成都理工大學(xué) 代銀華 李宏穆 趙維毅東華理工大學(xué) 何劍鋒

基于嵌入式Linux的遠(yuǎn)程家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

成都理工大學(xué) 代銀華 李宏穆 趙維毅東華理工大學(xué) 何劍鋒

伴隨著我國(guó)邁入老齡化社會(huì)的現(xiàn)實(shí)，發(fā)展遠(yuǎn)程醫(yī)療并構(gòu)建一個(gè)高效實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)顯得尤為必要。該系統(tǒng)以ARM9-S3C2440A和嵌入式Linux2.6操作系統(tǒng)為核心，搭建支持Web Server的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)Boa嵌入式Web服務(wù)器的移植和配置，采用CGI程序設(shè)計(jì)，并結(jié)合生理特征信號(hào)檢測(cè)儀，Zigbee網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)，提出了一套完整的遠(yuǎn)程家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)解決方案。利用這個(gè)系統(tǒng)，監(jiān)護(hù)中心的人在遠(yuǎn)端PC機(jī)上的瀏覽器里即可看到被監(jiān)護(hù)人的生理特征信息，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程家庭監(jiān)護(hù)與診斷。

遠(yuǎn)程醫(yī)療；嵌入式Linux；web；Boa服務(wù)器；CGI

我們熟知的傳統(tǒng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)往往需要病人長(zhǎng)期住在醫(yī)院病房里或者經(jīng)常往返于家庭與醫(yī)院之間，這樣給處于康復(fù)期的病人或者需要監(jiān)護(hù)的中老年人的生活帶來(lái)很多不便，同時(shí)住院監(jiān)護(hù)不僅給病人家庭帶來(lái)更多經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，也可能引起住院部床位緊張等問(wèn)題。

為了改變這種現(xiàn)狀，研究一種遠(yuǎn)程家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是未來(lái)醫(yī)療監(jiān)護(hù)的必然趨勢(shì)。通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)把生理體征信號(hào)檢測(cè)儀（如OEM病人監(jiān)護(hù)儀）與Web server相連，再把Web服務(wù)器接入以太網(wǎng)，設(shè)計(jì)出一套基于嵌入式Linux的Web遠(yuǎn)程家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。此系統(tǒng)能使經(jīng)常需要測(cè)量生理指標(biāo)的人(如慢性病患者/中老年人）在家中或者小區(qū)里，只要有Zigbee網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方就能夠自由地測(cè)量某些常規(guī)指標(biāo)（如呼吸體溫、脈率、心電ECG等醫(yī)學(xué)信號(hào)），大大地增加了被監(jiān)護(hù)人的自由活動(dòng)空間，并能提高了被監(jiān)護(hù)人的生活舒適度。通過(guò)這個(gè)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，監(jiān)護(hù)中心的人就可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地了解到被監(jiān)護(hù)人的身體狀況，并進(jìn)行最及時(shí)有效的遠(yuǎn)程診斷。

1.系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和功能簡(jiǎn)介

在設(shè)計(jì)嵌入式遠(yuǎn)程家庭監(jiān)護(hù)系統(tǒng)時(shí)，考慮到開(kāi)發(fā)工作量和運(yùn)行維護(hù)成本等方面的問(wèn)題，該系統(tǒng)最終選擇B/S模式，將這種模式嵌入到網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，改變了以前需要同時(shí)開(kāi)發(fā)上位機(jī)和下位機(jī)軟硬件的做法，而今只需要在下位機(jī)（服務(wù)器端）的嵌入式設(shè)備中集成一個(gè)小型服務(wù)器，并且利用HTML設(shè)計(jì)網(wǎng)頁(yè)模塊，就能在瀏覽器端使用360安全瀏覽器等瀏覽器接受和查看服務(wù)器嵌入的網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容。系統(tǒng)由四部分構(gòu)成：用戶終端PC，嵌入式Web服務(wù)器，Zigbee生理特征信號(hào)檢測(cè)儀終端，被監(jiān)護(hù)人。

由ARM9處理器組成的嵌入式Web服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，是連接ZigBee網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，并使兩網(wǎng)能暢通傳輸，監(jiān)護(hù)中心在任何時(shí)間，只需通過(guò)聯(lián)網(wǎng)PC打開(kāi)瀏覽器登錄服務(wù)器，即可了解到被監(jiān)護(hù)人的生理指標(biāo)檢測(cè)情況，監(jiān)護(hù)系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1。

2.系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

以三星公司S3C2440A處理器配合Linux 2.6內(nèi)核作為家庭監(jiān)護(hù)系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的平臺(tái)，本系統(tǒng)硬件框圖見(jiàn)圖2。

圖2所示，由S3C2440A組成的嵌入式Web服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，S3C2440A芯片屬于SoC，它集成了處理器、內(nèi)存管理單元（MMU），并具有8路10位CMOS A/D轉(zhuǎn)換器，其參考電壓3.3v；外圍存儲(chǔ)電路包括64M NAND Flash以及2片64M SDRAM；外圍接口電路包括2個(gè)USB、3個(gè)串口以及網(wǎng)口等，串口2連接CC2430芯片。

Zigbee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、安全可靠、時(shí)延短、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi)，但還可以繼續(xù)增加。Zigbee無(wú)線收發(fā)模塊選用TI公司生產(chǎn)的CC2430芯片，該芯片是一款低功耗無(wú)線收發(fā)芯片，內(nèi)部有一個(gè)高性能DSSS和一顆工業(yè)級(jí)8051控制器，工作在2.4GHz的免費(fèi)ISM頻段，射頻收發(fā)符合IEEE802.15.4/Zigbee標(biāo)準(zhǔn)，能滿足本系統(tǒng)射頻通信的要求。Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分為協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)，其中帶有各種傳感器的生理特征信號(hào)檢測(cè)儀Zigbee終端節(jié)點(diǎn)，與嵌入式Web服務(wù)器連接的Zigbee協(xié)調(diào)器構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)，生理特征信號(hào)檢測(cè)儀把各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果通過(guò)無(wú)線發(fā)送到Zigbee協(xié)調(diào)器，Zigbee協(xié)調(diào)器通過(guò)串口把數(shù)據(jù)傳給嵌入式Web服務(wù)器，將收到的信息存儲(chǔ)于片外Flash ROM中，并在網(wǎng)頁(yè)上實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)護(hù)中心的動(dòng)態(tài)交互。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括Linux的移植，嵌入式Web服務(wù)器Boa的移植，CGI程序的設(shè)計(jì)，外部功能程序的設(shè)計(jì)。

3.1 Linux的移植

在操作系統(tǒng)內(nèi)核和用戶應(yīng)用程序運(yùn)行之前，首先運(yùn)行一段程序是Bootloader，程序主要完成硬件設(shè)備被初始化為系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境配置一個(gè)合適的環(huán)境，也為最終操作系統(tǒng)內(nèi)核和用戶應(yīng)用程序的調(diào)用建立一個(gè)好的環(huán)境，本人機(jī)界面系統(tǒng)采用vivi作為引導(dǎo)加載程序，文件系統(tǒng)用cramfs.

(1)本系統(tǒng)采用Linux-2.6.38內(nèi)核，Linux內(nèi)核的目錄arch中Makefile，Makefile是用來(lái)指定編譯規(guī)則的，目標(biāo)板是ARM平臺(tái)，需要修改ARCH和CROSSCOMPILE，修改為ARCH=arm；CROSSCOMPILE=arm-linux-；

(2)修改arch/arm目錄下的config.in文件，配置S3C2440A的相關(guān)信息；

(3)修改平臺(tái)的輸入時(shí)鐘，在arch/arm/mach-s3c2440/mach-smdk2440.c中，將1 6 3行的s 3 c 2 4 x x_i n i t_clocks(16934400)改為s3c24xx_init_clocks(12000000)；

(4)需要修改arch/arm/boot/中的Makefile文件，在58行添加@cp-farch/arm/boot/zImage zImage.bin，實(shí)現(xiàn)把生成的zImage文件復(fù)制到內(nèi)核源碼根目錄下；

(5)在內(nèi)核修改完成后，用命令make menuconfig配置Linux，再用make zImage命令編譯內(nèi)核，這種方式，編譯好的內(nèi)核映象文件先被燒寫(xiě)到Flash內(nèi)，啟動(dòng)時(shí)由引導(dǎo)程序?qū)?nèi)核從Flash加載到系統(tǒng)RAM中解壓，然后運(yùn)行。

3.2 嵌入式Web服務(wù)器的移植與配置

典型的Web服務(wù)器有Boa和thttpd等，它們和Apache等高性能的嵌入式Web服務(wù)器主要區(qū)別是它們一般是單進(jìn)程服務(wù)器，只有在完成一個(gè)用戶請(qǐng)求后才能響應(yīng)另一個(gè)用戶的請(qǐng)求，而無(wú)法并發(fā)響應(yīng)，這在嵌入式設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)合里已經(jīng)足夠了。

Boa是單任務(wù)Web server，源代碼開(kāi)放，性能高，支持CGI，能為CGI程序fork出一個(gè)進(jìn)程來(lái)執(zhí)行，所以選擇Boa.

移植Boa程序：

(1)從www.boa,org下載Boa-0.94.13，將其解壓并進(jìn)入源碼目錄的src子目錄

最后將生成的可執(zhí)行程序boa掛在到目標(biāo)系統(tǒng)，若能成功地訪問(wèn)靜態(tài)HTML網(wǎng)頁(yè)和運(yùn)行測(cè)試用的CGI程序，則表明配置成功。

3.3 CGI程序設(shè)計(jì)

CGI(common Gateway Interface)是外部擴(kuò)展應(yīng)用程序與Web服務(wù)器交互的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，遵循CGI標(biāo)準(zhǔn)的外部擴(kuò)展應(yīng)

用程序能處理Web客戶端與Web服務(wù)器的動(dòng)態(tài)交互，通過(guò)CGI讀取客戶端需要的動(dòng)態(tài)信息，這樣不僅擴(kuò)展了Web服務(wù)器的功能，也豐富了對(duì)網(wǎng)絡(luò)的使用，其原理如圖4所示。

瀏覽器將表單數(shù)據(jù)以post方法/Get方法提交給Web服務(wù)器，服務(wù)器守護(hù)進(jìn)程接收到該請(qǐng)求后，就創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程（稱CGI進(jìn)程），該CGI子進(jìn)程將CGI請(qǐng)求的有關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)置成環(huán)境變量，在外部CGI程序與服務(wù)器間建立兩條數(shù)據(jù)通道（標(biāo)準(zhǔn)I/O)，然后啟動(dòng)URL所指定的CGI程序，并與該子進(jìn)程保持同步，以檢測(cè)CGI程序的執(zhí)行狀態(tài)。CGI進(jìn)程通過(guò)入STDIN接受瀏覽器用戶的請(qǐng)求內(nèi)容和若干系統(tǒng)參數(shù)，通過(guò)調(diào)用用戶自定義的外部功能程序來(lái)完成數(shù)據(jù)處理，并將結(jié)果通過(guò)STDOUT以HTML或Web服務(wù)器可識(shí)別的其他格式輸出。Web服務(wù)器對(duì)輸出內(nèi)容進(jìn)行語(yǔ)法分析后將其轉(zhuǎn)送回Web瀏覽器，完成一次與用戶的交互。

在設(shè)計(jì)時(shí)，安裝移植CGIC庫(kù)，CGIC庫(kù)是一個(gè)強(qiáng)大的支持CGI開(kāi)發(fā)的開(kāi)放源碼的標(biāo)準(zhǔn)C庫(kù)，再安裝GD(Graphic Device)庫(kù)，GD庫(kù)是標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言庫(kù)，使用GD庫(kù)可以處理圖片或生成圖片。為了能使在網(wǎng)頁(yè)上看到動(dòng)態(tài)的心電圖或腦電圖等，將每次采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)外部功能程序處理后存儲(chǔ)的同時(shí)送給CGI程序，并且利用gd庫(kù)提供的函數(shù)來(lái)創(chuàng)建圖像。

3.4 主程序的設(shè)計(jì)流程

為了滿足系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)需要，主程序首先應(yīng)該完成對(duì)系統(tǒng)的初始化，然后監(jiān)聽(tīng)以太網(wǎng)接口是否有連接請(qǐng)求，如果有連接請(qǐng)求，就在服務(wù)器端產(chǎn)生中斷；讀取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析，解析HTTP協(xié)議，需要判斷連接請(qǐng)求是否滿足服務(wù)器要求的請(qǐng)求格式，判斷請(qǐng)求輸入是何種方式，判斷驗(yàn)證信息是不是正確的，判斷所請(qǐng)求的文件是否在服務(wù)器上等等；在處理A/D采集到的數(shù)據(jù)過(guò)程中，第一步要對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波處理，完成濾波后，就把數(shù)據(jù)送到本地的LCD顯示，同時(shí)也將當(dāng)前數(shù)據(jù)以網(wǎng)頁(yè)格式傳輸?shù)紹OA服務(wù)器上。

4.系統(tǒng)管理網(wǎng)站效果圖展示

監(jiān)護(hù)者在客戶端瀏覽器里輸入服務(wù)器的IP（http://192.168.2.230），進(jìn)入登陸頁(yè)面，登陸以后，可以實(shí)時(shí)看到被監(jiān)護(hù)人的生理特征信號(hào)，實(shí)驗(yàn)演示如圖5，圖6所示。

5.結(jié)論

本文介紹了一套基于嵌入式Linux的Web遠(yuǎn)程家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，詳細(xì)闡述了Boa嵌入式Web服務(wù)器的移植和配置方法以及CGI程序的工作原理。本系統(tǒng)通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)把生理特征信號(hào)檢測(cè)儀與Web服務(wù)器相連，再把Web服務(wù)器與Internet相連，監(jiān)護(hù)中心只需在遠(yuǎn)端PC機(jī)上的瀏覽器里輸入Web服務(wù)器設(shè)置的IP地址，就能看到被監(jiān)護(hù)人的生理特征信息。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在未來(lái)醫(yī)療領(lǐng)域中應(yīng)用還是比較適合的，由于受到成本及其他條件限制不能進(jìn)行硬件演示，從而只能對(duì)軟件和硬件設(shè)計(jì)方案及構(gòu)思進(jìn)行探討。醫(yī)療監(jiān)護(hù)在患者自己熟悉的環(huán)境中進(jìn)行，減少了心理壓力，有利于提高診斷的準(zhǔn)確性。這種遠(yuǎn)程家庭醫(yī)療系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的推廣有利于改善目前我國(guó)遠(yuǎn)程家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)的落后局面，同時(shí)也能減輕被監(jiān)護(hù)人家人的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

[1]顧春華,張雪芹.付歌.Web程序設(shè)計(jì)[M].華東理工大學(xué)出版社,2006.

[2]韋東山.嵌入式Linux應(yīng)用開(kāi)發(fā)完全手冊(cè)[M].人民郵電出版社,2008.

[3]張玉杰,馬立云.基于嵌入式的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[M].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2009,2(9):57-59.

[4]HILL J,HORTON M,KLING R,etal.The platforms enabling wireless sensor networks[J].Communications of the ACM,2004,47(6):41-46.

For China had entered an aging society，it is necessary for us to establish telemedicine system and construct a high eff i ciency and real time Home Tele-medicine Monitoring system.ARM9-S3C2440A and Embedded Linux as its center，which sustain to set up Web server development platform，the system realizes the transplantation and conf i guration of Embedded Web server---Boa，and uses CGI programming techniques，and Combines Physiological signal detector，Zigbee network and Internet network，and a complete Home telemedicine Monitoring system scheme is given.With the help of this system，monitoring center personnel can view the physiological characteristics information of the person being guarded through a browser on the remote PC，as a result，patients can be monitored and diagnosed remotely.

Telemedicine；Embeded Linux；Web；Boa Server；CGI（common Gateway Interface）

代銀華（1986—），女，四川德陽(yáng)人，成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院碩士研究生，主要研究方向：數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)。