基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要： 介紹了一個(gè)由ARM 處理器S3C44B0X 與M590E GPRS 模塊構(gòu)成的家庭遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。筆者介紹了S3C44B0X 以及M590 的性能特點(diǎn)，主要外圍接口電路的設(shè)計(jì)，以及軟件設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)看護(hù)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(yùn)送病人的時(shí)間和成本，并能及時(shí)的看護(hù)老年人的健康狀況，對(duì)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(jī)接口，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)院對(duì)家庭病人的實(shí)時(shí)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(yuǎn)程計(jì)算機(jī)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。

傳感器進(jìn)行對(duì)人體健康參數(shù)的采集，當(dāng)傳感器采集的信號(hào)是數(shù)字量，則信號(hào)直接傳送給MPU.當(dāng)傳感器采集的信號(hào)是模擬量則需要通過傳感器組適配板進(jìn)行信號(hào)放大濾波處理，再傳送給MPU.通過MPU 處理的信號(hào)在LCD 上顯示和存儲(chǔ)，MPU 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心。該中心對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理存儲(chǔ)，以達(dá)到監(jiān)測病人的目的。

1.1 GPRS 模塊

出于對(duì)性價(jià)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(jìn)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(jìn)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(dá)到系統(tǒng)功能的要求。

進(jìn)行通信時(shí)，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(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，并且系統(tǒng)負(fù)荷較大；雖然UDP 協(xié)議的可靠性較低，但是對(duì)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷較小。比較適合數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。本系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)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(shí)際的應(yīng)用中效果良好。本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測控， 所以要為GPRS 模塊的PC 機(jī)編寫一個(gè)通信軟件。主要用于接收發(fā)送UDP 協(xié)議的IP包和一個(gè)類似嵌入式系統(tǒng)的LCD 菜單人機(jī)對(duì)話框。

1.2 遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)測中心的軟件實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)測中心實(shí)際上就是一個(gè)管理數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)。遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫語言，SQL 對(duì)數(shù)據(jù)庫的隨即查詢以及管理數(shù)據(jù)庫和設(shè)計(jì)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(jìn)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(qiáng)大，不僅有查詢，添加，刪除以及編輯的基本功能，還能報(bào)警，結(jié)果導(dǎo)出，打印，查詢以及繪圖等實(shí)用功能。

2 系統(tǒng)的軟件和硬件的實(shí)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(gè)DMA 通道，定時(shí)器，外部存儲(chǔ)控制器，通用I/O 口，2 個(gè)通道UART 以及外部中斷源等。S3C44B0X 還有8 路模擬信號(hào)輸入的10 位逐次逼近型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)將模擬信號(hào)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。

氣體濃度通過氣體傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。因?yàn)闅怏w濃度的變化比較緩慢， 傳感器的電壓信號(hào)變化量比較小。

所以要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。本系統(tǒng)的信號(hào)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(jí)的同相輸入電路，輸入電阻高，并且因?yàn)殡娐方Y(jié)構(gòu)對(duì)稱，可較好地抑制零點(diǎn)漂移；第2 級(jí)是差分放大電路，能較好地對(duì)擾動(dòng)的竄入進(jìn)行抑制。小電容的一端接地另一端與測量放大器輸出信號(hào)相連，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。

2.1.2 S3C44B0X 與GPRS 模塊的連接

S3C44B0X 本身帶有兩個(gè)串口控制寄存器， 該串口通過電平轉(zhuǎn)換器MAX232 進(jìn)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(duì)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(duì)應(yīng)腳相連，從而就實(shí)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(jìn)行連接，通過置位來控制GPRS 開關(guān)。

2.2 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

搭建完硬件平臺(tái)以后，考慮操作系統(tǒng)的選擇，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)的選用是實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)功能的關(guān)鍵。該系統(tǒng)采用了免費(fèi)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(dòng)程序， 比如串口驅(qū)動(dòng)，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(dòng)，可采用文件系統(tǒng)方便地加入內(nèi)核中。驅(qū)動(dòng)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(duì)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(jìn)制文件燒載進(jìn)FLASH 中，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)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。

本系統(tǒng)的主程序的主要功能是對(duì)傳感器模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、顯示以及發(fā)送。該系統(tǒng)將接收的模擬信號(hào)通過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后在LCD 上顯示，經(jīng)操作人員得到確認(rèn)后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到系統(tǒng)的FLASH 中， 對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定的處理以便達(dá)到GPRS 傳輸?shù)男枰?，通過對(duì)上位機(jī)發(fā)出發(fā)送信號(hào)的請求，并且該系統(tǒng)接收到上位機(jī)的回應(yīng)便可以進(jìn)行發(fā)送。

該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集程序中運(yùn)用了一個(gè)帶數(shù)字濾波的AD轉(zhuǎn)換方法即中位值濾波， 該方法是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)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(jìn)行了試運(yùn)行，取得了比較滿意的效果。使用該系統(tǒng)時(shí)，用戶可根據(jù)自身的實(shí)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(jī)接口可以直觀地觀察到自身的健康信息；用戶也可以隨時(shí)將健康信息發(fā)送到醫(yī)療監(jiān)測中心， 該系統(tǒng)不受時(shí)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(duì)我國全民健康水平的提高具有重要的作用。