利用BB-Black設計的遠程醫療監測智能硬件

本文以BeagleBone Black為核心，掛接ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)和GSM/GPRS模塊;建立web服務(wù)器和SQLite數據庫，接收、解析和存儲ZigBee節點(diǎn)采集的生理數據，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)生理監測功能，為人們的生活提供便利。

目前，醫療設備的主要缺陷是價(jià)格昂貴、體積龐大和非智能;隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)涌現了不少優(yōu)化的智能醫療設備，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(fǎng)問(wèn)等缺陷。

BB-Black開(kāi)發(fā)板以其價(jià)格便宜、功能強大等優(yōu)點(diǎn)廣泛應用于各種場(chǎng)景，怎樣利用BB-Black設計一個(gè)更智能、功能更齊全的實(shí)時(shí)遠程醫療監測系統，將是一個(gè)有意義、有市場(chǎng)前景的研究課題。

1. 應用系統總體結構設計描述

1.1 硬件平臺相關(guān)介紹

設計共涉及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 1GHz 的 ARM Cortex-A8 內核，并提供了豐富的外設接口和兩個(gè)擴展接口，可擴展LCD、UART、eMMC、ADC、I2C、SPI和PWM等接口。其系統框圖如圖2所示。

AM3359 是基于 ARM Cortex-A8 內核的微處理器，在圖像、圖形處理、外設和諸如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。該處理器包含了多個(gè)子系統。微處理器單元(MPU)子系統基于 ARM Cortex-A8 微處理器; POWERVR SGX 圖形加速子系統用于 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(PRUSS)使用戶(hù)可以創(chuàng )建各種超越本地外設的數字資源。此外，PRUSS 獨立于 ARM 內核，這就允許設備有獨立的操作和時(shí)鐘，從而在復雜系統解決方案中有更大的靈活性。

1.2 系統功能模塊及信息處理過(guò)程

系統的功能模塊如下圖3所示，主要由數據采集模塊、GSM模塊、遠程登錄模塊和BB-Black模塊四部分組成。其中生理數據模塊采用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)實(shí)時(shí)采集用戶(hù)生理數據;GSM模塊采用四頻 GSM/GPRS ，實(shí)現緊急報警和定位;遠程登錄模塊是指手機或其它上網(wǎng)設備，供用戶(hù)遠程訪(fǎng)問(wèn)和監控;BB-Black模塊是本系統的核心模塊，該模塊又可分為數據處理、 Boa服務(wù)器和SQLite數據庫三部分。數據處理模塊實(shí)現對數據的接收、解析、向SQLite數據庫插入數據和向GSM模塊下達緊急報警命令;SQLite數據庫主要用于存儲生理數據;Boa服務(wù)器則實(shí)現用戶(hù)的遠程訪(fǎng)問(wèn)查詢(xún)SQLite數據中存儲的生理數據。

正如上圖所示系統的信息處理過(guò)程如下：

1. 生理數據采集模塊實(shí)時(shí)采集生理數據。

用戶(hù)可根據需要隨身攜帶相應的生理數據檢測模塊(如：血壓、血糖、脈搏等檢測模塊)，在BB-black建立的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍內移動(dòng)、實(shí)時(shí)生理數據采集，按IEEE 802.15.4的通訊標準，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將生理數據包傳送出去;在BB-black開(kāi)發(fā)板上連接的ZigBee終端節點(diǎn)將數據包接收。

2. BB-black模塊接收、分析和處理生理數據。

AM335x處理器定時(shí)的讀取終端節點(diǎn)接收的數據包，通過(guò)解析得到數據包中的生理數據，并存儲到SQLite數據庫，同時(shí)根據健康指標對數據進(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. 監護人或醫生可隨時(shí)隨地訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器查看、管理被監護人近期生理數據。

用戶(hù)通過(guò)上網(wǎng)設備打開(kāi)瀏覽器登陸B(tài)oa服務(wù)器，提交查詢(xún)表單，即可訪(fǎng)問(wèn)SQLite上存儲的被監護人的生理數據，實(shí)現遠程了解被監護人近期身體狀況，實(shí)現遠程監控。

本系統應用場(chǎng)景可如圖4所示。

2. 遠程監控功能實(shí)現

系統以BB-black為平臺，提供用戶(hù)遠程登錄訪(fǎng)問(wèn)嵌入式Web 服務(wù)器Boa，查看該服務(wù)器上的被監護人近期生理數據功能;為了實(shí)現數據存放功能，作者針對嵌入式設備，采用開(kāi)銷(xiāo)小、可移植性強、便使用且高效的嵌入式 SQLite數據庫。而CGI(Common Gateway Interface)通用網(wǎng)關(guān)接口，則是Web服務(wù)器和SQLite數據庫之間的橋梁，作為客戶(hù)端與Web服務(wù)器交互的標準接口，可按照該標準編寫(xiě)應用程序實(shí)現靜態(tài)HTML網(wǎng)頁(yè)無(wú)法實(shí)現的數據庫訪(fǎng)問(wèn)和搜索功能，實(shí)現客戶(hù)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(hù)端通過(guò)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)指定的腳本程序對請求進(jìn)行解析，并執行相應的CGI應用程序。

其次，CGI應用程序根據請求信息調用相應的SQLite數據庫操作程序，并把數據庫操作程序的執行結果以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，并將最終數據內容傳送給客戶(hù)端瀏覽器。

最后，由客戶(hù)端瀏覽器對數據內容進(jìn)行解析，并以網(wǎng)頁(yè)形式顯示給客戶(hù)。

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。作者選用的是可執行文件小、運行過(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請求列表來(lái)處理多路HTTP連接請求，同時(shí)在處理請求過(guò)程只為CGI程序創(chuàng )建新進(jìn)程，在最大程度上節省了系統資源，對嵌入式系統來(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。