利用BB-Black設(shè)計的遠程醫(yī)療監(jiān)測智能硬件

本文以BeagleBone Black為核心，掛接ZigBee無線傳感節(jié)點和GSM/GPRS模塊;建立web服務器和SQLite數(shù)據(jù)庫，接收、解析和存儲ZigBee節(jié)點采集的生理數(shù)據(jù)，控制GSM/GPRS進行緊急呼救和發(fā)短信;讓硬件智能化，提供自動生理監(jiān)測功能，為人們的生活提供便利。

目前，醫(yī)療設(shè)備的主要缺陷是價格昂貴、體積龐大和非智能;隨著技術(shù)的發(fā)展，近年來涌現(xiàn)了不少優(yōu)化的智能醫(yī)療設(shè)備，給人們的生活帶了極大便利。但仍存在功能單一，不可遠程訪問等缺陷。

BB-Black開發(fā)板以其價格便宜、功能強大等優(yōu)點廣泛應用于各種場景，怎樣利用BB-Black設(shè)計一個更智能、功能更齊全的實時遠程醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)，將是一個有意義、有市場前景的研究課題。

1. 應用系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計描述

1.1 硬件平臺相關(guān)介紹

設(shè)計共涉及BB-black、ZigBee和GSM/GPRS三個硬件模塊。其中BB-black開發(fā)板為核心模塊，是一款基于AM3359處理器的開發(fā)套件，其實物圖如圖1所示。處理器集成了高達 1GHz 的 ARM Cortex-A8 內(nèi)核，并提供了豐富的外設(shè)接口和兩個擴展接口，可擴展LCD、UART、eMMC、ADC、I2C、SPI和PWM等接口。其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

AM3359 是基于 ARM Cortex-A8 內(nèi)核的微處理器，在圖像、圖形處理、外設(shè)和諸如etherCAT 和 PROFIBUS 的工業(yè)接口選項方面進行了增強，并支持Linux、 WinCE 和Android 等高級操作系統(tǒng)。該處理器包含了多個子系統(tǒng)。微處理器單元(MPU)子系統(tǒng)基于 ARM Cortex-A8 微處理器; POWERVR SGX 圖形加速子系統(tǒng)用于 3D 圖形加速以支持顯示和游戲效果;可編程實時單元子系統(tǒng)(PRUSS)使用戶可以創(chuàng)建各種超越本地外設(shè)的數(shù)字資源。此外，PRUSS 獨立于 ARM 內(nèi)核，這就允許設(shè)備有獨立的操作和時鐘，從而在復雜系統(tǒng)解決方案中有更大的靈活性。

圖1 BB-black實物圖背面(左)，正面(右)

圖2 BB-Black系統(tǒng)框圖

1.2 系統(tǒng)功能模塊及信息處理過程

系統(tǒng)的功能模塊如下圖3所示，主要由數(shù)據(jù)采集模塊、GSM模塊、遠程登錄模塊和BB-Black模塊四部分組成。其中生理數(shù)據(jù)模塊采用ZigBee無線傳感節(jié)點實時采集用戶生理數(shù)據(jù);GSM模塊采用四頻 GSM/GPRS ，實現(xiàn)緊急報警和定位;遠程登錄模塊是指手機或其它上網(wǎng)設(shè)備，供用戶遠程訪問和監(jiān)控;BB-Black模塊是本系統(tǒng)的核心模塊，該模塊又可分為數(shù)據(jù)處理、 Boa服務器和SQLite數(shù)據(jù)庫三部分。數(shù)據(jù)處理模塊實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的接收、解析、向SQLite數(shù)據(jù)庫插入數(shù)據(jù)和向GSM模塊下達緊急報警命令;SQLite數(shù)據(jù)庫主要用于存儲生理數(shù)據(jù);Boa服務器則實現(xiàn)用戶的遠程訪問查詢SQLite數(shù)據(jù)中存儲的生理數(shù)據(jù)。

圖3 系統(tǒng)功能模塊框圖

正如上圖所示系統(tǒng)的信息處理過程如下：

1. 生理數(shù)據(jù)采集模塊實時采集生理數(shù)據(jù)。

用戶可根據(jù)需要隨身攜帶相應的生理數(shù)據(jù)檢測模塊(如：血壓、血糖、脈搏等檢測模塊)，在BB-black建立的無線傳感網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)移動、實時生理數(shù)據(jù)采集，按IEEE 802.15.4的通訊標準，通過無線網(wǎng)絡將生理數(shù)據(jù)包傳送出去;在BB-black開發(fā)板上連接的ZigBee終端節(jié)點將數(shù)據(jù)包接收。

2. BB-black模塊接收、分析和處理生理數(shù)據(jù)。

AM335x處理器定時的讀取終端節(jié)點接收的數(shù)據(jù)包，通過解析得到數(shù)據(jù)包中的生理數(shù)據(jù)，并存儲到SQLite數(shù)據(jù)庫，同時根據(jù)健康指標對數(shù)據(jù)進行分析，若遇緊急情況，則向GSM/GPRS模塊發(fā)AT控制命令，進行緊急呼救。

3. 監(jiān)護人或醫(yī)生可隨時隨地訪問服務器查看、管理被監(jiān)護人近期生理數(shù)據(jù)。

用戶通過上網(wǎng)設(shè)備打開瀏覽器登陸B(tài)oa服務器，提交查詢表單，即可訪問SQLite上存儲的被監(jiān)護人的生理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程了解被監(jiān)護人近期身體狀況，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

本系統(tǒng)應用場景可如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)應用場景圖

2. 遠程監(jiān)控功能實現(xiàn)

系統(tǒng)以BB-black為平臺，提供用戶遠程登錄訪問嵌入式Web服務器Boa，查看該服務器上的被監(jiān)護人近期生理數(shù)據(jù)功能;為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)存放功能，作者針對嵌入式設(shè)備，采用開銷小、可移植性強、便使用且高效的嵌入式SQLite數(shù)據(jù)庫。而CGI(Common Gateway Interface)通用網(wǎng)關(guān)接口，則是Web服務器和SQLite數(shù)據(jù)庫之間的橋梁，作為客戶端與Web服務器交互的標準接口，可按照該標準編寫應用程序?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)HTML網(wǎng)頁無法實現(xiàn)的數(shù)據(jù)庫訪問和搜索功能，實現(xiàn)客戶端與服務器的交互操作。其工作原理如下圖5所示。

圖5 遠程監(jiān)控模塊軟件構(gòu)成與工作原理

首先，由客戶端通過瀏覽器向服務器發(fā)起請求，嵌入式Web服務器端收到請求后觸發(fā)指定的腳本程序?qū)φ埱筮M行解析，并執(zhí)行相應的CGI應用程序。

其次，CGI應用程序根據(jù)請求信息調(diào)用相應的SQLite數(shù)據(jù)庫操作程序，并把數(shù)據(jù)庫操作程序的執(zhí)行結(jié)果以HTML文檔形式傳遞給Web服務器;嵌入式Web服務器分析、處理HTML文檔信息，并將最終數(shù)據(jù)內(nèi)容傳送給客戶端瀏覽器。

最后，由客戶端瀏覽器對數(shù)據(jù)內(nèi)容進行解析，并以網(wǎng)頁形式顯示給客戶。

2.1 嵌入式Web服務器Boa

2.1.1 嵌入式服務器Boa的選用

ARM Linux開發(fā)環(huán)境下支持httpd、thttpd和Boa三種嵌入式Web服務器。作者選用的是可執(zhí)行文件小、運行過程中需要的資源小的嵌入式Web服務器Boa。

Boa作為一種單任務的HTTP服務器，通過建立HTTP請求列表來處理多路HTTP連接請求，同時在處理請求過程只為CGI程序創(chuàng)建新進程，在最大程度上節(jié)省了系統(tǒng)資源，對嵌入式系統(tǒng)來說至關(guān)重要。同時它還具有自動解壓文件、生成目錄等功能。

2.1.2 Boa功能實現(xiàn)

設(shè)計中Boa服務器需實現(xiàn)接收客戶端請求、分析請求、響應請求和向客戶端返回請求結(jié)果等任務。其工作流程如下圖6所示。

圖6 Boa服務器工作流程

Boa服務器初始化工作代碼實現(xiàn)：

上述代碼首先創(chuàng)建一個無阻塞的流式套接字描述符socktfd，提供面向連接的可靠傳輸。然后利用bind()函數(shù)將指定端口與套接字描述符關(guān)聯(lián)，最后利用listen()函數(shù)在指定端口監(jiān)聽，等待Request請求。

當監(jiān)聽到連接請求，服務器調(diào)用get_request()函數(shù)獲取請求信息，利用accept()函數(shù)建立連接，接收請求、分析信息，進行HTTP認證確認，處理請求信息，并將結(jié)果發(fā)送、顯示到Web瀏覽器;當有CGI請求時，創(chuàng)建CGI處理進程，并將處理結(jié)果發(fā)送、顯示到Web瀏覽器。

2.1.3 Boa在ARM上的移植

首先，針對BB-Black和實際應用場景對Boa服務器源代碼作以下修改：(1)根據(jù)監(jiān)護人數(shù)量指定HTTP請求列表限制參數(shù);將服務器的輸入輸出緩存空間設(shè)為最大值，以加快生理數(shù)據(jù)傳輸速度;(2)通過編寫實現(xiàn)一些簡單函數(shù)，來精簡Linux操作系統(tǒng)庫函數(shù)，節(jié)約資源。

其次，利用arm-linux-gcc交叉編譯環(huán)境，配置生成大小為175.8KB的boa可執(zhí)行程序。通過bin.arm-linux-strip boa指令剝?nèi)ジ綆У木幾g信息，得到僅59.4KB的ARM平臺可執(zhí)行文件。

最后，通過修改Web服務器的配置文件boa.conf：監(jiān)聽端口為80，注釋掉綁定IP地址設(shè)置欄，KeepAliveMax值為 50，KeepAliveTimeout值為10，服務器名字為www. RemoteMedicalMonitoringSystem.com;以及CGI路徑，訪問日志和錯誤日志的存放路徑等運行參數(shù);將該配置文件和可執(zhí)行文件boa放到BB-Block平臺的/home/www目錄下;執(zhí)行g(shù)enromfs-f romfs.img-d romdisk命令生成一個含有Boa服務器的根文件系統(tǒng)，通過bootloader燒寫到存儲器。完成Boa到ARM平臺的移植。

2.2 CGI與SQLite數(shù)據(jù)庫移植

BB-Black開發(fā)板在運行CGI和SQLite程序前，需要將相應的庫移植到開發(fā)板。設(shè)計通過交叉編譯之后將CGI的libcgic.a和 capture拷貝到BB-black開發(fā)板的/home/www/cgi-bin目錄下，完成移植工作(可通過網(wǎng)頁訪問該目錄，若在網(wǎng)頁上顯示cgic test的字樣，則表明cgi庫移植成功);將SQLite的sqlite3和libsqlite3.so.0.8.6分別下載到BB-black開發(fā)板的/usr/bin和/usr/lib目錄中并通過ln –s /usr/lib/libsqlite3.so.0.8.6 /usr/lib/libsqlite3.so.0命令，建立軟連接(因為可執(zhí)行程序sqlite3在運行的時候搜尋libsqlite3.so.0動態(tài)庫)，完成移植工作。

2.3 遠程監(jiān)控功能實現(xiàn)

2.3.1 HTML設(shè)計

遠程醫(yī)療監(jiān)控界面主要有監(jiān)護人登錄界面和被監(jiān)護人生理數(shù)據(jù)監(jiān)測界面。其中脈搏和心跳監(jiān)測HTML頁面首行代碼

用action=“pluse_heart_monitor.cgi”將表單指向pluse_heart_monitor.cgi處理程序，method=“get”指定獲取環(huán)境變量的方式為get;程序的最后幾行用type=“submit”或type=“reset”指定點擊這兩個按鈕時提交表單;其他生理數(shù)據(jù)監(jiān)測頁面與此相似。

2.3.2 CGI和SQLite數(shù)據(jù)庫互動設(shè)計

CGI與SQLite數(shù)據(jù)的互動主要包括CGI程序在SQLite數(shù)據(jù)庫上建立生理數(shù)據(jù)表，插入生理數(shù)據(jù);CGI按照表單提交內(nèi)容對數(shù)據(jù)表進行增刪改查詢操作;其主要的控制函數(shù)代碼如下：

其中g(shù)etcgidata()實現(xiàn)GET和POST兩種方式從網(wǎng)頁獲取字符串函數(shù);若為””“GET”方式，則通過 getenv(“QUERY_STRING”)函數(shù)獲取字符串函數(shù);若為“POST”方式，首先用 atoi(getenv(“CONTENT_LENGTH”))函數(shù)獲取字符串長度，再利用(char)fgetc(stdin)函數(shù)依次獲取單個字符。

通過getcgidata()函數(shù)從網(wǎng)頁獲取的字符串中各數(shù)據(jù)項由‘&’符號隔開，getstringdata()函數(shù)則是去掉‘&’符號，提取有效信息，為select_pluse_spo2()函數(shù)對SQLite數(shù)據(jù)庫執(zhí)行查詢操作提供參數(shù)。

select_pluse_spo2()函數(shù)以getstringdata()函數(shù)得到的有效信息為參數(shù)，執(zhí)行打開數(shù)據(jù)庫、查詢數(shù)據(jù)、向網(wǎng)頁打印數(shù)據(jù)操作。部分功能實現(xiàn)代碼：

3 參數(shù)發(fā)送和接受功能的設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊功能實現(xiàn)

生理數(shù)據(jù)采集模塊，由數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊和無線傳感節(jié)點ZigBee組成。數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊負責采集數(shù)據(jù)，ZigBee節(jié)點負責接收、解析和傳輸數(shù)據(jù);解析過程根據(jù)監(jiān)測項目調(diào)用相應的子程序(如：測血氧、脈搏、體溫等);傳輸數(shù)據(jù)時終端節(jié)點和非終端節(jié)點分別調(diào)用向串口發(fā)送子程序和發(fā)射子程序。具體的實現(xiàn)程序流程如下圖7所示。

圖7 ZigBee節(jié)點參數(shù)接收和發(fā)送流程圖

3.2 ARM板上生理數(shù)據(jù)接收功能實現(xiàn)

在ARM板上首先打開串口，然后配置發(fā)短信所需的串口參數(shù)，并初始化接收緩沖區(qū)，開始循環(huán)讀串口數(shù)據(jù)包;當讀取到數(shù)據(jù)，就對數(shù)據(jù)包進行分析，獲取包中隱含的血氧飽和度和脈搏值;并進行健康監(jiān)測(按照健康生理指標監(jiān)測)，如果獲取的生理數(shù)據(jù)不正常就會向監(jiān)護人手機發(fā)送短信(包含相應的生理數(shù)據(jù)和健康狀況說明);最后將生理數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)化為16進制數(shù)存入文檔。具體的處理流程如下圖8所示。

圖8 ARM板接收和處理生理數(shù)據(jù)的流程圖

4. 系統(tǒng)功能測試

測試前，需通過開發(fā)板上的USB和UART接口，將生理數(shù)據(jù)接收模塊和GSM/GPRS模塊連接;通過RJ45接口將開發(fā)板接入網(wǎng)絡;同時用戶根據(jù)需要佩戴數(shù)據(jù)采集模塊。完成硬件連接后各模塊上電，待系統(tǒng)會自動啟動各項服務完成后，進行測試。

以脈搏和血氧濃度為例，測試的登錄界面;查詢生理數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，以及手機接收短信如下圖所示。

圖9 用戶登錄界面

圖10 用戶查詢生理數(shù)據(jù)結(jié)果顯示

圖11 手機接收生理監(jiān)測的生理數(shù)據(jù)短信

經(jīng)功能測試表明：

1. 在無線傳感網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)，測試者可以攜帶監(jiān)測設(shè)備，隨意走動;系統(tǒng)自動進行生理監(jiān)測，數(shù)據(jù)傳輸和存儲。

2. 系統(tǒng)能夠智能的分析生理數(shù)據(jù)并將結(jié)果以短信形式發(fā)送到測試者手機上，同時能夠智能緊急呼叫測試者。

3. 測試者可以使用電腦或手機等其它上網(wǎng)設(shè)備，通過瀏覽器訪問Boa服務器，查看存儲的生理數(shù)據(jù)信息。

通過性能測試表明：

測試者穿戴完畢上電后，設(shè)備智能工作。測試者可以實時收到生理數(shù)據(jù)短信提示，同時也可以通過網(wǎng)頁快速的訪問、修改生理數(shù)據(jù)。但受傳感器信號覆蓋范圍的影響(據(jù)測試，兩個傳感節(jié)點間可傳遞數(shù)據(jù)包的間隔距離上限為1.5米)，測試者的自有度有限。同時嵌入式設(shè)備存儲空間有限，存儲在SQLite數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)會每隔一個小時以數(shù)據(jù)包的形式通過GSM發(fā)送給測試者。

總體來說該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備相比，具有易攜帶、低功耗、低成本等優(yōu)點，在未來的家庭子女遠程監(jiān)護老人和提高人們生活質(zhì)量方面，有很大的市場前景。但系統(tǒng)仍存在不足，今后的工作主要是戶外無線傳感網(wǎng)絡環(huán)境的搭建研究，實現(xiàn)更大范圍、更實用的遠程醫(yī)療監(jiān)控。