基于LoRa技術(shù)的中醫(yī)家庭醫(yī)生服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅青青,周正貴,方銀銀

（1.安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241002；2.光電材料科學(xué)與技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241002）

0 引言

采用LoRa技術(shù)設(shè)計(jì)了一種中醫(yī)家庭醫(yī)生服務(wù)系統(tǒng)，該技術(shù)具有抗干擾、保密性強(qiáng)等特點(diǎn)，可應(yīng)用于傳輸距離長、功率低的場(chǎng)合［1-3］，有利于提高知名中醫(yī)門診量，也方便為居民提供中醫(yī)治病的服務(wù)［4］。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

中醫(yī)家庭醫(yī)生服務(wù)系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由多個(gè)LoRa節(jié)點(diǎn)組成，LoRa節(jié)點(diǎn)采集用戶的體溫、脈搏等參數(shù)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由中繼模塊及網(wǎng)關(guān)模塊組成，中繼模塊通過LoRa網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)再通過LoRa網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)模塊將數(shù)據(jù)匯總、處理。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為云平臺(tái)服務(wù)中心，通過以太網(wǎng)接收網(wǎng)關(guān)模塊的信息，醫(yī)生可通過手機(jī)、電腦終端等訪問云平臺(tái)服務(wù)中心查詢用戶的信息，并對(duì)用戶的身體狀況做出診斷，用戶可通過訪問云平臺(tái)服務(wù)中心查詢，實(shí)現(xiàn)中醫(yī)家庭醫(yī)生遠(yuǎn)程問診服務(wù)，也可提供中醫(yī)治病的服務(wù)。一個(gè)云平臺(tái)服務(wù)中心可使用以太網(wǎng)通信的方式接入多個(gè)網(wǎng)關(guān)模塊。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)電路為LoRa節(jié)點(diǎn)的電路，主要包括電源模塊、傳感器模塊、單片機(jī)模塊、RS-485模塊及LoRa模塊，實(shí)現(xiàn)了將采集到的用戶信息發(fā)送至中繼模塊。傳感器模塊包括脈搏檢測(cè)模塊、體溫檢測(cè)模塊等，脈搏檢測(cè)模塊采用MAX30102，可測(cè)量出用戶的脈搏血氧飽和度和脈搏，該傳感器具有測(cè)量快速、實(shí)時(shí)等特點(diǎn)，在臨床上被廣泛使用；體溫檢測(cè)模塊采用DS18B20，用于檢測(cè)用戶的體溫，該芯片與單片機(jī)模塊采用單總線的連接方式，該傳感器具有容易組建傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。LoRa節(jié)點(diǎn)電路示意圖如圖2所示。

圖2 LoRa節(jié)點(diǎn)電路示意圖

LoRa模塊采用無線模塊LSD4RF-2F717N30，該模塊是基于射頻集成芯片SX127X的物聯(lián)網(wǎng)無線收發(fā)器，芯片具有小體積、低功耗、強(qiáng)抗干擾能力、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)將無線網(wǎng)絡(luò)快速部署和數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集［5-6］，LSD4RF-2F717N30核心電路如圖3所示。

圖3 LSD4RF-2F717N30核心電路

單片機(jī)模塊采用STM32F030C6T，主要用于接收傳感器模塊采集的信息并將信息通過Lo-Ra模塊發(fā)送至中繼模塊。該芯片的工作電壓為2.0～3.6V，內(nèi)有64KB的SRAM和512KB的Flash等資源，可用于醫(yī)療、通信等領(lǐng)域，STM32F030C6T與LSD4RF-2F717N30芯 片 的 連 接電路如圖4所示。

圖4 STM32F030C6T與LSD4RF-2F717N30芯片連接電路圖

RS-485電路采用芯片MAX3456，芯片通過RO及DI引腳分別與STM32F030C6T的U1_RX、U1_TX引腳相連接，用于采集傳感器模塊采集的信息。RS-485電路連接如圖5所示。

圖5 RS-485電路連接圖

2.2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)包括中繼模塊電路設(shè)計(jì)和網(wǎng)關(guān)模塊電路設(shè)計(jì)。網(wǎng)關(guān)模塊包括單片機(jī)模塊、電源模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊及LoRa模塊，單片機(jī)模塊采用STM32F030C6T，LoRa模塊采用LSD4RF-2F717N30，網(wǎng)關(guān)模塊示意圖如圖6所示。

圖6 網(wǎng)關(guān)模塊示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 LoRa節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

啟動(dòng)LoRa模塊后，當(dāng)接收到結(jié)束字節(jié)時(shí)，數(shù)據(jù)經(jīng)添加幀頭、幀尾后，通過LoRa網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至中繼模塊，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的發(fā)送，LoRa節(jié)點(diǎn)流程如圖7所示。

圖7 LoRa節(jié)點(diǎn)流程圖

3.2 中繼模塊設(shè)計(jì)

啟動(dòng)LoRa模塊后，當(dāng)接收到結(jié)束字節(jié)時(shí)，數(shù)據(jù)經(jīng)濾除幀頭、幀尾后，再通過網(wǎng)關(guān)模塊將數(shù)據(jù)傳送給云平臺(tái)服務(wù)中心，實(shí)現(xiàn)中繼模塊數(shù)據(jù)的發(fā)送。

4 系統(tǒng)測(cè)試及分析

4.1 功能檢測(cè)

本設(shè)計(jì)是在每個(gè)LoRa節(jié)點(diǎn)都安裝有傳感器模塊，在LoRa節(jié)點(diǎn)附近安裝一個(gè)中繼模塊。中醫(yī)家庭醫(yī)生服務(wù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程是：LoRa節(jié)點(diǎn)將采集到的用戶檢測(cè)信息，如體溫、脈搏、血糖、血壓等參數(shù)發(fā)送至中繼模塊，組網(wǎng)后，中繼模塊通過LoRa網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送至網(wǎng)關(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)模塊將數(shù)據(jù)匯總、處理后，將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送至云平臺(tái)服務(wù)中心，醫(yī)生可通過手機(jī)、電腦等終端訪問云平臺(tái)服務(wù)中心查詢當(dāng)前用戶身體情況的信息，網(wǎng)頁顯示檢測(cè)信息，用戶選擇檢測(cè)項(xiàng)目名稱來查詢數(shù)據(jù)。

4.2 系統(tǒng)測(cè)試

為了測(cè)試LoRa節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)可傳輸距離，隨機(jī)選取A、B兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，波特率設(shè)為9.6kbps。發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)的間隔為0.5s。當(dāng)A、B兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)匹配天線增益為5dBi，檢測(cè)距離分別選取210m、430m、870m、1280m、1610m、1920m、2110m，連續(xù)收發(fā)2萬個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，統(tǒng)計(jì)LoRa網(wǎng)絡(luò)的丟包率；當(dāng)A、B兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)匹配增益為3dBi，檢測(cè)距離分別選取210m、430m、560m、590m、620m、640m、700m、940m時(shí)，統(tǒng)計(jì)LoRa網(wǎng)絡(luò)的丟包率。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 LoRa網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率測(cè)試結(jié)果（5dBi）

表2 LoRa網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率測(cè)試結(jié)果（3dBi）

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在天線增益相同時(shí)，傳輸距離越遠(yuǎn)，LoRa網(wǎng)絡(luò)的丟包率越大；天線增益不同時(shí)，天線增益越大，相同的傳輸距離，LoRa網(wǎng)絡(luò)的丟包率越小。

5 結(jié)語

基于LoRa技術(shù)的中醫(yī)家庭醫(yī)生服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。分析表明：系統(tǒng)容易組網(wǎng)，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，能基本解決中醫(yī)家庭醫(yī)生的遠(yuǎn)程診斷技術(shù)難題，還能提供中醫(yī)治未病的服務(wù)，可為我國中醫(yī)家庭醫(yī)生開展簽約服務(wù)提供借鑒。