基于BB-Black的生理監(jiān)測(cè)智能硬件設(shè)計(jì)方案

 本文以BeagleBone Black為核心，掛接ZigBee無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)和GSM/GPRS模塊;建立web服務(wù)器和SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)，接收、解析和存儲(chǔ)ZigBee節(jié)點(diǎn)采集的生理數(shù)據(jù)，控制GSM/GPRS進(jìn)行緊急呼救和發(fā)短信;讓硬件智能化，提供自動(dòng)生理監(jiān)測(cè)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(jià)格昂貴、體積龐大和非智能;隨著技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)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(yuǎn)程訪問(wèn)等缺陷。

BB-Black開(kāi)發(fā)板以其價(jià)格便宜、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)景，怎樣利用BB-Black設(shè)計(jì)一個(gè)更智能、功能更齊全的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將是一個(gè)有意義、有市場(chǎng)前景的研究課題。

1. 應(yīng)用系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)描述

1.1 硬件平臺(tái)相關(guān)介紹

設(shè)計(jì)共涉及BB-black、ZigBee和GSM/GPRS三個(gè)硬件模塊。其中BB-black開(kāi)發(fā)板為核心模塊，是一款基于AM3359處理器的開(kāi)發(fā)套件，其實(shí)物圖如圖1所示。處理器集成了高達(dá) 1GHz 的 ARM Cortex-A8 內(nèi)核，并提供了豐富的外設(shè)接口和兩個(gè)擴(kuò)展接口，可擴(kuò)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(xiàng)方面進(jìn)行了增強(qiáng)，并支持Linux、 WinCE 和Android 等高級(jí)操作系統(tǒng)。該處理器包含了多個(gè)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(shí)時(shí)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(dú)立于 ARM 內(nèi)核，這就允許設(shè)備有獨(dú)立的操作和時(shí)鐘，從而在復(fù)雜系統(tǒng)解決方案中有更大的靈活性。

圖1 BB-black實(shí)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(guò)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(yuǎn)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(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集用戶生理數(shù)據(jù);GSM模塊采用四頻 GSM/GPRS ，實(shí)現(xiàn)緊急報(bào)警和定位;遠(yuǎn)程登錄模塊是指手機(jī)或其它上網(wǎng)設(shè)備，供用戶遠(yuǎn)程訪問(wèn)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(wù)器和SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)三部分。數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的接收、解析、向SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)插入數(shù)據(jù)和向GSM模塊下達(dá)緊急報(bào)警命令;SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于存儲(chǔ)生理數(shù)據(jù);Boa服務(wù)器則實(shí)現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程訪問(wèn)查詢SQLite數(shù)據(jù)中存儲(chǔ)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(guò)程如下：

1. 生理數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)采集生理數(shù)據(jù)。

用戶可根據(jù)需要隨身攜帶相應(yīng)的生理數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊(如：血壓、血糖、脈搏等檢測(cè)模塊)，在BB-black建立的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)移動(dòng)、實(shí)時(shí)生理數(shù)據(jù)采集，按IEEE 802.15.4的通訊標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將生理數(shù)據(jù)包傳送出去;在BB-black開(kāi)發(fā)板上連接的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)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(shí)的讀取終端節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)包，通過(guò)解析得到數(shù)據(jù)包中的生理數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)根據(jù)健康指標(biāo)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，若遇緊急情況，則向GSM/GPRS模塊發(fā)AT控制命令，進(jìn)行緊急呼救。

3. 監(jiān)護(hù)人或醫(yī)生可隨時(shí)隨地訪問(wèn)服務(wù)器查看、管理被監(jiān)護(hù)人近期生理數(shù)據(jù)。

用戶通過(guò)上網(wǎng)設(shè)備打開(kāi)瀏覽器登陸B(tài)oa服務(wù)器，提交查詢表單，即可訪問(wèn)SQLite上存儲(chǔ)的被監(jiān)護(hù)人的生理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程了解被監(jiān)護(hù)人近期身體狀況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

本系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景可如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景圖

2. 遠(yuǎn)程監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)以BB-black為平臺(tái)，提供用戶遠(yuǎn)程登錄訪問(wèn)嵌入式Web服務(wù)器Boa，查看該服務(wù)器上的被監(jiān)護(hù)人近期生理數(shù)據(jù)功能;為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存放功能，作者針對(duì)嵌入式設(shè)備，采用開(kāi)銷小、可移植性強(qiáng)、便使用且高效的嵌入式SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)。而CGI(Common Gateway Interface)通用網(wǎng)關(guān)接口，則是Web服務(wù)器和SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)之間的橋梁，作為客戶端與Web服務(wù)器交互的標(biāo)準(zhǔn)接口，可按照該標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)HTML網(wǎng)頁(yè)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)和搜索功能，實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器的交互操作。其工作原理如下圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊軟件構(gòu)成與工作原理

首先，由客戶端通過(guò)瀏覽器向服務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求，嵌入式Web服務(wù)器端收到請(qǐng)求后觸發(fā)指定的腳本程序?qū)φ?qǐng)求進(jìn)行解析，并執(zhí)行相應(yīng)的CGI應(yīng)用程序。

其次，CGI應(yīng)用程序根據(jù)請(qǐng)求信息調(diào)用相應(yīng)的SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)操作程序，并把數(shù)據(jù)庫(kù)操作程序的執(zhí)行結(jié)果以HTML文檔形式傳遞給Web服務(wù)器;嵌入式Web服務(wù)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(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行解析，并以網(wǎng)頁(yè)形式顯示給客戶。

2.1 嵌入式Web服務(wù)器Boa

2.1.1 嵌入式服務(wù)器Boa的選用

ARM Linux開(kāi)發(fā)環(huán)境下支持httpd、thttpd和Boa三種嵌入式Web服務(wù)器。作者選用的是可執(zhí)行文件小、運(yùn)行過(guò)程中需要的資源小的嵌入式Web服務(wù)器Boa。

Boa作為一種單任務(wù)的HTTP服務(wù)器，通過(guò)建立HTTP請(qǐng)求列表來(lái)處理多路HTTP連接請(qǐng)求，同時(shí)在處理請(qǐng)求過(guò)程只為CGI程序創(chuàng)建新進(jìn)程，在最大程度上節(jié)省了系統(tǒng)資源，對(duì)嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。同時(shí)它還具有自動(dòng)解壓文件、生成目錄等功能。

2.1.2 Boa功能實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)中Boa服務(wù)器需實(shí)現(xiàn)接收客戶端請(qǐng)求、分析請(qǐng)求、響應(yīng)請(qǐng)求和向客戶端返回請(qǐng)求結(jié)果等任務(wù)。其工作流程如下圖6所示。

圖6 Boa服務(wù)器工作流程

Boa服務(wù)器初始化工作代碼實(shí)現(xiàn)：

上述代碼首先創(chuàng)建一個(gè)無(wú)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(tīng)，等待Request請(qǐng)求。

當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到連接請(qǐng)求，服務(wù)器調(diào)用get_request()函數(shù)獲取請(qǐng)求信息，利用accept()函數(shù)建立連接，接收請(qǐng)求、分析信息，進(jìn)行HTTP認(rèn)證確認(rèn)，處理請(qǐng)求信息，并將結(jié)果發(fā)送、顯示到Web瀏覽器;當(dāng)有CGI請(qǐng)求時(shí)，創(chuàng)建CGI處理進(jìn)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(duì)BB-Black和實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)Boa服務(wù)器源代碼作以下修改：(1)根據(jù)監(jiān)護(hù)人數(shù)量指定HTTP請(qǐng)求列表限制參數(shù);將服務(wù)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(guò)編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單函數(shù)，來(lái)精簡(jiǎn)Linux操作系統(tǒng)庫(kù)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(guò)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(tái)可執(zhí)行文件。

最后，通過(guò)修改Web服務(wù)器的配置文件boa.conf：監(jiān)聽(tīng)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(wù)器名字為www. RemoteMedicalMonitoringSystem.com;以及CGI路徑，訪問(wèn)日志和錯(cuò)誤日志的存放路徑等運(yùn)行參數(shù);將該配置文件和可執(zhí)行文件boa放到BB-Block平臺(tái)的/home/www目錄下;執(zhí)行g(shù)enromfs-f romfs.img-d romdisk命令生成一個(gè)含有Boa服務(wù)器的根文件系統(tǒng)，通過(guò)bootloader燒寫(xiě)到存儲(chǔ)器。完成Boa到ARM平臺(tái)的移植。

2.2 CGI與SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)移植

BB-Black開(kāi)發(fā)板在運(yùn)行CGI和SQLite程序前，需要將相應(yīng)的庫(kù)移植到開(kāi)發(fā)板。設(shè)計(jì)通過(guò)交叉編譯之后將CGI的libcgic.a和capture拷貝到BB-black開(kāi)發(fā)板的/home/www/cgi-bin目錄下，完成移植工作(可通過(guò)網(wǎng)頁(yè)訪問(wèn)該目錄，若在網(wǎng)頁(yè)上顯示cgic test的字樣，則表明cgi庫(kù)移植成功);將SQLite的sqlite3和libsqlite3.so.0.8.6分別下載到BB-black開(kāi)發(fā)板的/usr/bin和/usr/lib目錄中并通過(guò)ln –s /usr/lib/libsqlite3.so.0.8.6 /usr/lib/libsqlite3.so.0命令，建立軟連接(因?yàn)榭蓤?zhí)行程序sqlite3在運(yùn)行的時(shí)候搜尋libsqlite3.so.0動(dòng)態(tài)庫(kù))，完成移植工作。

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)

2.3.1 HTML設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控界面主要有監(jiān)護(hù)人登錄界面和被監(jiān)護(hù)人生理數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面。其中脈搏和心跳監(jiān)測(cè)HTML頁(yè)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(diǎn)擊這兩個(gè)按鈕時(shí)提交表單;其他生理數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)頁(yè)面與此相似。

2.3.2 CGI和SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)互動(dòng)設(shè)計(jì)

CGI與SQLite數(shù)據(jù)的互動(dòng)主要包括CGI程序在SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)數(shù)據(jù)表進(jìn)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(shí)現(xiàn)GET和POST兩種方式從網(wǎng)頁(yè)獲取字符串函數(shù);若為””“GET”方式，則通過(guò)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(zhǎng)度，再利用(char)fgetc(stdin)函數(shù)依次獲取單個(gè)字符。

通過(guò)getcgidata()函數(shù)從網(wǎng)頁(yè)獲取的字符串中各數(shù)據(jù)項(xiàng)由‘&’符號(hào)隔開(kāi)，getstringdata()函數(shù)則是去掉‘&’符號(hào)，提取有效信息，為select_pluse_spo2()函數(shù)對(duì)SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)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(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)、查詢數(shù)據(jù)、向網(wǎng)頁(yè)打印數(shù)據(jù)操作。部分功能實(shí)現(xiàn)代碼：

3 參數(shù)發(fā)送和接受功能的設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊功能實(shí)現(xiàn)

生理數(shù)據(jù)采集模塊，由數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊和無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)ZigBee組成。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，ZigBee節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收、解析和傳輸數(shù)據(jù);解析過(guò)程根據(jù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目調(diào)用相應(yīng)的子程序(如：測(cè)血氧、脈搏、體溫等);傳輸數(shù)據(jù)時(shí)終端節(jié)點(diǎn)和非終端節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)程序流程如下圖7所示。

圖7 ZigBee節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)

在ARM板上首先打開(kāi)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(kāi)始循環(huán)讀串口數(shù)據(jù)包;當(dāng)讀取到數(shù)據(jù)，就對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，獲取包中隱含的血氧飽和度和脈搏值;并進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)(按照健康生理指標(biāo)監(jiān)測(cè))，如果獲取的生理數(shù)據(jù)不正常就會(huì)向監(jiān)護(hù)人手機(jī)發(fā)送短信(包含相應(yīng)的生理數(shù)據(jù)和健康狀況說(shuō)明);最后將生理數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)化為16進(jìn)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(cè)試

測(cè)試前，需通過(guò)開(kāi)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(guò)RJ45接口將開(kāi)發(fā)板接入網(wǎng)絡(luò);同時(shí)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(huì)自動(dòng)啟動(dòng)各項(xiàng)服務(wù)完成后，進(jìn)行測(cè)試。

以脈搏和血氧濃度為例，測(cè)試的登錄界面;查詢生理數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，以及手機(jī)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(jī)接收生理監(jiān)測(cè)的生理數(shù)據(jù)短信

經(jīng)功能測(cè)試表明：

1. 在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，測(cè)試者可以攜帶監(jiān)測(cè)設(shè)備，隨意走動(dòng);系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行生理監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)。

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(cè)試者手機(jī)上，同時(shí)能夠智能緊急呼叫測(cè)試者。

3. 測(cè)試者可以使用電腦或手機(jī)等其它上網(wǎng)設(shè)備，通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)Boa服務(wù)器，查看存儲(chǔ)的生理數(shù)據(jù)信息。

通過(guò)性能測(cè)試表明：

測(cè)試者穿戴完畢上電后，設(shè)備智能工作。測(cè)試者可以實(shí)時(shí)收到生理數(shù)據(jù)短信提示，同時(shí)也可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)快速的訪問(wèn)、修改生理數(shù)據(jù)。但受傳感器信號(hào)覆蓋范圍的影響(據(jù)測(cè)試，兩個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)間可傳遞數(shù)據(jù)包的間隔距離上限為1.5米)，測(cè)試者的自有度有限。同時(shí)嵌入式設(shè)備存儲(chǔ)空間有限，存儲(chǔ)在SQLite數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)會(huì)每隔一個(gè)小時(shí)以數(shù)據(jù)包的形式通過(guò)GSM發(fā)送給測(cè)試者。

總體來(lái)說(shuō)該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備相比，具有易攜帶、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)的家庭子女遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)老人和提高人們生活質(zhì)量方面，有很大的市場(chǎng)前景。但系統(tǒng)仍存在不足，今后的工作主要是戶外無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的搭建研究，實(shí)現(xiàn)更大范圍、更實(shí)用的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控。