)病人狀況，必要時(shí)開展緊急救助活動(dòng)，因此監(jiān)測對象的地理位置數(shù)據(jù)尤為重要。綜上所述，結(jié)合已有產(chǎn)品研究現(xiàn)狀，分析市場需求，所設(shè)計(jì)的智能健康監(jiān)測終端系統(tǒng)硬件框架圖如圖2所示，終端主要分為系統(tǒng)主控單元、健康數(shù)據(jù)采集模塊、GPS模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、電源模塊。

1.3 系統(tǒng)功能

本智能健康監(jiān)測終端可以健康數(shù)據(jù)采集、健康報(bào)警、位置定位、健康數(shù)據(jù)共享等主要功能。

（1） 人體健康數(shù)據(jù)采集。人體健康數(shù)據(jù)采集是智能健康監(jiān)測終端的基本功能。人體健康數(shù)據(jù)很多，例如體溫?cái)?shù)據(jù)、血氧數(shù)據(jù)、血壓數(shù)據(jù)、血糖數(shù)據(jù)等，智能健康監(jiān)測終端用于人體健康指標(biāo)的監(jiān)測，通過人體健康數(shù)據(jù)的采集分析，可以對人體健康狀態(tài)進(jìn)行初步判斷。

（2） 健康報(bào)警。終端采集人體健康數(shù)據(jù)，當(dāng)健康異常時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)健康報(bào)警。本終端設(shè)計(jì)中，設(shè)定一定健康數(shù)據(jù)閾值條件，當(dāng)數(shù)據(jù)不符合條件時(shí)，進(jìn)行健康報(bào)警。

（3） 位置定位。智能健康監(jiān)測終端采集人體健康數(shù)據(jù)，并與正常數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，進(jìn)行報(bào)警。為方便對異常監(jiān)測對象進(jìn)行緊急醫(yī)療救助，終端需對監(jiān)測對象進(jìn)行定位，并將定位數(shù)據(jù)發(fā)送給醫(yī)療數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，進(jìn)而方便實(shí)施緊急醫(yī)療救助、病人監(jiān)測治療等。

（4） 健康數(shù)據(jù)共享。本設(shè)計(jì)監(jiān)測終端采集到健康數(shù)據(jù)后，通過一定方式將數(shù)據(jù)上傳至醫(yī)療數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。共享數(shù)據(jù)方式很多，例如ZigBee、WIFI、藍(lán)牙、移動(dòng)通信網(wǎng)、以太網(wǎng)等[6]，在具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，靈活選用數(shù)據(jù)共享方式，合理設(shè)計(jì)，方便應(yīng)用。

2 終端硬件設(shè)計(jì)

2.1 核心處理器

S3C6410是三星公司推出基于ARM11內(nèi)核的高性能、低功耗RISC微處理器[7]，可以廣泛應(yīng)用在移動(dòng)電話、通用處理等領(lǐng)域，它為2.5G，3G通信服務(wù)提供很好的硬件性能，它具有豐富的數(shù)據(jù)接口，支持UART串口、I2C、USB等多種數(shù)據(jù)接口，同時(shí)內(nèi)置ADC等。

2.2 健康數(shù)據(jù)采集

2.2.1 體溫采集模塊

在本文的設(shè)計(jì)中，選用電壓輸出型集成溫度傳感器LM35作為監(jiān)測終端的體溫?cái)?shù)據(jù)采集傳感器，并設(shè)計(jì)硬件電路。LM35通過將溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓輸出，對輸出的信號先經(jīng)過低通濾波去噪，再經(jīng)過LM324組成的放大電路將LM35輸出的電壓放大到伏級，通過S3C6410的ADC實(shí)現(xiàn)對輸出模擬信號的數(shù)字化轉(zhuǎn)換。

2.2.2 心率采集模塊

光電脈搏傳感器根據(jù)檢測光的方式，可以分為兩種，一種是檢測透射波，另一種是檢測反射波。主要構(gòu)成基本相似，即穩(wěn)定光源、接收光傳感器。本文選用Pulse Senor公司的脈搏數(shù)據(jù)傳感器就是檢測反射波的傳感器，使用APDS?9008光接收器件，光感器件接收到信號幅值較小，一般而言在毫伏級，容易受到其他信號的干擾，因此在信號放大之前加入低通濾波電路，MCP6001是信號放大器件，信號經(jīng)過低通濾波之后再進(jìn)入放大電路[8]。傳感器外部端口有三個(gè)，分別為GND，VCC，OUT。GND，VCC是外部電源輸入端，VCC允許3.3 V或者5 V電壓輸入，OUT信號為傳感器信號模擬量輸出端口。傳感器具有體積小、功耗低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

2.2.3 血氧采集模塊

測量血氧飽和度的方法很多，本文選用的是光電血氧測量傳感器。光電式血氧傳感器有兩種類型，一種是透射式血氧傳感器，另一種是反射式傳感器。其中透射式血氧傳感器應(yīng)用更加廣泛。本文選用透射式血氧傳感模塊。所選擇的血氧模塊對光電傳感器輸出信號進(jìn)行處理，得到血氧數(shù)據(jù)，并通過串口輸出，極大方便模塊的應(yīng)用和二次開發(fā)。表1為血氧模塊電路外部接口說明。

2.2.4 圖像采集模塊

圖像采集對于病人健康狀況的確定具有一定意義，通過圖像可以進(jìn)一步了解目標(biāo)對象身體現(xiàn)狀、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷等，因此在終端設(shè)計(jì)中，添加圖像采集模塊。綜合考慮核心板處理能力、系統(tǒng)流暢性等因素，本文選用ZC301攝像頭。

ZC301芯片具有圖像信號處理、圖像數(shù)據(jù)壓縮等功能，帶有DRAM存儲器，采用28 PIN LQFP封裝形式，ZC301攝像頭與主控單元之間通過USB接口連接。ZC301攝像頭模塊具有圖像采集清晰、色彩逼真、占用系統(tǒng)資源少、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 GPS與通信模塊

2.3.1 GPS定位模塊

GPS技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)，美國從20世紀(jì)70年代開始研制，于1994年全面建成，建立至今，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。對于智能健康監(jiān)測終端設(shè)計(jì)，當(dāng)終端采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，向數(shù)據(jù)中心發(fā)出報(bào)警數(shù)據(jù)時(shí)，醫(yī)院需要及時(shí)采取緊急救助，準(zhǔn)確獲知目標(biāo)對象的地理位置，安排醫(yī)院救護(hù)，提高醫(yī)院救助效率具有重要的意義。

本文選用以UBLOX NEO?6M為核心的GPS定位模塊，其具有功耗低、性能優(yōu)越、功能完善等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足具有嚴(yán)格要求的專業(yè)定位需求以及普通個(gè)人消費(fèi)需求。

2.3.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

本文3G傳輸模塊選用華為的E261 3G模塊，網(wǎng)絡(luò)選用中國聯(lián)通3G網(wǎng)，模塊標(biāo)稱數(shù)據(jù)下行最高速率為7.2 Mb/s，數(shù)據(jù)上行最高速率為5.76 Mb/s。E261 3G無線通信模塊外部數(shù)據(jù)接口為USB接口，通過USB接口與OK6410連接。

3 智能健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體框架設(shè)計(jì)

智能健康監(jiān)測終端軟件設(shè)計(jì)主要分為人體健康數(shù)據(jù)采集功能模塊、GPS數(shù)據(jù)處理功能模塊、數(shù)據(jù)傳輸功能模塊、圖形界面顯示模塊、數(shù)據(jù)庫等部分[9]。主程序控制人體健康數(shù)據(jù)采集的各軟件功能子模塊，實(shí)現(xiàn)對體溫、心率、血氧、圖像、GPS數(shù)據(jù)的采集，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，存入監(jiān)測終端數(shù)據(jù)庫中，顯示在監(jiān)測終端界面上，同時(shí)將數(shù)據(jù)封裝成TCP數(shù)據(jù)包，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給醫(yī)療數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，接收醫(yī)療數(shù)據(jù)處理服務(wù)器返回的健康建議，并顯示在監(jiān)測終端界面上[10]。醫(yī)療數(shù)據(jù)處理服務(wù)器接收到上傳的健康數(shù)據(jù)之后，進(jìn)行分析處理，當(dāng)監(jiān)測對象健康數(shù)據(jù)異常時(shí)，獲取監(jiān)測對象GPS數(shù)據(jù)，同時(shí)將異常發(fā)送給監(jiān)測終端，啟動(dòng)終端報(bào)警，醫(yī)療數(shù)據(jù)處理服務(wù)器報(bào)警，提醒相關(guān)工作人員監(jiān)測對象可能出現(xiàn)身體異常情況。智能健康監(jiān)測終端軟件系統(tǒng)為Linux 3.0.1，終端應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)采用Linux C與Linux Qt混合編程實(shí)現(xiàn)。智能健康監(jiān)測終端軟件總體流程圖如圖3所示。

數(shù)據(jù)傳輸部分采用C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，智能健康監(jiān)測終端作為客戶端，通過TCP Socket編程實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集模塊采集的健康數(shù)據(jù)封裝在TCP數(shù)據(jù)包中，通過TCP Socket發(fā)送給醫(yī)療數(shù)據(jù)處理服務(wù)器端，監(jiān)測終端同時(shí)接收醫(yī)療數(shù)據(jù)處理服務(wù)器發(fā)送來的健康狀態(tài)提醒數(shù)據(jù)[11]。TCP Socket客戶端主要用到的數(shù)據(jù)類是QTcpSocket，首先創(chuàng)建QTcpSocket對象，綁定信號槽。當(dāng)一組數(shù)據(jù)采集完成時(shí)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行封包處理，然后發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)監(jiān)聽客戶端對應(yīng)的端口，如果有數(shù)據(jù)讀取，則發(fā)出讀取數(shù)據(jù)的信號，完成數(shù)據(jù)讀取。

3.2 監(jiān)測終端軟件界面設(shè)計(jì)

監(jiān)測終端配備4.3英寸液晶顯示屏，用于顯示采集的人體健康及GPS數(shù)據(jù)。智能健康監(jiān)測終端人機(jī)界面設(shè)計(jì)通過Qt開發(fā)語言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。首先基于Ubuntu系統(tǒng)，配置Qt嵌入式開發(fā)環(huán)境，開發(fā)監(jiān)測終端的人機(jī)顯示界面，圖形化顯示各后臺子軟件模塊采集的人體健康數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)，并繪制心率波形。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

搭建人體健康智能監(jiān)測系統(tǒng)，對終端進(jìn)行測試，當(dāng)人體出現(xiàn)異常時(shí)，監(jiān)測終端的界面顯示如圖4所示。

監(jiān)測終端將健康數(shù)據(jù)上傳至醫(yī)療數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，當(dāng)健康出現(xiàn)異常，醫(yī)療數(shù)據(jù)處理服務(wù)器會對監(jiān)測對象進(jìn)行定位，并將位置顯示在電子地圖上，如圖5所示。界面會顯示報(bào)警監(jiān)測對象的詳細(xì)健康數(shù)據(jù)信息、個(gè)人聯(lián)系方式、詳細(xì)的地圖定位數(shù)據(jù)。

圖6為移動(dòng)客戶端軟件測試圖。在啟動(dòng)軟件時(shí)的界面上有一個(gè)按鈕“獲取當(dāng)前數(shù)據(jù)”，點(diǎn)擊該按鈕，客戶端連接至醫(yī)療數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，并發(fā)送獲取監(jiān)測對象健康數(shù)據(jù)的請求，接收來自醫(yī)療數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的數(shù)據(jù)，解析并顯示在移動(dòng)客戶端的界面上。

通過模塊測試和聯(lián)合調(diào)試，智能健康監(jiān)測終端可以正確采集人體健康數(shù)據(jù)，采集的健康數(shù)據(jù)包括圖像、血氧、心率、灌注指數(shù)、體溫；GPS數(shù)據(jù)獲取、解析正確，可以正常顯示在Qt開發(fā)的嵌入式界面上；監(jiān)測終端軟件可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳至醫(yī)療數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，可以接收來自醫(yī)療數(shù)據(jù)處理服務(wù)器返回的健康提示信息。醫(yī)療數(shù)據(jù)處理服務(wù)器可以正常接收來自智能健康監(jiān)測終端上傳的健康數(shù)據(jù)，并返回健康提醒信息，能夠正常接收來自移動(dòng)客戶端的健康數(shù)據(jù)請求，返回目標(biāo)對象的健康數(shù)據(jù)；移動(dòng)客戶端能夠連接至醫(yī)療數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，發(fā)送健康數(shù)據(jù)請求，接收來自醫(yī)療數(shù)據(jù)處理服務(wù)器返回的監(jiān)測對象健康數(shù)據(jù)，并進(jìn)行顯示。

5 結(jié) 語

本文綜合了醫(yī)療數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、移動(dòng)客戶端、智能健康監(jiān)測終端三部分進(jìn)行健康監(jiān)測系統(tǒng)的聯(lián)合測試，并分析了系統(tǒng)的測試結(jié)果。測試結(jié)果表明智能健康監(jiān)測終端工作穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)對人體健康數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測與報(bào)警、監(jiān)測對象位置定位等功能。

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