基于Linux系統的5G通信技術(shù)在醫療服務(wù)的應用設計

摘要：本文從智慧醫療服務(wù)談起，將5G技術(shù)應用于相應的科室，例如：麻醉科、婦產(chǎn)科、兒科等需要輸液的科室，致力于幫助緩解護士壓力，提高醫院治療效率；或將5G通信技術(shù)應用于遠程醫療中。介紹如何將5G通信技術(shù)應用到設計中，從而提升醫生診斷效率、改善患者就醫體驗、實(shí)現優(yōu)質(zhì)醫療資源遠程共享和實(shí)時(shí)信息交互， 有效緩解醫療資源匱乏、醫護人員短缺、醫療水平分布不均等問(wèn)題^[1]。

關(guān)鍵詞：5G通信技術(shù)應用；智慧醫療；Linux

0 引言

目前全國已有超過(guò) 600 家醫院部署了 5G 室內數字化網(wǎng)絡(luò ) ^[2]。由此可以看出，5G 醫療在提升診療效率、提升醫療服務(wù)水平的同時(shí)也給醫院管理層帶來(lái)啟示，對于智慧醫療系統、智慧管理系統和智慧服務(wù)系統的建設起到了積極的促進(jìn)作用。

1 總體方案設計

總體方案如圖 1 所示，主要由 5G 基帶模塊與 SIM/ USIM 卡接口、RS232 調試串口、千兆以太網(wǎng)電路、復位電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路等組成。本設計利用 LoRa 進(jìn)行傳輸 ，從站 LoRa 模塊給主站 LoRa 模塊發(fā)數據，再通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊與核心板的連接，將數據傳輸至 Linux 系統核心板。數據通過(guò)核心板處理傳至 5G 基帶模塊，最后上傳到云服務(wù)器，完成數據的傳輸?？蓪?shí)現實(shí)施監控多設備參數。例如：將無(wú)線(xiàn)模塊插入輸液泵中，那么數據就可以利用所設計的 5G 網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)傳輸至云服務(wù)器，護士便可以靈活觀(guān)察多個(gè)輸液泵情況，合理安排時(shí)間，也可將次設計應用到遠程醫療中，具有高帶寬、低時(shí)延等優(yōu)點(diǎn)。

2 系統硬件設計

2.1 Linux系統核心板

NXP QorIQ LS1028A 應用處理器包括支持時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò ) (TSN) 的以太網(wǎng)交換機和以太網(wǎng)控制器，可支持融合的 IT（信息技術(shù)）和 OT（操作技術(shù)）網(wǎng)絡(luò )。兩個(gè)功能強大的 64 位 Arm^?v8 內核支持工業(yè)控制的實(shí)時(shí)處理，以及物聯(lián)網(wǎng)中邊緣計算的虛擬機。內置 GPU 和 LCD 控制器使人機接口 (HMI) 系統支持新一代接口。LS1028A 處理器內置一個(gè) SerDes 模塊，分為 4 個(gè) lane 高速接口以支持各種協(xié)議，例如 SGMII，QSGMII，PCIe 和 SATA。集成可信架構帶有加密分流功能，可提供能夠加密通信的可信平臺，適用于安全的應用和服務(wù)。

Linux 系統具有高效性和靈活性 ^[3]，Linux 核心板嵌入多核應用處理器，具有高集成小系統，板載以太網(wǎng)口，具有豐富的外設接口，可以滿(mǎn)足本方案的設計。

如圖 2 所示，為 FET1028A-C 系列核心板接口管腳定義，核心板含有大量的接口資源，共 160 個(gè)管腳，用不到的管腳做懸空或加上下拉電阻處理。

2.2 5G基帶模塊

5G 模塊主要用來(lái)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，要求其具有強大的擴展能力和豐富的接口。模塊的供電、開(kāi)機、復位等功能都由 Linux 核心板來(lái)控制。移遠 RM500Q-GL 是標準的 M.2 Key-B WWAN 接口模塊，符合 PCIe M.2 接口規范，同時(shí)符合 USB 3.1 和 USB 2.0 規范。擁有 (U) SIM 接口、USB 接口、PCIe 接口、PCM 接口等豐富的外設?？赏ㄟ^(guò) USB 和 PCIe 兩種接口模式來(lái)與 Linux核心板進(jìn)行數據通信。RM500Q-GL 支持 Windows、Linux 和 Android 等嵌入式系統。為工規級模塊，并支持 GNSS 多模定位功能和語(yǔ)音功能以滿(mǎn)足不同的應用場(chǎng)景需求 ^[4]。

本設計中 5G 模塊與 Linux 核心板之間通過(guò) USB3.1 接口模式進(jìn)行數據通信。5G 模塊包括電源管理、基帶、LPDDR4X SDRAM+NAND 存儲器、射頻部分、M.2 Key-B 接口等，其功能框圖如圖 3 所示。

2.3 以太網(wǎng)接口

LS1028A 的 serdes 通道 SD1_TX1/RX1 配置為了 QSGMII，底板采用以太網(wǎng)收發(fā)芯片 QCA8075 引出 4 組網(wǎng)口至 RJ45 插座。QCA8075 被配置為 QSGMII+SGMII 模式，但是其中的 SGMII 引腳沒(méi)有使用到，所以相關(guān)引腳保持懸空。千兆以太網(wǎng) PHY 部分參考電路如圖 4 所示。

2.4 RS232 調試串口

Linux 核心板引出的 UART1 是調試串口，1.8 V 電平。經(jīng)過(guò)電平轉換芯片 LSF0204RUTR 轉換為 3.3 V 電平，再經(jīng) RS232 芯片 MAX3232ID 轉換為 RS232 電平。其中 3.3 V 電平調試串口由 XH-2.54 mm 白色端子引出；RS-232 電平調試串口通過(guò)標準 DB9 公頭座子引出，波特率 115200。串口調試參考電路如圖 5 所示。

2.5 復位電路

電路可設計復位鍵，按下后可關(guān)閉核心板上所有電源，實(shí)現給整板斷電復位的功能。如圖 6 復位電路所示。

2.6 電源模

電路電源為直流 12 V，由 DC005 插座引入。該直流 12 V 電源經(jīng)過(guò)功率 MOS 管之后向核心板供電。核心板上電后會(huì )向底板輸出 1V8 信號， 1V8 控制底板 VCC 5 V 上 電。此部分電路是為了保證核心板先上電，底板后上電，以防閂鎖效應的發(fā)生損壞 CPU^[5]。電路如圖 7 所示。

2.7 SIM卡接口電路

5G 模塊內置雙 USIM 接口，支持 雙卡單待功能，模塊可支持 (U)SIM 卡熱插拔功能。(U)SIM 檢測引腳支持高 / 低電平檢測。SIM 接口支持 1.8 V 和 3 V SIM 卡 ( 電壓自適應 )，拔插請注意區分 SIM 卡正反面。5G 用的 microSIM 卡座接口電路如圖 8 所示。

2.8 LoRa無(wú)線(xiàn)模塊

LoRa 無(wú)線(xiàn)技術(shù)具有遠距離、低功耗 ( 電池壽命長(cháng) )、抗干擾、多節點(diǎn)、低成本的特性 ^[5] 。LoRa 基 于 Sub-GHz 的 頻段使其更易以較低功耗進(jìn)行 遠距離通信 , 可以使用電池供 電或者其他能量收集的方式供電 ; 較低的數據速率也延長(cháng)了 電池壽命和增加了網(wǎng)絡(luò )的容 量。LoRa 信號對建筑的穿透 力也很強。LoRa 的這些技術(shù) 特點(diǎn)更適合于低成本大規模的 物聯(lián)網(wǎng)部署 ^[6]。

由于 LoRa 模塊應用起來(lái)工作量比較大本次設計使用核心板的通用 UART2 串口對 LoRa 模塊的復位和收發(fā)等引腳進(jìn)行控制。參考原理圖如下圖 9 所示。

3 軟件開(kāi)發(fā)

3.1 編譯環(huán)境搭建

flexbuild 是 NXP 官方提供的 QorIQLS 系列的編譯環(huán)境，flexbuild 中提供了整個(gè)系統編譯需要的所有源碼 , 比如 linux 內核、uboot、firmware、app 程序以及一個(gè)完整的文件系統。對于文件系統 , 用戶(hù)可直接使用。步驟分三步：1. 下載 flexbuild 包并解壓，注意編譯過(guò)程中使用 root 用戶(hù)操作，2. 將主要目錄 / 文件簡(jiǎn)介放到虛擬機內，3. 設置環(huán)境變量。

3.2 全部編譯

第一次進(jìn)行編譯時(shí) , 使用全部編譯命令進(jìn)行編譯 , 只需要一條命令就可以編譯出所有需要的文件。生成的文件位于 build/images 目錄。

3.3 打包燒寫(xiě)鏡像

將在 linux-fs 目錄生成 images.tar.bz2，后續可以直接解壓到燒寫(xiě) U 盤(pán)中。

3.4 單獨編譯

Firmware Ls 系列的芯片在啟動(dòng)時(shí)需要加載一些固件，例如 rcw( 復位控制字 )，uboot 等，如對上述文件進(jìn)行了修改， 就需要重新編譯并將這些文件打包成一個(gè) firmware 鏡像文件，燒寫(xiě)到啟動(dòng)設備中。支持 EMMC、TF 卡、XSPI 啟動(dòng)，需要將特定的 Firmware 燒寫(xiě)到對應的介質(zhì)中。

3.5 單獨編譯內核及模塊

將編譯好的內核、設備樹(shù)文件更新到 build/images 目錄 ^[7]。

3.6 單獨編譯app程序

packages/apps 包含了平臺相關(guān)的上層應用層工具，例如 OpenSSL 如對這部分的源碼有所改動(dòng)，需要單獨編譯。

4 驗證結果

將電路焊接完成，測試電路正常，燒寫(xiě)程序，利用串口調試助手、電腦 A 與電腦 B 等工具。

將無(wú)線(xiàn)模塊 LoRa A 連接電腦 A，無(wú)線(xiàn)模塊 LoRa B 連接所設計的電路，將 SIM 卡插入電路中。電腦 A 通過(guò)串口助手，將數據從 LoRa A 發(fā)送至 LoRa B，5G 開(kāi)發(fā)板通過(guò)數據處理程序從 LoRa B 中提取數據 , 然后把獲得的數據通過(guò) 5G 模塊發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)的 TCP Server 中，流程如圖 10。

如果電腦 B 處于內網(wǎng) , 可通過(guò)內網(wǎng)穿透器將電腦 B 的 TCP Server 的地址端口映射到外網(wǎng)上。LoRa A 通過(guò)電腦 A 的調試串口發(fā)送數據（圖 11 所示），電腦 B 可以實(shí)時(shí)接收，（圖 12 所示）。

5 結語(yǔ)

本項目充分利用了無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、集成電路單片機技術(shù)、以及嵌入式技術(shù)，設計了一款擁有高速率，低延遲，高帶寬的 5G 應用。本文從硬件、軟件角度細致講解出發(fā)，介紹了 5G 應用的各個(gè)模塊，使得讀者能夠全面了解 5G 應用的設計步驟?？梢詫?LoRa 無(wú)線(xiàn)模塊放入各種各樣的醫療設備中，這樣可以通過(guò)此設計進(jìn)行 5G 無(wú)線(xiàn)傳輸，將5G應用到醫療設備中。具有較強的實(shí)用性?xún)r(jià)值。

參考文獻：

[1] 李大燦.新冠肺炎疫情防控中5G智慧醫療服務(wù)體系的構建[J].中華急診醫學(xué)雜志,2020(07):49-53.

[2] 李彤.衛生大事記[G].武漢衛生健康年鑒,2020.

[3] 陳逸非.基于大容量Flash的高效Linux文件系統改進(jìn)和實(shí)現[D].上海:同濟大學(xué),2007.

[4] 耿黃政.一種新能源汽車(chē)遠程監測平臺車(chē)載終端軟硬件設計[J].科技與創(chuàng )新,2019(10):37-39.

[5] 饒偉.基于LORA無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和MQTT協(xié)議的電力環(huán)境監測系統的研究與設計[D].深圳：深圳大學(xué)，2020.

[6] 何進(jìn).物聯(lián)網(wǎng)燃氣表系統的設計與實(shí)現[J].電訊技術(shù),2019(07):19-22.

[7] 張峰.Linux機載紅外偵察設備中的應用[J].紅外與激光工程,2007(05):21-24.

(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年8月期)