ARM與GPRS網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成家庭醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng) - 全文

　　摘要： 介紹了一個由ARM 處理器S3C44B0X 與M590E GPRS 模塊構(gòu)成的家庭遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)。筆者介紹了S3C44B0X 以及M590 的性能特點，主要外圍接口電路的設(shè)計，以及軟件設(shè)計架構(gòu)和系統(tǒng)的組成原理，并給出了GPRS模塊的軟件配置方法。經(jīng)過實驗測試，本系統(tǒng)在應(yīng)用中取得了比較好的效果。

　　近年來，在家庭修養(yǎng)的病人由于不能得到及時看護和搶救，死亡的人數(shù)大量提高。而隨著老年化的加劇，老年人在家中的健康狀況也得到了更高的重視。本文研究的醫(yī)療服務(wù)系統(tǒng)可以極大的降低運送病人的時間和成本，并能及時的看護老年人的健康狀況，對提高我國全民的健康水平有著重要作用。本論文提出了一種基于GPRS 網(wǎng)絡(luò)的家庭醫(yī)療服務(wù)系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用了最新的GPRS 傳輸技術(shù)和比較人性化的菜單式人機接口，實現(xiàn)了醫(yī)院對家庭病人的實時監(jiān)測。

　　1 系統(tǒng)工作原理

　　該系統(tǒng)由人體健康參數(shù)檢測模塊，GPRS 網(wǎng)絡(luò)和遠程計算機監(jiān)控中心組成。人體健康參數(shù)檢測模塊由人體生命參數(shù)采集傳感器， 傳感器組是適配板，GPRS 網(wǎng)絡(luò)，MPU 及輔助電路構(gòu)成，如圖1 所示。

　　圖1 結(jié)構(gòu)框圖

　　傳感器進行對人體健康參數(shù)的采集，當(dāng)傳感器采集的信號是數(shù)字量，則信號直接傳送給MPU.當(dāng)傳感器采集的信號是模擬量則需要通過傳感器組適配板進行信號放大濾波處理，再傳送給MPU.通過MPU 處理的信號在LCD 上顯示和存儲，MPU 對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的協(xié)議封裝然后傳送給GPRS 無線通訊模塊， 該模塊將數(shù)據(jù)傳送上GPRS 公眾網(wǎng)， 通過Internet 傳輸方式將數(shù)據(jù)傳送到遠程計算機監(jiān)控中心。該中心對接收到的數(shù)據(jù)進行整理存儲，以達到監(jiān)測病人的目的。

　　1.1 GPRS 模塊

　　出于對性價比和系統(tǒng)要求的考慮， 本系統(tǒng)采用了Wavecom 公司的M590E GPRS 模塊。本模塊具有語音，簡訊服務(wù)， 數(shù)據(jù)傳輸以及FAX 功能并集成了Base band，RF 以及快速閃存并支持RS232 等。

　　GPRS 模塊和MPU 之間可通過RS232 串口進行通信。

　　該模塊是基于IP 協(xié)議的，GPRS 網(wǎng)要經(jīng)過發(fā)送符合IP 協(xié)議的數(shù)據(jù)包才能與S3C44B0X 進行通信。而且在uClinux 操作系統(tǒng)具有完備的TCP/IP 協(xié)議棧， 完全能達到系統(tǒng)功能的要求。

　　進行通信時，第一步要通過AT 命令建立GPRS 信道，第二步設(shè)置波特率并指定上層協(xié)議開通GPRS 鏈路， 最后采用PPP協(xié)議來進行數(shù)據(jù)鏈路層的連接和傳輸。

　　底層鏈路成功建立以后， 就要進行上層的socket 通信。

　　鏈路層的上邊就是IP 層， 該層之上可以選擇的協(xié)議有面向連接的TCP 和面向非連接的UDP 協(xié)議。如果數(shù)據(jù)可靠性要求較高，應(yīng)當(dāng)選擇TCP 協(xié)議，可是其實現(xiàn)比較復(fù)雜，并且系統(tǒng)負荷較大；雖然UDP 協(xié)議的可靠性較低，但是對網(wǎng)絡(luò)的負荷較小。比較適合數(shù)據(jù)的實時傳輸。本系統(tǒng)對實時性要求比較高，應(yīng)選用UDP 協(xié)議，本協(xié)議不但簡單，而且在實際的應(yīng)用中效果良好。本系統(tǒng)要實現(xiàn)遠程測控， 所以要為GPRS 模塊的PC 機編寫一個通信軟件。主要用于接收發(fā)送UDP 協(xié)議的IP包和一個類似嵌入式系統(tǒng)的LCD 菜單人機對話框。

　　1.2 遠程計算機監(jiān)測中心的軟件實現(xiàn)

　　遠程計算機監(jiān)測中心實際上就是一個管理數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)。遠端數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 作為軟件。SQL 是一種結(jié)構(gòu)化查詢語言并是一種標準數(shù)據(jù)庫語言，SQL 對數(shù)據(jù)庫的隨即查詢以及管理數(shù)據(jù)庫和設(shè)計程序功能十分豐富。本系統(tǒng)的用戶界面采用C++ Builder 作為開發(fā)語言， 本軟件可以提供豐富的可視和不可視控件，可以創(chuàng)建良好的用戶界面，能進行高效能的數(shù)據(jù)庫管理和訪問，并能快速執(zhí)行和網(wǎng)絡(luò)編程。該數(shù)據(jù)庫功能強大，不僅有查詢，添加，刪除以及編輯的基本功能，還能報警，結(jié)果導(dǎo)出，打印，查詢以及繪圖等實用功能。

　　2 系統(tǒng)的軟件和硬件的實現(xiàn)

　　2.1 硬件電路

　　該系統(tǒng)的嵌入式微處理器采用Samsung 公司的S3C44B0X，S3C44B0X 是基于ARM7TDMI 核的32 位高速處理器［4］。此MPU 具有LCD 控制器，4 個DMA 通道，定時器，外部存儲控制器，通用I/O 口，2 個通道UART 以及外部中斷源等。S3C44B0X 還有8 路模擬信號輸入的10 位逐次逼近型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可實現(xiàn)將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的功能。本系統(tǒng)的具體硬件電路如圖2 所示。

　　圖2 硬件電路框圖

　　2.1.1 信號放大濾波電路

　　氣體濃度通過氣體傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。因為氣體濃度的變化比較緩慢， 傳感器的電壓信號變化量比較小。

　　所以要對信號進行放大。本系統(tǒng)的信號放大濾波模塊由測量放大器原理電路，如下圖3 所示。該電路有第1 級的同相輸入電路，輸入電阻高，并且因為電路結(jié)構(gòu)對稱，可較好地抑制零點漂移；第2 級是差分放大電路，能較好地對擾動的竄入進行抑制。小電容的一端接地另一端與測量放大器輸出信號相連，可以對信號進行濾波。

　　圖3 信號放大濾波電路圖。

　　2.1.2 S3C44B0X 與GPRS 模塊的連接

　　S3C44B0X 本身帶有兩個串口控制寄存器， 該串口通過電平轉(zhuǎn)換器MAX232 進行電平轉(zhuǎn)換， 轉(zhuǎn)換以后的接收端口RXD 和發(fā)送端口TXD 與GPRS 模塊的對應(yīng)腳相連， 再將MPU 上的清除發(fā)送端口CTS 和請求發(fā)送端口RTS 與GPRS模塊對應(yīng)腳相連，從而就實現(xiàn)了MPU 與GPRS 模塊之間的通信［6］.MPU 的I/O 口與GPRS 模塊開關(guān)進行連接，通過置位來控制GPRS 開關(guān)。

　　2.2 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

　　搭建完硬件平臺以后，考慮操作系統(tǒng)的選擇，因為操作系統(tǒng)的選用是實現(xiàn)各系統(tǒng)功能的關(guān)鍵。該系統(tǒng)采用了免費的uClinux 操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)沒有MMU 即內(nèi)存管理單元，比較適合ARM 式微處理器。該系統(tǒng)采用uClinux-20040408 版。該版本的操作系統(tǒng)帶有很多硬件的驅(qū)動程序， 比如串口驅(qū)動，LCD 顯示等，另外還具有完整的嵌入式TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

　　如果需要加上自己的驅(qū)動，可采用文件系統(tǒng)方便地加入內(nèi)核中。驅(qū)動程序編輯好以后，就可以為上層的應(yīng)用程序的編寫提供接口函數(shù)， 也就可以開始編寫針對設(shè)備的應(yīng)用程序，最后就可以重新編譯內(nèi)核。把該操作系統(tǒng)的二進制文件燒載進FLASH 中，就能實現(xiàn)對外部設(shè)備的使用了。

　　該系統(tǒng)的軟件功能模塊由初始化模塊， 顯示器模塊，鍵盤功能模塊，操作系統(tǒng)模塊以及數(shù)據(jù)解算模塊組成。主程序流程圖如圖4 所示。

　　圖4 主程序流程圖

　　本系統(tǒng)的主程序的主要功能是對傳感器模擬信號的轉(zhuǎn)換、存儲、顯示以及發(fā)送。該系統(tǒng)將接收的模擬信號通過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后在LCD 上顯示，經(jīng)操作人員得到確認后將數(shù)據(jù)存儲到系統(tǒng)的FLASH 中， 對信號進行一定的處理以便達到GPRS 傳輸?shù)男枰?，通過對上位機發(fā)出發(fā)送信號的請求，并且該系統(tǒng)接收到上位機的回應(yīng)便可以進行發(fā)送。

　　該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集程序中運用了一個帶數(shù)字濾波的AD轉(zhuǎn)換方法即中位值濾波， 該方法是對數(shù)據(jù)進行4 次采樣，除去其中的最大值和最小值，再取平均值，得到系統(tǒng)可用的數(shù)據(jù)，該方法對去除尖峰干擾有較好的效果。

　　3 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)在哈爾濱市某小區(qū)進行了試運行，取得了比較滿意的效果。使用該系統(tǒng)時，用戶可根據(jù)自身的實際情況靈活的選擇人體檢測傳感器，通過比較人性化的菜單式人機接口可以直觀地觀察到自身的健康信息；用戶也可以隨時將健康信息發(fā)送到醫(yī)療監(jiān)測中心， 該系統(tǒng)不受時間和地域的限制。該系統(tǒng)成本較低， 使用方便將具有廣闊的應(yīng)用場景和市場，對我國全民健康水平的提高具有重要的作用。