醫用物聯網理論課程實訓平臺建設實踐探究

王穎 李勝旭 張翠萍

摘要：針對醫學院校的專業性特征，福建中醫藥大學的物聯網實訓平臺從嵌入式基礎實驗平臺、醫用物聯網應用場景平臺兩方面進行教學和實踐。福建中醫藥大學在已開設的醫用物聯網理論課程基礎上，新增了結合嵌入式技術、傳感器技術、射頻技術和網絡技術的實訓平臺，有助于提高醫用物聯網課程的理論教學和實踐教學水平，循序漸進培養學生醫用物聯網的實踐開發技能。

關鍵詞：醫用物聯網；實訓平臺建設；實踐教學

中圖分類號：TP315? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）34-0105-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

物聯網是指基于互聯網、電信網等信息載體，把任何物品通過信息傳感設備與網絡相連接，物體按照約定的協議進行信息交換和通信，可以實現智能化識別、監控、跟蹤和管理等功能[1]。將物聯網技術應用于中醫藥領域、中醫診療、中醫理療護理、臨床實踐等領域，能夠使醫學治療、醫學服務與醫學管理更加智能化。因此，實現醫學技術與物聯網技術交叉應用以及應用創新[2]，對于福建中醫藥大學建設醫用物聯網實訓平臺有著現實意義。

物聯網從技術架構上分為三層：感知層、網絡層和應用層[3]，物聯網的整理框架如圖1所示。

感知層位于物聯網三層結構中的最底層，是采集信息的來源，它的主要功能是識別和采集信息[4]。感知層由各種傳感器設備構成，包括光敏傳感器、二維碼標簽、射頻識別標簽和讀寫器、氣體濃度傳感器、全球定位傳感器等感知終端[1]。

網絡層負責傳遞和處理感知層獲取的信息，是物聯網的中間層，主要解決感知層與上位機之間長距離數據傳輸的問題[5]。其由互聯網、有線通信網、無線通信網和各種私有網絡等不同的網絡連接形式組成[6]。云計算平臺作為海量感知數據的存儲、分析平臺，通過網絡層傳輸接收到各種感知信息，并實現信息的交互共享和有效處理，實現兩個終端系統之間的數據透明傳送。

應用層是物聯網和用戶的接口，是感知層和網絡層的具體體現，它與行業需求相結合，提供了豐富的智能應用。

根據物聯網系統這三種層次的劃分方式，福建中醫藥大學結合醫藥院校的特色，在物聯網實驗室建設和實驗教學方面進行規劃設計。

1 福建中醫藥大學醫用物聯網課程建設存在的問題

福建中醫藥大學信息管理與信息系統專業融合新工科、新文科、新醫科建設理念，專業定位于培養具有醫藥特色、掌握信息管理和信息系統開發技能的跨學科專業人才。即培養具備良好信息管理與分析能力、豐富信息技術專業知識及計算機應用技能，掌握醫藥信息系統的分析、設計、開發、實施和管理。在課程建設中，福建中醫藥大學開設了醫用物聯網相關的課程，通過物聯網技術的學習，使學生具有智能醫學應用方案設計、智能醫療治療系統搭建以及系統測試等綜合能力[7]。但因為缺乏物聯網實訓平臺，教師授課只能進行理論教學。然而，物聯網技術是通過各種硬件設備進行支撐的，因此，物聯網實訓平臺對提高福建中醫藥大學醫用物聯網課程的理論及實踐教學水平、提高學生的綜合實踐能力起到極大的作用。

2 物聯網實訓平臺設備配置的規劃建設

實訓平臺規劃從基礎實驗和綜合應用場景實驗兩個方向分別配置實驗設備?；A實驗包括掌握嵌入式微處理器的各個接口及功能模塊應用、傳感器信息采集、RFID射頻識別以及多種嵌入式網絡通信模塊的使用，為物聯網技術基礎研究及應用創新提供信息平臺支持[8]。醫用物聯網應用場景實驗包括醫療應用和醫療管理兩方面，將物聯網的感知層、網絡層和應用層形成一個連貫的知識體系應用在每個實際場景實驗中，綜合硬件終端、軟件系統進行物聯網應用場景設計的研究和學習。圖2為物聯網實訓平臺建設方案。

2.1 基礎實驗建設

物聯網基礎實驗系統的主控芯片選用意法半導體公司的STM32F4微控制器STM32F429IGT6型號，這是款高性能、低成本、低功耗的為嵌入式應用設計的ARM CortexM3內核微控制器，采用176引腳LQFP封裝，頻率高達180MHz，內置1024KB的閃存，256KB的SRAM，140個GPIO接口，24通道的12位ADC接口，12位DAC通用DMA，10個通用計時器、兩個高級控制計時器和兩個基本計時器。

由于本校信息管理與信息系統專業特點，實驗無須讓學生詳細掌握微控制器的所有接口驅動操作和編程技能，只須讓學生掌握如何使用微控制器獲取數據，并通過有線或無線的通信方式傳輸至上層應用軟件，使用上層應用軟件對數據進行處理、分析等應用?；A實驗包括片上基礎資源的實驗、外接傳感器模塊的數據采集實驗、RFID射頻卡識別實驗以及無線通信實驗這四部分實驗。

其中，微處理器芯片的基礎實驗內容如表1所示，片上基礎資源的實驗包括GPIO接口輸入輸出實驗，時鐘系統和SysTick定時器實驗，UART串口通信實驗，SPI總線接口實驗以及PWM輸出實驗。通過基礎實驗，使學生對物聯網設備有形象的認識和真實的體驗感，并將學到的理論知識應用于實際的實驗操作。比如，通過第一個實驗：GPIO接口輸出實驗的LED跑馬燈，學生可以學會使用KEIL軟件編譯環境和ST-LINK下載器燒寫程序或在線調試，學會查看簡單的電路原理圖，通過查看STM32數據手冊的IO口定義設置寄存器來控制數據的流向。

傳感器模塊實驗，主要有溫度傳感器、濕度傳感器、紅外傳感器、重量傳感器、聲音傳感器、光強傳感器、氣體傳感器等基礎功能傳感器模塊的應用[9]。通過各類傳感器模塊的學習，學生可以掌握STM32微處理器的常用總線接口使用，部分傳感器模塊如表2所示。

STM32微處理器的軟件編程，主要使用匯編語言和C語言，學生只須掌握C語言的應用。實驗使用模塊化編程，各個接口的驅動程序已封裝在庫函數里，學生無須從零開始學習接口驅動編程，只須學會如何通過查找手冊使用相應的接口函數對數據進行發送接收、設置與獲取，并對數據進行進一步的處理。

2.2 醫用物聯網場景實驗的建設

醫用物聯網應用平臺的建設，選用典型的物聯網應用案例為參考模型[5]，自建模擬的醫用物聯網應用場景，使用STM32微處理器或樹莓派4B為主控器，使用C語言和Python編程，通過醫療、管理兩個方面建設應用場景，如圖3所示。

通過醫用物聯網綜合應用實驗，學生可以學會人體生理參數傳感器模塊的知識和應用；學會將基礎實驗的傳感器模塊綜合應用于實際醫療場景或改進管理效率；學會智能控制的相關基礎知識，如路徑規劃自動導航、雷達掃描動態避障、電機控制車輪移動、方向控制、機械臂控制，建圖導航、激光雷達掃描建圖、路徑規劃、視覺識別目標追蹤、人機語音交互控制、跨平臺互聯操縱以及AI深度學習等。學生通過了解如何將多個傳感器或硬件功能組合起來，可以實現智能聯動控制和監測的系統。醫用物聯網應用平臺能夠提高學生對物聯網的認知度，增強學生的動手能力和創新能力。

每個場景實驗項目，按照物聯網的三層結構：感知層、網絡層和應用層進行構建。學生可以結合理論知識，實際動手搭建醫療場景設備并進行軟硬件編程開發，掌握物聯網應用的基本操作。比如，圖4所示的人體生理參數檢測系統架構，系統由感知層、網絡層和應用層三層組成。感知層的單片機設備負責采集病患的生理指標信息，檢測內容感知模塊有：體溫傳感器、血氧傳感器、心率傳感器、紅外脈搏傳感器、呼吸波傳感器、血壓傳感器、心電傳感器。網絡層采用有線通信或無線通信兩種方式進行數據傳輸。有線連接采用RS232串口通信進行數據傳輸；無線連接采用4G模塊通過MQTT協議的發布/訂閱體系架構進行數據傳輸，可滿足分布式通信需求。感知層設備采集到的信息以發布的方式傳輸給上位機，并通過訂閱的方式接收上位機發送的采集或閾值設置等控制指令。應用層采用電腦終端的可視化顯示界面，顯示采集到的生理指標信息，進行數據分析展示和設置預警監測。

3 結束語

福建中醫藥大學信息管理與信息系統專業是醫學與計算機類專業的交叉學科，其在物聯網技術的教學定位與計算機專業有所區別。醫用物聯網課程相比計算機專業，物聯網的硬件設計基礎和傳感器原理等專業知識的授課深度會稍微淺顯些，更側重物聯網醫學方面的綜合應用。課程通過提升學生動手實踐操作的能力，使學生能夠有效地將物聯網技術應用在醫學技術上，激發學生的創造力去解決醫學診療、服務和管理中遇到的問題。同時，物聯網實驗平臺也給學生提供了一個系統學習嵌入式技術的實踐開發平臺，可以讓學生循序漸進從嵌入式軟硬件基礎知識入門，再深入掌握嵌入式在物聯網中的綜合應用，以滿足企業對嵌入式研發工程師人才的需求，增加學生就業崗位的選擇和提升學生的就業競爭力。

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【通聯編輯：謝媛媛】