基于物联网的远程慢病监护数据网络构建方式

　　1 引言（Introduction）
　　当前，我国医疗资源分布不均及各地域发展水平不平衡的问题是近一段时期来我国医疗卫生部门面临的一个突出问题，如何解决广大人民群众就医公平，已成为一个重大课题。随着物联网、体域网等多种信息技术的快速发展，建立一种基于物联网的远程慢病防治监护平台，即将医疗技术从医院延伸到家庭，提供一套具有监护及防护功能的个人健康信息采集处理并提供远程服务的系统是解决当前问题的一个重要步骤。  
　　2 物联网及远程监护（The internet of things， and
　　remote monitoring）
　　物联网[1]是延伸和扩展的互联网。它运用信息传感技术，实时采集需要监控、连接、互动的物体生物信号及位置等各种需要信息，把任何物品与互联网连接起来进行信息交换和通信。实现物与物、物与人、物与网络的连接，方便管理、识别和控制。
　　在物联网的众多领域当中，远程医疗是一个值得人们关注的热点，远程医疗[2]可缩小不同区域医疗水平的差距，减少病人及家属的路途奔波时间，提高了医疗效率和质量。远程监护是远程医疗的一个重要组成部分，它在患者与医院专家之间建立一座桥梁，能够使患者在任何地点、任何时间接受来自远端医院专家的诊断，通过远程监控数据，病人可以享受远程专家的医疗服务[3]。它是计算机、通信网络和现代医疗多种技术相结合的产物，它提供了一套全新的医疗服务共享体系。
　　3 慢病监护网络系统功能概述（Slow disease
　　monitoring network system function overview）
　　基于物联网的慢病监护系统是连接患者与医院的纽带，目标是能够实现以下功能：①患者在非医疗区域就能享受到医疗机构的监测及护理指导；②患者在任何地方就能享受到急救服务；③通过社区监护系统数据库建立居民的健康档案资源库；④医护人员通过健康监护平台能够及时获取患者疾病的信息；⑤医院健康监护平台收集各个社区医疗信息并进行诊断。
　　监护数据传输网络系统工作原理：人体基本生理参数（血压、心率、血氧）的采集，各路采集数据把各路收集到的基本数据经过控制器合并处理后形成同一路串口输出数据；通过无线传输网络把收集的人体生理参数存储在本地医疗监护网关（客户端）；由本地医疗监护网关来完成人体生理参数数据的解析、处理和显示；远端医疗监护端（服务器端）接收客户端发来的人体生理数据，并对这些数据进行分析处理。服务器端和客户端间的数据交换和网络通信由两端的ARM6410完成。
　　本监护网络系统的设计实现通过以下五个模块完成：患者生理数据采集传感器模块、数据处理控制器模块、无线传输网络模块、本地及远程医疗监护控制模块。各个模块之间的联系框图如图1所示。
　　图1 慢病远程监护模块框架图
　　Fig.1 Slow disease remote monitoring module frame
　　以上不同模块实现的功能为：①患者生理数据采集传感器模块：即人体生理参数OEM模块，本模块数据输出为标准的串口数据，数据可直接和单片机STM32串口相连。②STM32处理模块：即对从不同串口上读取的患者基本数据进行合并处理并传输到无线模块上。③无线传输网络模块：选择一种合适的无线传输技术，将采集的患者生理数据通过无线传输发送，接收端接受数据并传送给客户端，即本地医疗监护网关模块。④客户端医疗监护控制模块：采用三星ARM6410开发平台，接受来自无线传输模块上传输来的患者生理参数数据，实时显示经过解析处理后的数据。⑤服务器端医疗监护模块：同样采用三星ARM6410开发平台，利用Socket技术建立与客户端医疗监护控制模块的联系。服务器端模块可解析处理客户端传送来的患者生理数据，服务器端可实时对客户端监护模块进行控制。
　　4 短距离无线通信方案分析（Short distance wireless
　　communication scheme selection）
　　无线网络通信技术是监护网络系统的重要部分，本系统所监护的面向对象具有移动性并且监护范围一般面向社区或家庭，监护区域比较小。而ZigBee技术是一种基于IEEE 802.15.4，它的主要优点是：网络容量大，安全性高、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的短距离无线通信技术。并且它的通讯距离可自由扩展，从几米到几公里范围都允许，它采用自组网的通信方式，经常把它应用于传感控制、自动控制、工业控制、家居、医疗等领域。因此，根据对象的需求以及对短距离ZigBee无线通信优势的分析，本系统无线通信方案选择ZigBee作为无线传输。
　　5 嵌入式操作系统方案分析（The embedded
　　operating system scheme selection）
　　为实现慢病监控系统中各资源得到最有效的利用，选择合适的嵌入式操作系统进行软硬件资源及任务分配协调是非常必要的。
　　目前市场上流行的嵌入式操作系统较多，Android系统具有以下优点：①提供了从最底层内核到最高层应用程序的所有软件，用户还可以根据自己需求定制平台，开发限制少。②所有的应用程序软件完全平等，部分内置的组建也可根据需要被替换为符合个人需求的版本。③可移植性强，Android平台上的程序都是基于java语言开发的，并在虚拟机Dalvik上执行，所以，程序可以很好地移植在ARM X86等不同架构上。④优质的图形系统和音效。Android平台自身内置了一些常用的标准视频和音频编解码器，结合2D图形库和3D加速的OpenGL，可以得到很好画质和音质效果。⑤系统管理应用程序稳定性好，Android平台为不同程序之间兼容提供了良好的安全措施，各种应用程序的运行或关闭有条不紊地进行，系统稳定性得到很好保障。
　基于以上的分析，Android系统符合监护系统的需要功能及要求，并且它可对监护网络设备进行很好的性能优化，所以系统选择Android作为客户端及服务器端医疗监护的操作系统。
　　6 慢病网络监护系统硬件设计方案（Slow disease
　　network monitoring system hardware design）
　　慢病监护系统硬件主要由以下部分组成：患者基础生理参数采集设备、无线传输网络、客户端医疗监护网关和服务器端医疗监护网四个部分，框架流程如图2所示。
　　图2 慢病监护硬件框架图
　　Fig.2 Slow disease monitoring hardware frame
　　6.1 患者 基础生理参数采集及无线传输网络
　　生理参数采集采用ARM Cortex-M3内核的STM32芯片并搭载三个生理医疗传感器模块。以STM32作为核心微控制器，因为它包含有丰富的外设接口，通过三路采集到的患者生理数据经STM32处理后合并为一路数据，数据通过无线传输模块发送出去。选择EWRF3065和CSR GL-6B作为无线传输设备，EWRF3065模块由时钟电路、电源电路、天线射频电路、电平转换电路等组成，GL-6B模块由电源电路、电平转换电路、天线射频电路等组成。流程框图如图3所示。
　　图3 患者生理参数采集及无线传输系统
　　Fig.3 Patients physiological parameters acquisition and
　　wireless transmission system
　　6.2 本地医疗监护网关子系统
　　客户端监护平台以Samsung S3C6410 ARM11微处理器作为主CPU，其优点是：ARM6410可以提供1GB SDRAM和1GB NANDFlash存储空间，同时具备高速SD卡存储设备、100MB网络、USB Host、RS232、RS485和外扩GPIO界面等接口，另外配有800×600 7.0英寸高清TFT液晶触摸屏，并提供宽电压的电源输入方式，能方便搭配不同环境下的电源使用。
　　客户端医疗监护网关子系统工作主要原理是：患者数据采集系统通过无线网络将患者基本生理数据传送给该子系统，客户端监护网关通过DM9000 AE设备的RJ-45网口将患者基本生理数据传输给服务器端监护子系统。本地医疗监护网关框图如图4所示。
　　图4 本地医疗监护系统
　　Fig.4 Local medical care system
　　6.3 远端医疗监护端子系统
　　服务器端监护系统以ARM 1176JZF-S为内核，处理器运行速度快，最高可在667MHz主频上运行，平台配备有丰富的内部资源，内置硬件加速器，集成了一个支持视频编解码MFC，因此它可广泛应用在移动服务和通信处理等领域。另外，处理器支持多种NAND Flash和Mobile DDR存储器，集成了CMOS摄像头、USB HOST、以太网、SD卡、液晶屏触摸等多种高端接口，这些接口为用户实现高端设计提供良好的基本条件。
　　服务器端监控子系统工作情况是：通过DM9000AE的RJ-45接口接收来自客户端医疗监护网关通过互联网传送过来的患者基本数据，并对这些数据进行解析处理。另外，它可以把服务端医生或专家经过判断处理后的结果及时地发到客户端网关，实现实时监控。服务器端医疗监护系统框图如图5所示。
　　图5 远端医疗监护系统
　　Fig.5 Remote medical monitoring system
　　7 慢病监护系统软件设计（Slow disease monitoring
　　system software design）
　　7.1 无线传输软件设计
　　通过以上无线通讯方案的选择，首先对它实现软件设计，由于ZigBee网络分别定义Coordinator（协调器）、Router（路由器）和End Device（终端设备）三种网络角色。各角色之间的关系如图6所示。
　　图6 ZigBee数据传输网络
　　Fig.6 ZigBee network data transmission
　　Coordinator负责网络建立和网络地址分配，Router负责寻找、建立、修复及传送数据包，End Device加入网络并可以传送数据。通过分析不同角色的功能，因此在软件设计过程中，分别以两种传输方式实现数据传输。
　　①数据透明传输。该传输方式以可变的透明数据包的形式进行传输，如果数据传输的第一组不是0xFC、0xFD或0xFE，那么从端口接收的数据就自动发送给其他所有的节点，接收到的节点把数据自动发给Coordinator；如果两个设备是通过串口连接，那么可用两个ZigBee CC2530模块通信来实现透明数据传输。
　　②点对点数据传输。ZigBee网络中任意节点之间都可以通过格式：“0xFD+数据长度+目标地址+数据”传送数据长度可变的数据包。
　　7.2 本地医疗监护软件设计
　　客户端监护软件设计主要完成宿主机上Android开发环境和编译环境的搭建，实现本地医疗监护软件功能。软件设计由以下两个方面组成：
　　（1）搭建符合要求的编译环境，安装交叉编译工具，对Android源码进行编译，把Android系统移植到客户端ARM6410上，并做功能测试。
　　（2）配置Eclipse、Android SDK、JDK等开发环境，客户端医疗监护软件采用Java和C同步开发设计，底层Linux读写串口数据由C程序设计完成；高层部分的患者生理数据接收、UI界面绘制及显示、客户端和服务器端Socket通信等功能则由Java程序设计完成。
　　7.3 远端医疗监护软件设计
　　为了程序的兼容性，服务器端医疗监护软件设计主机环境配置和客户端监护软件的配置采取一致的方法。即把客户端编译过的Android操作系统直接移植到服务器端医疗监护平台上。服务器端医疗监护软件中的数据接受、程序控制、UI界面绘制及显示、客户端与服务器端的Socket通信等功能采用Java语言开发。  
　　另外，为了提高程序运行效率，客户端和服务器端监护软件设计均采用多线程编程机制。
　　8 结论（Conclusion）
　　本文从分析慢病监护系统的功能需求入手，分不同的模块设计框架来实现远程慢病网络监护系统，并从软硬件环境的需求提出符合实现系统要求的方法。通过本系统的方案设计，为以后的方案实现提供明确的研究内容。
　　参考文献（References）
　　[1] http：//.
　　[2] http：//.
　　[3] 白净，张永红.远程医疗概论[M].北京：清华大学出版社，2000.
　　作者简介：
　　李胜旭（1975-），男，硕士，高级实验师.研究领域：计算机应
　　用，图像处理.