樸 雪 張 立 俞 嘯 趙 強(qiáng)

(徐州醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)信息學(xué)院,江蘇 徐州 221000)

面向醫(yī)療大數(shù)據(jù)平臺(tái)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

樸 雪 張 立 俞 嘯 趙 強(qiáng)

(徐州醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)信息學(xué)院,江蘇 徐州 221000)

在醫(yī)療大數(shù)據(jù)背景下，為了解決醫(yī)院中傳感器網(wǎng)絡(luò)和其他異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)交互、融合、統(tǒng)一處理的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了面向醫(yī)療大數(shù)據(jù)平臺(tái)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)交匯處理中心、以太網(wǎng)接入點(diǎn)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)、WiFi網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)等構(gòu)成。以STM32F103VET6為主處理器，對(duì)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行硬軟件設(shè)計(jì)。首先，根據(jù)各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)接入點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)電路；其次，在各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟件，通過(guò)任務(wù)調(diào)度算法實(shí)時(shí)獲取與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；最后，為提高系統(tǒng)的魯棒性，采用差錯(cuò)處理機(jī)制。測(cè)試結(jié)果表明，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)穩(wěn)定、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。

STM32 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò) 綜合接入網(wǎng)關(guān) 任務(wù)調(diào)度 差錯(cuò)處理 醫(yī)療大數(shù)據(jù)

0 引言

近年來(lái)，隨著醫(yī)院信息化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，醫(yī)院中出現(xiàn)了各種有線、無(wú)線的網(wǎng)絡(luò)，包括WiFi、以太網(wǎng)、藍(lán)牙、Z-Wave、ZigBee等無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)[1-2]。在這種情況下，要實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間安全、高效地協(xié)同工作，需要支持統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)關(guān)接入平臺(tái)。

芯片技術(shù)、通信技術(shù)的不斷發(fā)展為網(wǎng)關(guān)的研發(fā)提供了技術(shù)支撐，文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種基于以太網(wǎng)和移動(dòng)通信系統(tǒng)的智能家居綜合接入網(wǎng)關(guān)；文獻(xiàn)[4]闡述了一種基于ZigBee與GPRS交互通信的網(wǎng)關(guān)；文獻(xiàn)[5]開發(fā)了基于ZigBee-WiFi技術(shù)的農(nóng)林業(yè)信息采集系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)；文獻(xiàn)[6]提出了一種基于STM32處理器的面向建筑能源系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種以S5PV210為主處理器，礦井專用的綜合接入網(wǎng)關(guān)。本文結(jié)合芯片技術(shù)、軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了醫(yī)用綜合接入網(wǎng)關(guān)。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

綜合接入網(wǎng)關(guān)主要由數(shù)據(jù)交匯處理中心、以太網(wǎng)接入點(diǎn)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)、WiFi網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)、Z-Wave網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)等構(gòu)成。網(wǎng)關(guān)的整體架構(gòu)如圖1所示。其中，數(shù)據(jù)交匯處理中心選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103VET6作為主處理器[8]，該款處理器采用ARM架構(gòu)的Cortex-M3內(nèi)核，具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、綜合性能優(yōu)越、低成本、低功耗等特點(diǎn)。當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)、WiFi網(wǎng)絡(luò)等的終端節(jié)點(diǎn)需要與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)，會(huì)通過(guò)有線或無(wú)線的方式先將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到本網(wǎng)絡(luò)在綜合網(wǎng)關(guān)上的接入點(diǎn)，然后由接入點(diǎn)將數(shù)據(jù)推送給綜合接入網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)交匯中心，數(shù)據(jù)交匯中心在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、處理后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到指定的網(wǎng)絡(luò)中。

系統(tǒng)架構(gòu)中，綜合接入網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)交匯中心是信息傳輸樞紐。一方面，它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的匯聚、處理、轉(zhuǎn)發(fā)功能，形成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)；另一方面，作為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的管理平臺(tái)，它還能起到監(jiān)管異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、保障網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸暢通的作用。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

綜合考慮網(wǎng)關(guān)的處理能力、存儲(chǔ)能力、通信方式等要求，網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要包括各網(wǎng)絡(luò)接入模塊、存儲(chǔ)器模塊、電源管理模塊、指示模塊、調(diào)試模塊等。主處理器STM32F103VET6定時(shí)采集各網(wǎng)絡(luò)接入模塊轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，在接收到數(shù)據(jù)包后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，并將其轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)源指定的網(wǎng)絡(luò)終端。STM32F103VET6主頻可達(dá)72 MHz，可在其平臺(tái)下進(jìn)行嵌入式操作系統(tǒng)的移植。存儲(chǔ)器模塊包括2片Samsung公司生產(chǎn)的K4S561632D-TC/L75 SDRAM，以及NOR Flash存儲(chǔ)器，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)存取速度和存儲(chǔ)容量的要求。此外，綜合接入網(wǎng)關(guān)也可以響應(yīng)按鍵事件，以達(dá)到對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行配置和調(diào)試的目的。

圖2 網(wǎng)關(guān)硬件框架

2.1 藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)設(shè)計(jì)

藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)以CC2540為核心處理部分，包括：晶振電路、藍(lán)牙阻抗匹配電路、藍(lán)牙印制天線、電源電路以及通信接口電路等，系統(tǒng)框圖如圖3所示。CC2540是德州儀器最近推出的符合藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)的單模芯片，CC2540芯片的載波頻率范圍是2 400～2 483.6 MHz的ISM頻段。CC2540芯片還具有固件實(shí)時(shí)更新功能，數(shù)據(jù)可片上存儲(chǔ)高達(dá)+97 dB的長(zhǎng)距離通信鏈路預(yù)算。CC2540芯片運(yùn)行時(shí)具有3種低功耗電源模式，模式3的功耗僅0.4 μA，芯片適用于從2 V低電壓到3.6 V高電壓的寬范圍，能保障芯片工作穩(wěn)定[9]。

圖3 藍(lán)牙模塊硬件框架

2.1.1 電源部分與時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

CC2540芯片需要設(shè)計(jì)兩個(gè)時(shí)鐘電路，其中一個(gè)時(shí)鐘電路采用1個(gè)工作頻率為32 MHz的石英晶振和2個(gè)電容實(shí)現(xiàn)，石英晶振接芯片管腳22和23；另一個(gè)時(shí)鐘電路由1個(gè)工作頻率為32.768 kHz的石英晶振和2個(gè)電容實(shí)現(xiàn)，32.768 kHz的石英晶振接接芯片管腳32和33。CC2540芯片的數(shù)字電源管腳與模擬電源管腳應(yīng)就近接濾波電容。CC2540芯片片內(nèi)有1.8 V穩(wěn)壓器，可為所需電路提供穩(wěn)定的電壓。該穩(wěn)壓器需連接一個(gè)去耦電容以提高電源工作的穩(wěn)定性，具體在電路設(shè)計(jì)中可以通過(guò)CC2540芯片管腳40接一個(gè)1 μF的電容來(lái)實(shí)現(xiàn)。預(yù)留所有P0、P1、P2口信號(hào)管腳、電源信號(hào)管腳以及復(fù)位信號(hào)管腳，方便擴(kuò)展。

2.1.2 藍(lán)牙射頻阻抗匹配電路設(shè)計(jì)

藍(lán)牙天線的輸入阻抗ZL與藍(lán)牙芯片的輸入阻抗ZS可以表示為：

ZL=RL+jXL

(1)

ZS=RS-jXS

(2)

式中：RL為藍(lán)牙印制天線阻抗實(shí)部，jXL為虛部；RS為藍(lán)牙芯片阻抗實(shí)部，jXS為虛部。

藍(lán)牙天線的輸入阻抗ZL可以看作是天線的輸入電壓Ui與天線的輸入電流Ii之比，可以表示為：

ZL=Ui/Ii

(3)

網(wǎng)關(guān)中藍(lán)牙模塊阻抗匹配電路的設(shè)計(jì)采用電容和電感等分立元件，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙射頻信號(hào)的阻抗匹配。圖4是阻抗匹配電路原理圖，其中電抗器件等分立器件組成巴倫電路，以實(shí)現(xiàn)與射頻輸出信號(hào)的最佳傳輸功能。U與J分別是印制倒F天線和迷你SMA接口，當(dāng)使用印制倒F天線時(shí)，可用貼片器件R252實(shí)現(xiàn)；若想使用增益較高的外接鞭狀單極子天線，可在印制電路板用貼片R251器件實(shí)現(xiàn)，此時(shí)R252焊盤不能焊接器件[12]。由于電路在工作時(shí)對(duì)藍(lán)牙電磁性能的影響極其復(fù)雜，不可能保證所設(shè)計(jì)的天線在實(shí)際工作時(shí)阻抗虛部jXL接近0 Ω，因此實(shí)際工作中的2個(gè)0 Ω電阻(R251、R252)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況接入適當(dāng)?shù)母哳l電抗器件，實(shí)現(xiàn)電路調(diào)試時(shí)的阻抗匹配。

圖4 阻抗匹配電路原理圖

2.2 ZigBee、WiFi、Z-Wave網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)采用TI公司的CC2530核心射頻板，網(wǎng)關(guān)上的CC2530核心射頻模塊配置成協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，并在Z-Stack協(xié)議棧的基礎(chǔ)上組建ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。TI公司的CC2530核心射頻模塊具備2.4 GHz IEEE 802.15.4 的RF收發(fā)器，擁有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，可編程的輸出功率高達(dá)4.5 dBm，只需極少的外接元件即可滿足網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的需要[13-14]。WiFi網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)采用HLK-RM04支持全透明雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)腤iFi模塊，并配置為AP模式。該模塊集成10/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)口，串口通信最高波特率可達(dá)230.4 kbit/s、TLL串口速率最高500 bit/s，具備通用的WiFi加密方式和算法，支持TCP/UDP/ARP/ICMP/HTTP/DNS/DHCP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，Z-Wave網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)采用ZM3102核心射頻模塊，將其配置成控制節(jié)點(diǎn)，ZM3102核心射頻模塊具有數(shù)據(jù)傳輸可靠、低功耗、組網(wǎng)簡(jiǎn)單靈活等特點(diǎn)，能夠組建穩(wěn)定的Z-Wave無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

3 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖5所示。在給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)供電后，各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)首先進(jìn)行硬件電路的初始化，主要包括各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)電源管理部分電壓的轉(zhuǎn)換，啟動(dòng)時(shí)鐘電路，主處理器的外驅(qū)動(dòng)電路的初始化；然后執(zhí)行各自的網(wǎng)絡(luò)初始化任務(wù)，初始化網(wǎng)絡(luò)配置，組建或者加入各自的網(wǎng)絡(luò)；在各網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)完成初始化網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)后，主處理器STM32F103VET6就開始執(zhí)行任務(wù)調(diào)度算法，定時(shí)處理各網(wǎng)絡(luò)模塊的數(shù)據(jù)，對(duì)從不同網(wǎng)絡(luò)獲取的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，解析出數(shù)據(jù)包的源節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)內(nèi)容和目的節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。為增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的魯棒性，同時(shí)提高節(jié)點(diǎn)的使用性與可用性，在進(jìn)行網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采用了差錯(cuò)處理機(jī)制。

圖5 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件工作流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的性能進(jìn)行測(cè)試。首先，測(cè)試ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間距離與信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系，通過(guò)分析測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間的距離在30 m以內(nèi)時(shí)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)且穩(wěn)定，這可為在復(fù)雜的醫(yī)院環(huán)境中合理部署網(wǎng)關(guān)提供參考；然后，通過(guò)本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)采集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)分析軟件處理所得數(shù)據(jù)，經(jīng)對(duì)比、分析發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)關(guān)的平均丟包率在5%以內(nèi)，平均數(shù)據(jù)誤差率在0.2%以下。測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)穩(wěn)定，容錯(cuò)能力與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力強(qiáng)。

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Design of Heterogeneous Network Gateway for Medical Mega-data Platform

Under the background of medical mega-data, in order to solve the problems of data interaction, data integration, and unified data processing among sensor network and other heterogeneous network in hospital, the heterogeneous network gateway for medical mage-data platform has been designed. The gateway system is composed of data intersection center, Ethernet access point, ZigBee network access point, WiFi network access point and Bluetooth access point, etc. The design of hardware and software for the gateway nodes are accomplished with STM32F103VET6 as the main processor. Firstly, in accordance with the characteristics of various heterogeneous network signals, the drive circuits of access point are designed; then on the basis of various protocol standard of heterogeneous network, the software of gateway nodes is designed; the real time data are acquired and forwarded through task scheduling algorithm, and the error handling mechanism is adopted to enhance robustness of the system. The test results show that the gateway system is stable with strong data processing capability.

STM32 Heterogeneous network Integrated access gateway Task scheduling Error handling Medical mage-data

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：BY2014033)；

徐州市科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：XM13B021)；

徐州市科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：XM12B077)。

樸雪(1979-)，女，2006年畢業(yè)于遼寧師范大學(xué)教育技術(shù)學(xué)專業(yè)，獲碩士學(xué)位，講師；主要從事計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面的研究。

TP212; TP391

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509010

修改稿收到日期：2015-05-15。