黎敬涛1，李航1，黄北北1，郭士江2，刘金凤2
（1.昆明理工大学，云南昆明650500；2.中国海洋大学，山东青岛266100）
摘要：为了解决农村的医疗问题，设计一种基于嵌入式技术的农村医疗系统。该系统将无线传感器网络作为采集系统，采用树莓派（Raspberry pi）作为系统控制器核心的健康查询一体机，搭载Linux操作系统，接收采集系统的数据进行分析并上传至数据处理中心。提供短信查询的功能，方便通过手机终端获取指定人员的健康信息。数据处理中心负责生命特征信息的存储、分析，医护人员可通过医疗平台查询用户的生命特征信息。测试结果表明：该系统能够完成相应的功能，满足应用需求。
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关键词 ：嵌入式技术；树莓派；农村医疗系统；无线传感器网络
中图分类号：TN702?34；TP302.1 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）18?0060?04
0 引言
随着我国社会经济的快速发展，生活方式的变化，以及子女数的减少，农村的老年家庭空巢率正不断的加大。可是我国的卫生医疗事业发展较经济发展却相对滞后，农村老年人看病难，看不起病的问题尤为突出，农村的医疗模式也主要以”治疗为主”。导致这种问题出现的主要原因有：农村医疗设施落后，无法对身体的生理数据进行及时准确的监测；外出务工子女对父母身体生理数据信息的闭塞，只有等到父母身体出现病症时才能给予其关心和治疗。
随着嵌入式技术，无线通信技术的快速发展，基于无线传感网构建的远程健康监护系统在农村，社区医疗服务中得到广泛的关注和应用[1?4]。目前国内外相关研究都主要侧重于如何构建一个可穿戴式设备的无线传感器网络，通过准确采集人体生理参数来提高其在医疗服务中的实用性[5?6]。而农村老年人需要劳作，无法使用可穿戴式设备，以及经济条件相对较差无法广泛普及。同时与子女进行健康信息的及时交互也没有得到解决。
本文从实际出发，结合已经研究相对成熟的生命特征传感器技术、无线传感器网络技术和嵌入式技术，设计了一种农村专用医疗系统。
系统中的不同生理数据采集设备被作为单独个体安置在农村人口比较密集的公共医疗房间内供集体使用，旨在有效地改善落后的农村医疗设施，降低了成本。
农村医护人员可以通过医疗平台的对居民的身体健康状况进行远程诊断，增加了农村医护人员的弹性时间。外出子女可以通过手机终端以短信的方式从医疗系统中查询家中留守老人的身体生理数据以及医护人员的参考意见。将外出子女身份由原先的被动接受转变为主动查询。
1 系统总体设计
基于嵌入式技术的农村医疗系统主要由无线传感器网络、健康查询一体机、医疗信息平台和数据中心等几部分构成。系统整体架构图如图1所示。
无线传感器网络的不同生理数据采集终端作为单独医疗设备与健康查询一体机放置在人口密集的公共医疗房间内。留守老人随时可通过不同监测设备检测个人的生理数据，并同身份信息参数，通过ZigBee协调器传递给健康查询一体机。ZigBee协调器不负责采集数据，只负责将收到的个节点采集数据通过RS 232 串口总线传送给健康查询一体机。由树莓派构成的健康查询一体机在系统中负责数据的接受处理，根据数据的相关属性进行显示，并通过Internet网络上传给远程数据中心。健康查询一体机的身份识别功能，可以帮助用户随时查询过去的监测记录以及医护人员的诊断信息。医护人员通过医疗系统平台可以远程获取数据中心存储的不同用户的生理数据信息进行诊断，如果发现异常生理数据，即可通过健康查询一体机将特定的用户信息发送至手机客户端。这种即时的反馈模式有效地避免了外出子女对留守老人健康信息的闭塞性，具有很强的实时性，尤其是对当前留守老人中高发的慢性病的检测和治疗具有很大的帮助，实现预防为主代替治疗为主。
2 硬件设计
2.1 无线传感器网络
生理数据区域的信息采集利用无线传感器网络，由多个监测设备和ZigBee协调器组成，监测设备的结构图如图2所示。
每个监测设备点包括不同生命特征传感器（温度传感器、血压传感器、脉搏传感器等）、ZigBee无线通信模块、MCU、身份识别模块、LCD显示模块、电池供电等，具有生理数据采集，计算处理，无线通信，自动组网和控制设备的能力。监测设备以MSP430F149单片机为核心，内部集成了12 位A/D 转换器，通过生命特征传感器采集模拟信号，经过A/D转化为数字信号。再由单片机对所获取的数据进行显示，封装打包通过TI公司推的Zig?Bee标准芯片CC2530发送给ZigBee协调器。
ZigBee协调器节点结构图如图3所示，ZigBee协调器节点是负责组网、监测网络和收集数据，通过RS 232串口实时将数据传送给健康查询一体机。为了提高传输距离，采用了TI 公司专门设计的扩展射频芯片CC2591将节点的传输距离扩展到1 km。
2.2 健康查询一体机
健康查询一体机终端硬件结构图如图4所示。
健康查询一体机以树莓派电脑板（博通ARM架构的700 BCM2835的CPU）为核心，外围硬件接口包括标准的RJ?45以太网接口、HDMI高清视频输出接口、3.5 mm音频输出输出口、SD卡座和USB 2.0接口并支持USB Hub扩展，另外还具有一个26 PIN的GPIO接口，该GPIO接口集合了UART，I2C，SPI接口，用于外扩硬件设备。
健康查询一体机通过GPIO口外接了GSM模块，身份识别模块等硬件设备[7]，由于树莓派上GPIO引脚不能接受3.3 V 以上的电压。因此需要对GPIO接口的外围硬件电路接口需要做保护设计[8]，GPIO保护接口的硬件电路图如图5所示。
身份识别模块选用MF RC531作为射频基站芯片，通过SPI接口与树莓派进行通信，采用TXB108 芯片可以有效地保护GPIO的接口电压。A端口连接GPIO，输入电压为3.3 V，B端口连接MF RC531芯片输入电压为5 V，这样可以保证树莓派与MF RC531 芯片都可以在限定的范围内工作和通信。GPIO接口提供了UART串口，为了安全考虑，外接设备不可以直接连接。系统中选用MAX3232 芯片可以有效地保护GPIO 接口与外接串口的连接。
3 系统软件设计
3.1 无线传感器网络的程序设计
传感器节点加入网络后，会进入休眠模式。当身份识别模块有信息传入时，传感器开启采集的工作模式，延时，等待MCU 的发送命令，根据相关命令将数据发送到ZigBee协调器，发送数据结束后，传感器节点会再次进入休眠模式。如果延时没有收到发送命令，则说明数据采集出现故障。ZigBee协调器软件负责网络的初始化，通过网络接受传感器节点的数据，通过串口与健康查询一体机进行通信，管理网络中的传感器节点。
3.2 健康查询一体机的软件设计
健康查询一体机软件除了在系统中安装Qt库和wiringPi库，关闭GPIO 中的UART串口默认的调试功能，并重新设置串口的波特率为9 600 b/s 之外。软件设计分为服务器模块、数据操作模块、串口通信模块、功能按键模块和信息显示模块；模块之间相互作用，共同完成相关功能，健康查询一体机程序流程如图6所示。
3.2.1 服务器模块
服务器模块采用Socket与医疗信息平台和数据中心进行通信。它的主要功能有：接受医疗信息平台的命令并进行解析；与数据中心进行通信，对数据中心的数据进行操作。
3.2.2 串口通信模块
程序打开串口，就监听串口设备，一旦有数据从串口发送过来，就对数据进行解析处理。串口传送的数据分为两类，即GSM 模块的数据和ZigBee 协调器的数据。对于GSM模块的数据，会对其进行解析处理，调用服务器模块从数据中心查询数据。ZigBee协调器的数据会调用数据操作模块进行分类处理，通过Socket模块上传到数据中心。
3.2.3 数据操作模块
提供接口供服务器模块，串口模块调用，对数据进行各种分析处理，并且可调用服务器模块和串口模块，分别与数据中心与GSM模块进行通信。
3.2.4 身份识别模块
程序监听SPI接口，一旦有数据从SPI接口发送过来，就对数据进行解析处理。调用服务器通信模块从数据中心读取相应身份信息的用户生理数据，然后调用显示模块在显示屏上通过UI界面进行数据的直观显示。
3.3 医疗信息平台软件设计
运行在个人电脑医疗信息平台程序由2 个基本功能模块组成：人机接口和服务器通信程序。人机接口不仅提供操作界面供医护人员进行网络诊断，还可以组织节点初始化，配置健康查询一体机等参数。医疗信息平台同时还提供曲线形式的数据可视化[9?10]。服务器通信程序负责医疗信息平台与数据中心和健康查询一体机的通信。
系统在研制成功后，进行了一系列的试验，从表1中可以看出针对不同实验人员的身体特征数据通过系统与人工的测量比对，虽然存在一定的误差，但是系统能够满足当前农村医疗的所需。
4 结语
本文提出了一个基于嵌入式技术的农村医疗系统，分别从健康查询一体机，无线传感器网络采集和医疗信息平台方面介绍了系统设计的思路。有效地解决我国农村当前存在医疗问题，具有一定的推广应用价值。下一步将在手机终端提供3G无线网络访问的功能，便于农村人员去城市医馆就医时，及时准确的向医护人员告知个人身体症状，以及过去身体生理特征数据的检测记录。
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作者简介：黎敬涛（1968—），男，云南人，副教授。主要研究方向为嵌入式技术、高密度数据计算。
李航（1990—），男，山东人，硕士。主要研究方向为嵌入式技术。
黄北北（1988—），男，河南人，硕士。主要研究方向为无线传感器网络。