晏 平，何 勇，王 磊，楊 芳

(貴州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引 言

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的提出與發(fā)展，人們的生活中無(wú)處不存在互聯(lián)網(wǎng)一詞，“智慧城市”也隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的熱潮發(fā)展起來(lái)，打造智慧城市成為當(dāng)前國(guó)家發(fā)展的一個(gè)重要任務(wù)。其主要是運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)和其他的交叉學(xué)科來(lái)對(duì)整個(gè)城市運(yùn)行的核心系統(tǒng)的各項(xiàng)關(guān)鍵信息進(jìn)行整合、分析、感測(cè)，從而提高居民生活水平，促進(jìn)城市的和諧、可持續(xù)發(fā)展[1]。在打造智慧城市的同時(shí)，健康領(lǐng)域的發(fā)展作為其中一個(gè)重要分支，其發(fā)展對(duì)社會(huì)起著舉足輕重的作用?；谠摫尘?，以及當(dāng)前社會(huì)長(zhǎng)期以來(lái)存在看病難、體檢麻煩、醫(yī)療資源分配不合理，導(dǎo)致醫(yī)院連提供最基本的體檢服務(wù)都顯得力有未逮，從而使得居民慢性疾病逐年上升的問(wèn)題[2]，設(shè)計(jì)了一款基于云平臺(tái)的社區(qū)健康一體機(jī)。該一體機(jī)融合了大數(shù)據(jù)、無(wú)線(xiàn)傳感器、無(wú)線(xiàn)通信等技術(shù)，免除居民在醫(yī)院體檢排隊(duì)的困擾，在居住的小區(qū)就能自助體檢，隨時(shí)了解自己的身體動(dòng)態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題能及時(shí)就醫(yī)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

基于云平臺(tái)社區(qū)健康一體機(jī)系統(tǒng)的整體架構(gòu)分為5層[3]，即數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)處理層、應(yīng)用層,如圖1所示。

圖1 整體框架

數(shù)據(jù)采集層，主要依賴(lài)于前端各類(lèi)醫(yī)療傳感器采集用戶(hù)健康數(shù)據(jù)，包括對(duì)身高、體重、血壓、血氧、心電、心率、血糖、體溫等數(shù)據(jù)的采集；數(shù)據(jù)層，主要是把采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到嵌入式網(wǎng)關(guān)[4]；網(wǎng)絡(luò)層，主要是嵌入式網(wǎng)關(guān)通過(guò)以太網(wǎng)把數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)；數(shù)據(jù)處理層，主要是把數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到云端HBase數(shù)據(jù)庫(kù)，為用戶(hù)建立個(gè)人健康檔案[5]；應(yīng)用層，主要是將在云平臺(tái)分析的結(jié)果通過(guò)Web端和手機(jī)App端的形式反饋給用戶(hù)。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

用戶(hù)可通過(guò)刷身份證或者手機(jī)號(hào)進(jìn)行注冊(cè)登錄，登錄系統(tǒng)打開(kāi)一體機(jī)，就能進(jìn)行自助體檢(體檢項(xiàng)目包括身高、體重、血壓、血氧、心電、心率、血糖、體溫等)，用戶(hù)利用系統(tǒng)可以對(duì)自己信息進(jìn)行相應(yīng)操作，體檢結(jié)束時(shí)，將體檢數(shù)據(jù)打印出來(lái)，同時(shí)上傳至云平臺(tái)，在云平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并且建立居民個(gè)人健康檔案，將相關(guān)信息反饋至手機(jī)App端和Web端。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要分為兩部分：嵌入式網(wǎng)關(guān)模塊和節(jié)點(diǎn)模塊。硬件總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.1 嵌入式網(wǎng)關(guān)模塊設(shè)計(jì)

嵌入式網(wǎng)關(guān)模塊選用SAMSUNG公司基于A(yíng)RM9的S3C6410作為處理芯片，它處理能力較強(qiáng)，支持多種接口的32位微處理器，采用ARM1176JZF-S內(nèi)核，包含16 KB的指令數(shù)據(jù)Cache。嵌入式網(wǎng)關(guān)應(yīng)該還需要微處理器模塊、電源模塊、JTAG模塊等，同時(shí)還需要考慮到嵌入式網(wǎng)關(guān)后期擴(kuò)展問(wèn)題，所以應(yīng)該預(yù)留一些可以擴(kuò)展的接口[6]。

圖2 硬件總體設(shè)計(jì)

嵌入式網(wǎng)關(guān)是健康數(shù)據(jù)采集儀的核心部分，主要對(duì)接收到的人體體征信息數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，通過(guò)S3C6410控制器的串口連接到ZigBee協(xié)調(diào)器和以太網(wǎng)模塊，實(shí)現(xiàn)嵌入式網(wǎng)關(guān)與前端節(jié)點(diǎn)和云端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理、指令發(fā)送等功能[7]。系統(tǒng)嵌入式網(wǎng)關(guān)不僅要具備ZigBee協(xié)調(diào)器模塊，還要具備以太網(wǎng)通信模塊，嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)包括對(duì)MCU、ZigBee協(xié)調(diào)器、串口等的設(shè)計(jì)，其PCB設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 嵌入式網(wǎng)關(guān)PCB圖設(shè)計(jì)

2.1.1 電源模塊

電源是系統(tǒng)能量的提供者，是整個(gè)系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，是硬件電路系統(tǒng)中最重要的電路，其穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要影響。由于在整個(gè)硬件電路中存在3.3 V、5 V等不同的電壓，所以設(shè)計(jì)中需選擇電壓轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)選擇AMS1086CM-3.3 V進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換，輸出為3.3 V。

2.1.2 ZigBee協(xié)調(diào)器模塊

文中系統(tǒng)采用TI公司研發(fā)的用于IEEE802.15.4/ZigBee的片上系統(tǒng)解決方案CC2530F256芯片,該芯片完全兼容8051內(nèi)核，工作在2.4 GHz頻段[8]。

前端傳感器節(jié)點(diǎn)采用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)，當(dāng)傳感器上電后，ZigBee協(xié)調(diào)器將網(wǎng)關(guān)發(fā)來(lái)的相應(yīng)指令傳送至ZigBee節(jié)點(diǎn)，從而完成對(duì)前端節(jié)點(diǎn)的控制。

2.1.3 以太網(wǎng)模塊

為了提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，應(yīng)該選擇實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸時(shí)延性低的模塊。該系統(tǒng)采用的以太網(wǎng)模塊是DM9000AEP，該芯片由臺(tái)灣NAVICOM公司生產(chǎn)，芯片連接到主控制器S3C6410芯片，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口連接以太網(wǎng)。DM9000AEP具有集成10/100 M自適應(yīng)收發(fā)器，支持介質(zhì)無(wú)關(guān)接口，支持背壓模式半雙工流量控制模式，IEEE802.3x流量控制的全雙工模式，4 K雙字SRAM，超低功耗模式[9]、功率降低模式等特點(diǎn)。

2.2 節(jié)點(diǎn)模塊

節(jié)點(diǎn)模塊主要包括身份證識(shí)別模塊、電子鎖模塊、各種醫(yī)療傳感器等。

2.2.1 身份證模塊

用戶(hù)通過(guò)刷身份證進(jìn)行注冊(cè)登錄，RFID模塊和處理器S3C6410模塊連接，刷身份證時(shí)只需將身份證放置于該模塊的天線(xiàn)可讀區(qū)域即可讀出身份證信息[10]。該方式簡(jiǎn)單、快捷。該模塊采用IDR210-2型號(hào)來(lái)進(jìn)行身份證信息的讀取，它可進(jìn)行自動(dòng)找卡、實(shí)時(shí)讀取和顯示第二代身份證的文字和照片信息，通過(guò)USB 5 V供電，接口有RS232、HID USB DEVICE2.0。

2.2.2 電子鎖模塊

為保證一體機(jī)在社區(qū)的安全性，設(shè)計(jì)進(jìn)入系統(tǒng)打開(kāi)電子鎖才能使用設(shè)備。電子鎖模塊采用HD-S0627模塊，該模塊體積小、重量輕、反應(yīng)靈敏、功耗低，采用12 V電源模塊進(jìn)行供電，通過(guò)嵌入式網(wǎng)關(guān)模塊對(duì)繼電器進(jìn)行控制，從而控制電子鎖的開(kāi)關(guān)。

2.2.3 傳感器模塊

數(shù)據(jù)采集通過(guò)各種醫(yī)療傳感器模塊完成，每個(gè)傳感器通過(guò)UART數(shù)據(jù)傳輸方式與CC2530芯片連接，UART接口的RX、TX與CC2530芯片的TX、RX連接，成為一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)，使用自定義的通信協(xié)議才能與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。

傳感器的選取影響設(shè)備的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，因此傳感器的選型尤為重要。設(shè)備的身高測(cè)量選取性能優(yōu)良的LM1812超聲波傳感器；體溫測(cè)量選取的是HT-F03D型紅外線(xiàn)體溫計(jì)；血氧傳感器選取HKS-12C型血氧飽和度傳感器；血壓傳感器選取HKB-08B型血壓傳感器模塊；心電傳感器選用HKD-10C型數(shù)字心電傳感器為單導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)采集設(shè)備；血糖的測(cè)量選取JHBGM001A型傳感器。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

以S3C6410為核心處理器的嵌入式網(wǎng)關(guān)不僅要與前端ZigBee協(xié)調(diào)器通信，還要與云端通過(guò)以太網(wǎng)模塊進(jìn)行通信。與云端進(jìn)行通信采用TCP服務(wù)，網(wǎng)關(guān)每次收到一個(gè)數(shù)據(jù)，會(huì)判斷是前端節(jié)點(diǎn)上傳的請(qǐng)求還是TCP服務(wù)通過(guò)Socket發(fā)送的命令，網(wǎng)關(guān)通過(guò)解析相應(yīng)的信息后執(zhí)行相應(yīng)的操作[11]。

3.2 ZigBee協(xié)調(diào)器

ZigBee協(xié)調(diào)器，作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)管理者，在建立一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)時(shí)，ZigBee協(xié)調(diào)器通過(guò)監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)，去掃描是否有節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入到該網(wǎng)絡(luò)，如果有，則批準(zhǔn)該節(jié)點(diǎn)加入，并為節(jié)點(diǎn)分配地址，等待接收網(wǎng)關(guān)發(fā)送的控制命令去執(zhí)行相應(yīng)操作。ZigBee協(xié)調(diào)器工作流程如圖4所示。

圖4 ZigBee協(xié)調(diào)器工作流程

3.3 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

基于云平臺(tái)的社區(qū)健康一體機(jī)前端主要由各種醫(yī)療傳感器采集居民身體健康數(shù)據(jù)，每個(gè)醫(yī)療傳感器均屬于一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)，在采集之前，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都要加入到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中。協(xié)調(diào)器為節(jié)點(diǎn)分配地址，在未收到任何指令之前，所有節(jié)點(diǎn)處于睡眠模式，以達(dá)到低功耗的目的，在收到指令采集數(shù)據(jù)完成之后，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)送至嵌入式網(wǎng)關(guān)，結(jié)束后節(jié)點(diǎn)處于睡眠模式狀態(tài)。傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖5所示。

3.4 網(wǎng)關(guān)與ZigBee協(xié)調(diào)器通信

當(dāng)一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)之后，協(xié)調(diào)器會(huì)給該節(jié)點(diǎn)配置相應(yīng)的參數(shù)和信息，待節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀過(guò)來(lái)之后，ZigBee協(xié)調(diào)器將該數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過(guò)UART與ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信[12]，在通信過(guò)程中采用自定義的固定幀格式。幀格式包括：幀起始字段(F)+幀長(zhǎng)字段(L)+設(shè)備標(biāo)識(shí)字段(DI)+控制字段(C)+數(shù)據(jù)字段(Data)+FCS字段+幀結(jié)束字段(F)，其中每個(gè)字段的含義解釋如下：

F字段：1個(gè)字節(jié)，標(biāo)志數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始與結(jié)束，值為固定的0x6a，在通信過(guò)程中，發(fā)送方會(huì)一直發(fā)送F字段，接收方每收到一個(gè)數(shù)據(jù)，便會(huì)檢測(cè)，如果和標(biāo)志字段不同，說(shuō)明數(shù)據(jù)開(kāi)始發(fā)送，該過(guò)程中采用“0比特插入法”實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的透明傳輸。

圖5 傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程

L字段：1個(gè)字節(jié)，為數(shù)據(jù)幀的有效長(zhǎng)度字段。

DI字段：1個(gè)字節(jié)，分別用來(lái)標(biāo)識(shí)不同設(shè)備。

C字段：1個(gè)字節(jié),區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)幀是由協(xié)調(diào)器向上發(fā)送，還是由網(wǎng)關(guān)向下發(fā)送的指令。

數(shù)據(jù)字段：1-256 bit，可變長(zhǎng)度，發(fā)送的有效數(shù)據(jù)。

FCS字段：幀校驗(yàn)和字段，2個(gè)字節(jié)，采用16位的CRC對(duì)整個(gè)幀進(jìn)行校驗(yàn)。

3.5 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)開(kāi)發(fā)是采用C#語(yǔ)言在VS系列開(kāi)發(fā)軟件Visual Studio 2012下實(shí)現(xiàn)的，該開(kāi)發(fā)軟件擁有先進(jìn)的開(kāi)發(fā)解決方案，靈活敏捷的規(guī)劃工具。上位機(jī)具體實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示。

圖6 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

基于智慧城市的社區(qū)健康一體機(jī)通過(guò)用戶(hù)與上位機(jī)之間進(jìn)行交互，使用醫(yī)療傳感器采集到居民健康數(shù)據(jù)后，上傳嵌入式網(wǎng)關(guān)，嵌入式網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)用以太網(wǎng)傳輸至云平臺(tái)進(jìn)行處理，系統(tǒng)采用面向列存儲(chǔ)的非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)HBase來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)[13-15]。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

系統(tǒng)在投入社區(qū)使用之前于2017年8月1日到2017年8月15日在貴州大學(xué)博學(xué)樓602室進(jìn)行測(cè)試，該系統(tǒng)可通過(guò)兩種方式進(jìn)行使用，一種是手機(jī)號(hào)注冊(cè)登錄，操作過(guò)程較為繁瑣；另外一種是通過(guò)刷身份證注冊(cè)登錄，身份證注冊(cè)登錄簡(jiǎn)單快捷，進(jìn)入系統(tǒng)之后，便可開(kāi)始使用。圖7為針對(duì)用戶(hù)血糖進(jìn)行的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)該設(shè)備反應(yīng)靈敏，數(shù)據(jù)精確；ZigBee協(xié)調(diào)器與嵌入式網(wǎng)關(guān)之間通信穩(wěn)定，網(wǎng)關(guān)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)至云端發(fā)送時(shí)延低，錯(cuò)誤率低，能很好地滿(mǎn)足系統(tǒng)功能需求。

圖7 部分血糖測(cè)試數(shù)據(jù)

該設(shè)備可緩解當(dāng)前醫(yī)療現(xiàn)狀，改善社區(qū)居民體檢難的情況。居民可以隨時(shí)在社區(qū)門(mén)口自己進(jìn)行體檢，讓用戶(hù)能早日發(fā)現(xiàn)病癥及時(shí)去醫(yī)院就醫(yī)。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于云平臺(tái)的社區(qū)健康一體機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)主要是通過(guò)前端ZigBee節(jié)點(diǎn)采集用戶(hù)健康數(shù)據(jù)，在網(wǎng)關(guān)進(jìn)行異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換，通過(guò)以太網(wǎng)模塊將健康數(shù)據(jù)保存至云端服務(wù)器，并且在云端建立用戶(hù)個(gè)人健康檔案，方便用戶(hù)使用手機(jī)App和Web端查看自己的健康狀況。除此之外，該系統(tǒng)后期可以應(yīng)用大數(shù)據(jù)進(jìn)行功能上的擴(kuò)展，通過(guò)用戶(hù)使用設(shè)備時(shí)產(chǎn)生的健康數(shù)據(jù)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)來(lái)分析用戶(hù)健康狀況，并且給出合適的建議，同時(shí)也可以針對(duì)于群體來(lái)進(jìn)行疾病的預(yù)測(cè)，從而打造一個(gè)智慧的健康行業(yè)，實(shí)現(xiàn)城市的智能化。