羅青青,周正貴,方銀銀

（1.安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241002；2.光電材料科學(xué)與技術(shù)安徽省重點實驗室，安徽 蕪湖 241002）

0 引言

采用LoRa技術(shù)設(shè)計了一種中醫(yī)家庭醫(yī)生服務(wù)系統(tǒng)，該技術(shù)具有抗干擾、保密性強(qiáng)等特點，可應(yīng)用于傳輸距離長、功率低的場合［1-3］，有利于提高知名中醫(yī)門診量，也方便為居民提供中醫(yī)治病的服務(wù)［4］。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

中醫(yī)家庭醫(yī)生服務(wù)系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由多個LoRa節(jié)點組成，LoRa節(jié)點采集用戶的體溫、脈搏等參數(shù)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由中繼模塊及網(wǎng)關(guān)模塊組成，中繼模塊通過LoRa網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)再通過LoRa網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)模塊將數(shù)據(jù)匯總、處理。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為云平臺服務(wù)中心，通過以太網(wǎng)接收網(wǎng)關(guān)模塊的信息，醫(yī)生可通過手機(jī)、電腦終端等訪問云平臺服務(wù)中心查詢用戶的信息，并對用戶的身體狀況做出診斷，用戶可通過訪問云平臺服務(wù)中心查詢，實現(xiàn)中醫(yī)家庭醫(yī)生遠(yuǎn)程問診服務(wù)，也可提供中醫(yī)治病的服務(wù)。一個云平臺服務(wù)中心可使用以太網(wǎng)通信的方式接入多個網(wǎng)關(guān)模塊。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計總圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路設(shè)計

本系統(tǒng)電路為LoRa節(jié)點的電路，主要包括電源模塊、傳感器模塊、單片機(jī)模塊、RS-485模塊及LoRa模塊，實現(xiàn)了將采集到的用戶信息發(fā)送至中繼模塊。傳感器模塊包括脈搏檢測模塊、體溫檢測模塊等，脈搏檢測模塊采用MAX30102，可測量出用戶的脈搏血氧飽和度和脈搏，該傳感器具有測量快速、實時等特點，在臨床上被廣泛使用；體溫檢測模塊采用DS18B20，用于檢測用戶的體溫，該芯片與單片機(jī)模塊采用單總線的連接方式，該傳感器具有容易組建傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點。LoRa節(jié)點電路示意圖如圖2所示。

圖2 LoRa節(jié)點電路示意圖

LoRa模塊采用無線模塊LSD4RF-2F717N30，該模塊是基于射頻集成芯片SX127X的物聯(lián)網(wǎng)無線收發(fā)器，芯片具有小體積、低功耗、強(qiáng)抗干擾能力、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c，能夠?qū)崿F(xiàn)將無線網(wǎng)絡(luò)快速部署和數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集［5-6］，LSD4RF-2F717N30核心電路如圖3所示。

圖3 LSD4RF-2F717N30核心電路

單片機(jī)模塊采用STM32F030C6T，主要用于接收傳感器模塊采集的信息并將信息通過Lo-Ra模塊發(fā)送至中繼模塊。該芯片的工作電壓為2.0～3.6V，內(nèi)有64KB的SRAM和512KB的Flash等資源，可用于醫(yī)療、通信等領(lǐng)域，STM32F030C6T與LSD4RF-2F717N30芯 片 的 連 接電路如圖4所示。

圖4 STM32F030C6T與LSD4RF-2F717N30芯片連接電路圖

RS-485電路采用芯片MAX3456，芯片通過RO及DI引腳分別與STM32F030C6T的U1_RX、U1_TX引腳相連接，用于采集傳感器模塊采集的信息。RS-485電路連接如圖5所示。

圖5 RS-485電路連接圖

2.2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)電路設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)電路設(shè)計包括中繼模塊電路設(shè)計和網(wǎng)關(guān)模塊電路設(shè)計。網(wǎng)關(guān)模塊包括單片機(jī)模塊、電源模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊及LoRa模塊，單片機(jī)模塊采用STM32F030C6T，LoRa模塊采用LSD4RF-2F717N30，網(wǎng)關(guān)模塊示意圖如圖6所示。

圖6 網(wǎng)關(guān)模塊示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 LoRa節(jié)點軟件設(shè)計

啟動LoRa模塊后，當(dāng)接收到結(jié)束字節(jié)時，數(shù)據(jù)經(jīng)添加幀頭、幀尾后，通過LoRa網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至中繼模塊，實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的發(fā)送，LoRa節(jié)點流程如圖7所示。

圖7 LoRa節(jié)點流程圖

3.2 中繼模塊設(shè)計

啟動LoRa模塊后，當(dāng)接收到結(jié)束字節(jié)時，數(shù)據(jù)經(jīng)濾除幀頭、幀尾后，再通過網(wǎng)關(guān)模塊將數(shù)據(jù)傳送給云平臺服務(wù)中心，實現(xiàn)中繼模塊數(shù)據(jù)的發(fā)送。

4 系統(tǒng)測試及分析

4.1 功能檢測

本設(shè)計是在每個LoRa節(jié)點都安裝有傳感器模塊，在LoRa節(jié)點附近安裝一個中繼模塊。中醫(yī)家庭醫(yī)生服務(wù)系統(tǒng)的實現(xiàn)過程是：LoRa節(jié)點將采集到的用戶檢測信息，如體溫、脈搏、血糖、血壓等參數(shù)發(fā)送至中繼模塊，組網(wǎng)后，中繼模塊通過LoRa網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送至網(wǎng)關(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)模塊將數(shù)據(jù)匯總、處理后，將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送至云平臺服務(wù)中心，醫(yī)生可通過手機(jī)、電腦等終端訪問云平臺服務(wù)中心查詢當(dāng)前用戶身體情況的信息，網(wǎng)頁顯示檢測信息，用戶選擇檢測項目名稱來查詢數(shù)據(jù)。

4.2 系統(tǒng)測試

為了測試LoRa節(jié)點之間數(shù)據(jù)可傳輸距離，隨機(jī)選取A、B兩個節(jié)點，波特率設(shè)為9.6kbps。發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)的間隔為0.5s。當(dāng)A、B兩個節(jié)點同時匹配天線增益為5dBi，檢測距離分別選取210m、430m、870m、1280m、1610m、1920m、2110m，連續(xù)收發(fā)2萬個數(shù)據(jù)包時，統(tǒng)計LoRa網(wǎng)絡(luò)的丟包率；當(dāng)A、B兩個節(jié)點同時匹配增益為3dBi，檢測距離分別選取210m、430m、560m、590m、620m、640m、700m、940m時，統(tǒng)計LoRa網(wǎng)絡(luò)的丟包率。測試數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 LoRa網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率測試結(jié)果（5dBi）

表2 LoRa網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率測試結(jié)果（3dBi）

實驗數(shù)據(jù)表明，在天線增益相同時，傳輸距離越遠(yuǎn)，LoRa網(wǎng)絡(luò)的丟包率越大；天線增益不同時，天線增益越大，相同的傳輸距離，LoRa網(wǎng)絡(luò)的丟包率越小。

5 結(jié)語

基于LoRa技術(shù)的中醫(yī)家庭醫(yī)生服務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)間的實時數(shù)據(jù)通信。分析表明：系統(tǒng)容易組網(wǎng)，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，能基本解決中醫(yī)家庭醫(yī)生的遠(yuǎn)程診斷技術(shù)難題，還能提供中醫(yī)治未病的服務(wù)，可為我國中醫(yī)家庭醫(yī)生開展簽約服務(wù)提供借鑒。