利用BB-Black設(shè)計的遠(yuǎn)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(wù)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(jìn)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(yuǎn)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(yīng)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(yuǎn)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(yīng)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(dá) 1GHz 的 ARM Cortex-A8 內(nèi)核，并提供了豐富的外設(shè)接口和兩個擴(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)接口選項方面進(jìn)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(fù)雜系統(tǒng)解決方案中有更大的靈活性。

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(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(yuǎn)程登錄模塊是指手機或其它上網(wǎng)設(shè)備，供用戶遠(yuǎn)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(wù)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(dá)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(wù)器則實現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程訪問查詢SQLite數(shù)據(jù)中存儲的生理數(shù)據(jù)。

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(yīng)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(luò)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(biāo)準(zhǔn)，通過無線網(wǎng)絡(luò)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(biāo)對數(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)生可隨時隨地訪問服務(wù)器查看、管理被監(jiān)護(hù)人近期生理數(shù)據(jù)。

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

本系統(tǒng)應(yīng)用場景可如圖4所示。

2. 遠(yuǎn)程監(jiān)控功能實現(xiàn)

系統(tǒng)以BB-black為平臺，提供用戶遠(yuǎn)程登錄訪問嵌入式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(wù)器和SQLite數(shù)據(jù)庫之間的橋梁，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)編寫應(yīng)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(wù)器的交互操作。其工作原理如下圖5所示。

首先，由客戶端通過瀏覽器向服務(wù)器發(fā)起請求，嵌入式Web服務(wù)器端收到請求后觸發(fā)指定的腳本程序?qū)φ埱筮M(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)請求信息調(diào)用相應(yīng)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(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，由客戶端瀏覽器對數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行解析，并以網(wǎng)頁形式顯示給客戶。

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、運行過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(jìn)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。