智能健康监测终端设计与实现

武风波+周云如+张会可



摘 要: 基于嵌入式、3G通信、传感器技术以S3C6410为核心处理器,外围拓展人体体温、心率、血氧、图像等健康数据采集模块,增加GPS定位、3G通信模块,设计智能健康监测终端,实现对人体健康数据的采集和监测与报警。联合医疗数据处理服务器、手机客户端,对智能健康监测终端进行测试和分析。测试结果表明,智能健康监测终端运行稳定,能够实现对人体体温、心率、血氧、图像、GPS等健康数据的采集,并实现数据的远程发送、远程报警等功能。
关键词: 嵌入式技术; 智能医疗; 健康监测; 远程报警
中图分类号: TN931+.3?34; TP311.52 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2017)14?0064?04
Abstract: An intelligent health monitoring terminal based on embedded technology, 3G communication technology and sensor technology was designed, which takes S3C6410 as its core processor, utilizes the health data acquisition module to collect the body temperature, heart rate, blood oxygen, image and other data, and adds GPS positioning module and 3G communication modules. It can collect and monitor the human bodies′ health data and gives an alarm. The intelligent health monitoring terminal was tested and analyzed in combination with mecical data processing server and mobile client. The result shows that the intelligent health monitoring terminal works steadily, can realize the body temperature, heart rate, blood oxygen, image, GPS and other health data acquisition, and achieve the functions of remote data transmission and remote alarm.
Keywords: embedded technology; intelligence medical treatment; health monitoring; remote alarm
0 引 言
隨着经济社会的快速发展,生活水平日益提高,人们越来越关注自身的健康。当前,世界总人口数量巨大,加之受到环境、生物(细菌、病毒)等方面因素的影响,健康问题凸显,各种疾病威胁着人类健康[1]。
为应对疾病威胁,世界各国纷纷采取措施,并将医疗卫生行业作为重点发展行业,智能医疗随之产生。智能医疗就是利用传感器技术、物联网技术等新兴技术,在患者、医务人员、医疗机构、医疗设备之间构建信息互联,实现医疗卫生服务信息化、智能化的新型医疗卫生服务体系[2]。智能医疗发展的目标是从医疗卫生发展的实际需求出发,结合无线通信技术、嵌入式技术、物联网技术、数据融合技术等,实现医疗监护无线化、数据采集智能化、数据分析科学化、数据管理自动化[3]。
智能医疗概念自提出以来,受到国内外高度重视,智能医疗行业发展迅速,成果显著,目前已经应用在病人身份识别、医疗样品识别、医疗物资管理追踪、病人案例辨识、住院监护等方面[4]。基于物联网技术、传感器技术设计实现的系统很多,例如移动护理系统、婴儿防盗系统、医疗远程会诊系统、医疗远程健康教育系统[5]等。
基于目前我国医疗服务行业的实际需求出发,结合物联网技术、电子信息技术、嵌入式技术、数据通信技术、传感器技术等,借鉴国内外在移动医疗、智能医疗领域的研究成果和经验,本文在充分研究现有成果的基础上,设计一款用于人体健康智能监测的便携式监测终端,实现人体健康数据的采集、监测、报警,目的在于解决当前形势下人体健康,尤其是中老年人在身体健康状态获知难、病情发展控制难的问题,实现对这些对象的身体健康监测、病情数据采集控制和报警。
1 智能健康监测终端总体设计
1.1 总体框架设计
智能健康监测终端应用系统组成如图1所示,由智能健康监测终端、医疗数据处理服务器、移动客户端三部分组成。
1.2 终端硬件框架
智能健康监测终端主要实现对人体健康数据的采集监测,显示采集的人体健康数据。同时当采集到的数据出现异常时,终端实现报警,不仅如此,还应当充分利用终端采集的健康数据,对数据共享和远程报警。当出现报警时,需要对数据进行分析处理,确认病人状况,必要时开展紧急救助活动,因此监测对象的地理位置数据尤为重要。综上所述,结合已有产品研究现状,分析市场需求,所设计的智能健康监测终端系统硬件框架图如图2所示,终端主要分为系统主控单元、健康数据采集模块、GPS模块、数据传输模块、电源模块。
1.3 系统功能
本智能健康监测终端可以健康数据采集、健康报警、位置定位、健康数据共享等主要功能。
(1) 人体健康数据采集。人体健康数据采集是智能健康监测终端的基本功能。人体健康数据很多,例如体温数据、血氧数据、血压数据、血糖数据等,智能健康监测终端用于人体健康指标的监测,通过人体健康数据的采集分析,可以对人体健康状态进行初步判断。
(2) 健康报警。终端采集人体健康数据,当健康异常时,可以实现健康报警。本终端设计中,设定一定健康数据阈值条件,当数据不符合条件时,进行健康报警。
(3) 位置定位。智能健康监测终端采集人体健康数据,并与正常数据进行比对,当数据出现异常时,进行报警。为方便对异常监测对象进行紧急医疗救助,终端需对监测对象进行定位,并将定位数据发送给医疗数据处理服务器,进而方便实施紧急医疗救助、病人监测治疗等。
(4) 健康数据共享。本设计监测终端采集到健康数据后,通过一定方式将数据上传至医疗数据处理服务器,实现数据共享。共享数据方式很多,例如ZigBee、WIFI、蓝牙、移动通信网、以太网等[6],在具体系统设计中,灵活选用数据共享方式,合理设计,方便应用。
2 终端硬件设计
2.1 核心处理器
S3C6410是三星公司推出基于ARM11内核的高性能、低功耗RISC微处理器[7],可以广泛应用在移动电话、通用处理等领域,它为2.5G,3G通信服务提供很好的硬件性能,它具有丰富的数据接口,支持UART串口、I2C、USB等多种数据接口,同时内置ADC等。
2.2 健康数据采集
2.2.1 体温采集模块
在本文的设计中,选用电压输出型集成温度传感器LM35作为监测终端的体温数据采集传感器,并设计硬件电路。LM35通过将温度信号转换为电压输出,对输出的信号先经过低通滤波去噪,再经过LM324组成的放大电路将LM35输出的电压放大到伏级,通过S3C6410的ADC实现对输出模拟信号的数字化转换。
2.2.2 心率采集模块
光电脉搏传感器根据检测光的方式,可以分为两种,一种是检测透射波,另一种是检测反射波。主要构成基本相似,即稳定光源、接收光传感器。本文选用Pulse Senor公司的脉搏数據传感器就是检测反射波的传感器,使用APDS?9008光接收器件,光感器件接收到信号幅值较小,一般而言在毫伏级,容易受到其他信号的干扰,因此在信号放大之前加入低通滤波电路,MCP6001是信号放大器件,信号经过低通滤波之后再进入放大电路[8]。传感器外部端口有三个,分别为GND,VCC,OUT。GND,VCC是外部电源输入端,VCC允许3.3 V或者5 V电压输入,OUT信号为传感器信号模拟量输出端口。传感器具有体积小、功耗低、使用方便等优点。
2.2.3 血氧采集模块
测量血氧饱和度的方法很多,本文选用的是光电血氧测量传感器。光电式血氧传感器有两种类型,一种是透射式血氧传感器,另一种是反射式传感器。其中透射式血氧传感器应用更加广泛。本文选用透射式血氧传感模块。所选择的血氧模块对光电传感器输出信号进行处理,得到血氧数据,并通过串口输出,极大方便模块的应用和二次开发。表1为血氧模块电路外部接口说明。
2.2.4 图像采集模块
图像采集对于病人健康状况的确定具有一定意义,通过图像可以进一步了解目标对象身体现状、实现远程诊断等,因此在终端设计中,添加图像采集模块。综合考虑核心板处理能力、系统流畅性等因素,本文选用ZC301摄像头。
ZC301芯片具有图像信号处理、图像数据压缩等功能,带有DRAM存储器,采用28 PIN LQFP封装形式,ZC301摄像头与主控单元之间通过USB接口连接。ZC301摄像头模块具有图像采集清晰、色彩逼真、占用系统资源少、效率高等优点。
2.3 GPS与通信模块
2.3.1 GPS定位模块
GPS技术出现于20世纪,美国从20世纪70年代开始研制,于1994年全面建成,建立至今,已经广泛应用在各个领域。对于智能健康监测终端设计,当终端采集的数据出现异常,向数据中心发出报警数据时,医院需要及时采取紧急救助,准确获知目标对象的地理位置,安排医院救护,提高医院救助效率具有重要的意义。
本文选用以UBLOX NEO?6M为核心的GPS定位模块,其具有功耗低、性能优越、功能完善等优点,能够满足具有严格要求的专业定位需求以及普通个人消费需求。
2.3.2 数据传输模块
本文3G传输模块选用华为的E261 3G模块,网络选用中国联通3G网,模块标称数据下行最高速率为7.2 Mb/s,数据上行最高速率为5.76 Mb/s。E261 3G无线通信模块外部数据接口为USB接口,通过USB接口与OK6410连接。
3 智能健康监测系统软件设计
3.1 软件总体框架设计
智能健康监测终端软件设计主要分为人体健康数据采集功能模块、GPS数据处理功能模块、数据传输功能模块、图形界面显示模块、数据库等部分[9]。主程序控制人体健康数据采集的各软件功能子模块,实现对体温、心率、血氧、图像、GPS数据的采集,并对采集的数据进行初步处理,存入监测终端数据库中,显示在监测终端界面上,同时将数据封装成TCP数据包,通过网络发送给医疗数据处理服务器,接收医疗数据处理服务器返回的健康建议,并显示在监测终端界面上[10]。医疗数据处理服务器接收到上传的健康数据之后,进行分析处理,当监测对象健康数据异常时,获取监测对象GPS数据,同时将异常发送给监测终端,启动终端报警,医疗数据处理服务器报警,提醒相关工作人员监测对象可能出现身体异常情况。智能健康监测终端软件系统为Linux 3.0.1,终端应用软件设计采用Linux C与Linux Qt混合编程实现。智能健康监测终端软件总体流程图如图3所示。
数据传输部分采用C/S架构设计,智能健康监测终端作为客户端,通过TCP Socket编程实现。数据采集模块采集的健康数据封装在TCP数据包中,通过TCP Socket发送给医疗数据处理服务器端,监测终端同时接收医疗数据处理服务器发送来的健康状态提醒数据[11]。TCP Socket客户端主要用到的数据类是QTcpSocket,首先创建QTcpSocket对象,绑定信号槽。当一组数据采集完成时,对数据进行封包处理,然后发送数据,同时监听客户端对应的端口,如果有数据读取,则发出读取数据的信号,完成数据读取。
3.2 监测终端软件界面设计
监测终端配备4.3英寸液晶显示屏,用于显示采集的人体健康及GPS数据。智能健康监测终端人机界面设计通过Qt开发语言设计实现。首先基于Ubuntu系统,配置Qt嵌入式开发环境,开发监测终端的人机显示界面,图形化显示各后台子软件模块采集的人体健康数据、GPS数据,并绘制心率波形。
4 系统测试结果与分析
搭建人体健康智能监测系统,对终端进行测试,当人体出现异常时,监测终端的界面显示如图4所示。
监测终端将健康数据上传至医疗数据处理服务器,当健康出现异常,医疗数据处理服务器会对监测对象进行定位,并将位置显示在电子地图上,如图5所示。界面会显示报警监测对象的详细健康数据信息、个人联系方式、详细的地图定位数据。
图6为移动客户端软件测试图。在启动软件时的界面上有一个按钮“获取当前数据”,点击该按钮,客户端连接至医疗数据处理服务器,并发送获取监测对象健康数据的请求,接收来自医疗数据处理服务器的数据,解析并显示在移动客户端的界面上。
通过模块测试和联合调试,智能健康监测终端可以正确采集人体健康数据,采集的健康数据包括图像、血氧、心率、灌注指数、体温;GPS数据获取、解析正确,可以正常显示在Qt开发的嵌入式界面上;监测终端软件可以实现数据上传至医疗数据处理服务器,可以接收来自医疗数据处理服务器返回的健康提示信息。医疗数据处理服务器可以正常接收来自智能健康监测终端上传的健康数据,并返回健康提醒信息,能够正常接收来自移动客户端的健康数据请求,返回目标对象的健康数据;移动客户端能够连接至医疗数据处理服务器,发送健康数据请求,接收来自医疗数据处理服务器返回的监测对象健康数据,并进行显示。
5 结 语
本文综合了医疗数据处理服务器、移动客户端、智能健康监测终端三部分进行健康监测系统的联合测试,并分析了系统的测试结果。测试结果表明智能健康监测终端工作稳定,能够实现对人体健康数据采集、监测与报警、监测对象位置定位等功能。
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