基于嵌入式技術的農村醫療系統設計

黎敬濤等

摘 要： 為了解決農村的醫療問題，設計一種基于嵌入式技術的農村醫療系統。該系統將無線傳感器網絡作為采集系統，采用樹莓派（Raspberry pi）作為系統控制器核心的健康查詢一體機，搭載Linux操作系統，接收采集系統的數據進行分析并上傳至數據處理中心。提供短信查詢的功能，方便通過手機終端獲取指定人員的健康信息。數據處理中心負責生命特征信息的存儲、分析，醫護人員可通過醫療平臺查詢用戶的生命特征信息。測試結果表明：該系統能夠完成相應的功能，滿足應用需求。

關鍵詞： 嵌入式技術； 樹莓派； 農村醫療系統； 無線傳感器網絡

中圖分類號： TN702?34； TP302.1 文獻標識碼： 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

隨著我國社會經濟的快速發展，生活方式的變化，以及子女數的減少，農村的老年家庭空巢率正不斷的加大?？墒俏覈男l生醫療事業發展較經濟發展卻相對滯后，農村老年人看病難，看不起病的問題尤為突出，農村的醫療模式也主要以”治療為主”。導致這種問題出現的主要原因有：農村醫療設施落后，無法對身體的生理數據進行及時準確的監測；外出務工子女對父母身體生理數據信息的閉塞，只有等到父母身體出現病癥時才能給予其關心和治療。

隨著嵌入式技術，無線通信技術的快速發展，基于無線傳感網構建的遠程健康監護系統在農村，社區醫療服務中得到廣泛的關注和應用[1?4]。目前國內外相關研究都主要側重于如何構建一個可穿戴式設備的無線傳感器網絡，通過準確采集人體生理參數來提高其在醫療服務中的實用性[5?6]。而農村老年人需要勞作，無法使用可穿戴式設備，以及經濟條件相對較差無法廣泛普及。同時與子女進行健康信息的及時交互也沒有得到解決。

本文從實際出發，結合已經研究相對成熟的生命特征傳感器技術、無線傳感器網絡技術和嵌入式技術，設計了一種農村專用醫療系統。

系統中的不同生理數據采集設備被作為單獨個體安置在農村人口比較密集的公共醫療房間內供集體使用，旨在有效地改善落后的農村醫療設施，降低了成本。

農村醫護人員可以通過醫療平臺的對居民的身體健康狀況進行遠程診斷，增加了農村醫護人員的彈性時間。外出子女可以通過手機終端以短信的方式從醫療系統中查詢家中留守老人的身體生理數據以及醫護人員的參考意見。將外出子女身份由原先的被動接受轉變為主動查詢。

1 系統總體設計

基于嵌入式技術的農村醫療系統主要由無線傳感器網絡、健康查詢一體機、醫療信息平臺和數據中心等幾部分構成。系統整體架構圖如圖1所示。

無線傳感器網絡的不同生理數據采集終端作為單獨醫療設備與健康查詢一體機放置在人口密集的公共醫療房間內。留守老人隨時可通過不同監測設備檢測個人的生理數據，并同身份信息參數，通過ZigBee協調器傳遞給健康查詢一體機。ZigBee協調器不負責采集數據，只負責將收到的個節點采集數據通過RS 232串口總線傳送給健康查詢一體機。由樹莓派構成的健康查詢一體機在系統中負責數據的接受處理，根據數據的相關屬性進行顯示，并通過Internet網絡上傳給遠程數據中心。健康查詢一體機的身份識別功能，可以幫助用戶隨時查詢過去的監測記錄以及醫護人員的診斷信息。醫護人員通過醫療系統平臺可以遠程獲取數據中心存儲的不同用戶的生理數據信息進行診斷，如果發現異常生理數據，即可通過健康查詢一體機將特定的用戶信息發送至手機客戶端。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，具有很強的實時性，尤其是對當前留守老人中高發的慢性病的檢測和治療具有很大的幫助，實現預防為主代替治療為主。

2 硬件設計

2.1 無線傳感器網絡

生理數據區域的信息采集利用無線傳感器網絡，由多個監測設備和ZigBee協調器組成，監測設備的結構圖如圖2所示。

每個監測設備點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，具有生理數據采集，計算處理，無線通信，自動組網和控制設備的能力。監測設備以MSP430F149單片機為核心，內部集成了12位A/D轉換器，通過生命特征傳感器采集模擬信號，經過A/D轉化為數字信號。再由單片機對所獲取的數據進行顯示，封裝打包通過TI公司推的ZigBee標準芯片CC2530發送給ZigBee協調器。

ZigBee協調器節點結構圖如圖3所示，ZigBee協調器節點是負責組網、監測網絡和收集數據，通過RS 232串口實時將數據傳送給健康查詢一體機。為了提高傳輸距離，采用了TI公司專門設計的擴展射頻芯片CC2591將節點的傳輸距離擴展到1 km。

2.2 健康查詢一體機

健康查詢一體機終端硬件結構圖如圖4所示。

健康查詢一體機以樹莓派電腦板（博通ARM架構的700 BCM2835的CPU）為核心，外圍硬件接口包括標準的RJ?45以太網接口、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，用于外擴硬件設備。

健康查詢一體機通過GPIO口外接了GSM模塊，身份識別模塊等硬件設備[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設計[8]，GPIO保護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接口與樹莓派進行通信，采用TXB108芯片可以有效地保護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工作和通信。GPIO接口提供了UART串口，為了安全考慮，外接設備不可以直接連接。系統中選用MAX3232芯片可以有效地保護GPIO接口與外接串口的連接。

3 系統軟件設計

3.1 無線傳感器網絡的程序設計

傳感器節點加入網絡后，會進入休眠模式。當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的發送命令，根據相關命令將數據發送到ZigBee協調器，發送數據結束后，傳感器節點會再次進入休眠模式。如果延時沒有收到發送命令，則說明數據采集出現故障。ZigBee協調器軟件負責網絡的初始化，通過網絡接受傳感器節點的數據，通過串口與健康查詢一體機進行通信，管理網絡中的傳感器節點。

3.2 健康查詢一體機的軟件設計

健康查詢一體機軟件除了在系統中安裝Qt庫和wiringPi庫，關閉GPIO中的UART串口默認的調試功能，并重新設置串口的波 特率為9 600 b/s之外。軟件設計分為服務器模塊、數據操作模塊、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，共同完成相關功能，健康查詢一體機程序流程如圖6所示。

3.2.1 服務器模塊

服務器模塊采用Socket與醫療信息平臺和數據中心進行通信。它的主要功能有：接受醫療信息平臺的命令并進行解析；與數據中心進行通信，對數據中心的數據進行操作。

3.2.2 串口通信模塊

程序打開串口，就監聽串口設備，一旦有數據從串口發送過來，就對數據進行解析處理。串口傳送的數據分為兩類，即GSM模塊的數據和ZigBee協調器的數據。對于GSM模塊的數據，會對其進行解析處理，調用服務器模塊從數據中心查詢數據。ZigBee協調器的數據會調用數據操作模塊進行分類處理，通過Socket模塊上傳到數據中心。

3.2.3 數據操作模塊

提供接口供服務器模塊，串口模塊調用，對數據進行各種分析處理，并且可調用服務器模塊和串口模塊，分別與數據中心與GSM模塊進行通信。

3.2.4 身份識別模塊

程序監聽SPI接口，一旦有數據從SPI接口發送過來，就對數據進行解析處理。調用服務器通信模塊從數據中心讀取相應身份信息的用戶生理數據，然后調用顯示模塊在顯示屏上通過UI界面進行數據的直觀顯示。

3.3 醫療信息平臺軟件設計

運行在個人電腦醫療信息平臺程序由2個基本功能模塊組成：人機接口和服務器通信程序。人機接口不僅提供操作界面供醫護人員進行網絡診斷，還可以組織節點初始化，配置健康查詢一體機等參數。醫療信息平臺同時還提供曲線形式的數據可視化[9?10]。服務器通信程序負責醫療信息平臺與數據中心和健康查詢一體機的通信。

系統在研制成功后，進行了一系列的試驗，從表1中可以看出針對不同實驗人員的身體特征數據通過系統與人工的測量比對，雖然存在一定的誤差，但是系統能夠滿足當前農村醫療的所需。

4 結 語

本文提出了一個基于嵌入式技術的農村醫療系統，分別從健康查詢一體機，無線傳感器網絡采集和醫療信息平臺方面介紹了系統設計的思路。有效地解決我國農村當前存在醫療問題，具有一定的推廣應用價值。下一步將在手機終端提供3G無線網絡訪問的功能，便于農村人員去城市醫館就醫時，及時準確的向醫護人員告知個人身體癥狀，以及過去身體生理特征數據的檢測記錄。

參考文獻

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