王穎 李勝旭 張翠萍

摘要：針對醫(yī)學(xué)院校的專業(yè)性特征，福建中醫(yī)藥大學(xué)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺從嵌入式基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺、醫(yī)用物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景平臺兩方面進(jìn)行教學(xué)和實(shí)踐。福建中醫(yī)藥大學(xué)在已開設(shè)的醫(yī)用物聯(lián)網(wǎng)理論課程基礎(chǔ)上，新增了結(jié)合嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、射頻技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實(shí)訓(xùn)平臺，有助于提高醫(yī)用物聯(lián)網(wǎng)課程的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)水平，循序漸進(jìn)培養(yǎng)學(xué)生醫(yī)用物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)踐開發(fā)技能。

關(guān)鍵詞：醫(yī)用物聯(lián)網(wǎng)；實(shí)訓(xùn)平臺建設(shè)；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號：TP315? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）34-0105-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是指基于互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)等信息載體，把任何物品通過信息傳感設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)相連接，物體按照約定的協(xié)議進(jìn)行信息交換和通信，可以實(shí)現(xiàn)智能化識別、監(jiān)控、跟蹤和管理等功能[1]。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于中醫(yī)藥領(lǐng)域、中醫(yī)診療、中醫(yī)理療護(hù)理、臨床實(shí)踐等領(lǐng)域，能夠使醫(yī)學(xué)治療、醫(yī)學(xué)服務(wù)與醫(yī)學(xué)管理更加智能化。因此，實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)交叉應(yīng)用以及應(yīng)用創(chuàng)新[2]，對于福建中醫(yī)藥大學(xué)建設(shè)醫(yī)用物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺有著現(xiàn)實(shí)意義。

物聯(lián)網(wǎng)從技術(shù)架構(gòu)上分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[3]，物聯(lián)網(wǎng)的整理框架如圖1所示。

感知層位于物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)中的最底層，是采集信息的來源，它的主要功能是識別和采集信息[4]。感知層由各種傳感器設(shè)備構(gòu)成，包括光敏傳感器、二維碼標(biāo)簽、射頻識別標(biāo)簽和讀寫器、氣體濃度傳感器、全球定位傳感器等感知終端[1]。

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息，是物聯(lián)網(wǎng)的中間層，主要解決感知層與上位機(jī)之間長距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}[5]。其由互聯(lián)網(wǎng)、有線通信網(wǎng)、無線通信網(wǎng)和各種私有網(wǎng)絡(luò)等不同的網(wǎng)絡(luò)連接形式組成[6]。云計(jì)算平臺作為海量感知數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析平臺，通過網(wǎng)絡(luò)層傳輸接收到各種感知信息，并實(shí)現(xiàn)信息的交互共享和有效處理，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)終端系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)透明傳送。

應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，是感知層和網(wǎng)絡(luò)層的具體體現(xiàn)，它與行業(yè)需求相結(jié)合，提供了豐富的智能應(yīng)用。

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)這三種層次的劃分方式，福建中醫(yī)藥大學(xué)結(jié)合醫(yī)藥院校的特色，在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。

1 福建中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)用物聯(lián)網(wǎng)課程建設(shè)存在的問題

福建中醫(yī)藥大學(xué)信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)融合新工科、新文科、新醫(yī)科建設(shè)理念，專業(yè)定位于培養(yǎng)具有醫(yī)藥特色、掌握信息管理和信息系統(tǒng)開發(fā)技能的跨學(xué)科專業(yè)人才。即培養(yǎng)具備良好信息管理與分析能力、豐富信息技術(shù)專業(yè)知識及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技能，掌握醫(yī)藥信息系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)、實(shí)施和管理。在課程建設(shè)中，福建中醫(yī)藥大學(xué)開設(shè)了醫(yī)用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的課程，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生具有智能醫(yī)學(xué)應(yīng)用方案設(shè)計(jì)、智能醫(yī)療治療系統(tǒng)搭建以及系統(tǒng)測試等綜合能力[7]。但因?yàn)槿狈ξ锫?lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺，教師授課只能進(jìn)行理論教學(xué)。然而，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是通過各種硬件設(shè)備進(jìn)行支撐的，因此，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺對提高福建中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)用物聯(lián)網(wǎng)課程的理論及實(shí)踐教學(xué)水平、提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力起到極大的作用。

2 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺設(shè)備配置的規(guī)劃建設(shè)

實(shí)訓(xùn)平臺規(guī)劃從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合應(yīng)用場景實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方向分別配置實(shí)驗(yàn)設(shè)備?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)包括掌握嵌入式微處理器的各個(gè)接口及功能模塊應(yīng)用、傳感器信息采集、RFID射頻識別以及多種嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信模塊的使用，為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)研究及應(yīng)用創(chuàng)新提供信息平臺支持[8]。醫(yī)用物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景實(shí)驗(yàn)包括醫(yī)療應(yīng)用和醫(yī)療管理兩方面，將物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層形成一個(gè)連貫的知識體系應(yīng)用在每個(gè)實(shí)際場景實(shí)驗(yàn)中，綜合硬件終端、軟件系統(tǒng)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景設(shè)計(jì)的研究和學(xué)習(xí)。圖2為物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺建設(shè)方案。

2.1 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)建設(shè)

物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主控芯片選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F4微控制器STM32F429IGT6型號，這是款高性能、低成本、低功耗的為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的ARM CortexM3內(nèi)核微控制器，采用176引腳LQFP封裝，頻率高達(dá)180MHz，內(nèi)置1024KB的閃存，256KB的SRAM，140個(gè)GPIO接口，24通道的12位ADC接口，12位DAC通用DMA，10個(gè)通用計(jì)時(shí)器、兩個(gè)高級控制計(jì)時(shí)器和兩個(gè)基本計(jì)時(shí)器。

由于本校信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)無須讓學(xué)生詳細(xì)掌握微控制器的所有接口驅(qū)動(dòng)操作和編程技能，只須讓學(xué)生掌握如何使用微控制器獲取數(shù)據(jù)，并通過有線或無線的通信方式傳輸至上層應(yīng)用軟件，使用上層應(yīng)用軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析等應(yīng)用。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)包括片上基礎(chǔ)資源的實(shí)驗(yàn)、外接傳感器模塊的數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)、RFID射頻卡識別實(shí)驗(yàn)以及無線通信實(shí)驗(yàn)這四部分實(shí)驗(yàn)。

其中，微處理器芯片的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如表1所示，片上基礎(chǔ)資源的實(shí)驗(yàn)包括GPIO接口輸入輸出實(shí)驗(yàn)，時(shí)鐘系統(tǒng)和SysTick定時(shí)器實(shí)驗(yàn)，UART串口通信實(shí)驗(yàn)，SPI總線接口實(shí)驗(yàn)以及PWM輸出實(shí)驗(yàn)。通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備有形象的認(rèn)識和真實(shí)的體驗(yàn)感，并將學(xué)到的理論知識應(yīng)用于實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作。比如，通過第一個(gè)實(shí)驗(yàn)：GPIO接口輸出實(shí)驗(yàn)的LED跑馬燈，學(xué)生可以學(xué)會(huì)使用KEIL軟件編譯環(huán)境和ST-LINK下載器燒寫程序或在線調(diào)試，學(xué)會(huì)查看簡單的電路原理圖，通過查看STM32數(shù)據(jù)手冊的IO口定義設(shè)置寄存器來控制數(shù)據(jù)的流向。

傳感器模塊實(shí)驗(yàn)，主要有溫度傳感器、濕度傳感器、紅外傳感器、重量傳感器、聲音傳感器、光強(qiáng)傳感器、氣體傳感器等基礎(chǔ)功能傳感器模塊的應(yīng)用[9]。通過各類傳感器模塊的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握STM32微處理器的常用總線接口使用，部分傳感器模塊如表2所示。

STM32微處理器的軟件編程，主要使用匯編語言和C語言，學(xué)生只須掌握C語言的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)使用模塊化編程，各個(gè)接口的驅(qū)動(dòng)程序已封裝在庫函數(shù)里，學(xué)生無須從零開始學(xué)習(xí)接口驅(qū)動(dòng)編程，只須學(xué)會(huì)如何通過查找手冊使用相應(yīng)的接口函數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送接收、設(shè)置與獲取，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

2.2 醫(yī)用物聯(lián)網(wǎng)場景實(shí)驗(yàn)的建設(shè)

醫(yī)用物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺的建設(shè)，選用典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例為參考模型[5]，自建模擬的醫(yī)用物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，使用STM32微處理器或樹莓派4B為主控器，使用C語言和Python編程，通過醫(yī)療、管理兩個(gè)方面建設(shè)應(yīng)用場景，如圖3所示。

通過醫(yī)用物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以學(xué)會(huì)人體生理參數(shù)傳感器模塊的知識和應(yīng)用；學(xué)會(huì)將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的傳感器模塊綜合應(yīng)用于實(shí)際醫(yī)療場景或改進(jìn)管理效率；學(xué)會(huì)智能控制的相關(guān)基礎(chǔ)知識，如路徑規(guī)劃自動(dòng)導(dǎo)航、雷達(dá)掃描動(dòng)態(tài)避障、電機(jī)控制車輪移動(dòng)、方向控制、機(jī)械臂控制，建圖導(dǎo)航、激光雷達(dá)掃描建圖、路徑規(guī)劃、視覺識別目標(biāo)追蹤、人機(jī)語音交互控制、跨平臺互聯(lián)操縱以及AI深度學(xué)習(xí)等。學(xué)生通過了解如何將多個(gè)傳感器或硬件功能組合起來，可以實(shí)現(xiàn)智能聯(lián)動(dòng)控制和監(jiān)測的系統(tǒng)。醫(yī)用物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺能夠提高學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)知度，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

每個(gè)場景實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，按照物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層進(jìn)行構(gòu)建。學(xué)生可以結(jié)合理論知識，實(shí)際動(dòng)手搭建醫(yī)療場景設(shè)備并進(jìn)行軟硬件編程開發(fā)，掌握物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基本操作。比如，圖4所示的人體生理參數(shù)檢測系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層組成。感知層的單片機(jī)設(shè)備負(fù)責(zé)采集病患的生理指標(biāo)信息，檢測內(nèi)容感知模塊有：體溫傳感器、血氧傳感器、心率傳感器、紅外脈搏傳感器、呼吸波傳感器、血壓傳感器、心電傳感器。網(wǎng)絡(luò)層采用有線通信或無線通信兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。有線連接采用RS232串口通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；無線連接采用4G模塊通過MQTT協(xié)議的發(fā)布/訂閱體系架構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可滿足分布式通信需求。感知層設(shè)備采集到的信息以發(fā)布的方式傳輸給上位機(jī)，并通過訂閱的方式接收上位機(jī)發(fā)送的采集或閾值設(shè)置等控制指令。應(yīng)用層采用電腦終端的可視化顯示界面，顯示采集到的生理指標(biāo)信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析展示和設(shè)置預(yù)警監(jiān)測。

3 結(jié)束語

福建中醫(yī)藥大學(xué)信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)是醫(yī)學(xué)與計(jì)算機(jī)類專業(yè)的交叉學(xué)科，其在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教學(xué)定位與計(jì)算機(jī)專業(yè)有所區(qū)別。醫(yī)用物聯(lián)網(wǎng)課程相比計(jì)算機(jī)專業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)的硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和傳感器原理等專業(yè)知識的授課深度會(huì)稍微淺顯些，更側(cè)重物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)方面的綜合應(yīng)用。課程通過提升學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐操作的能力，使學(xué)生能夠有效地將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在醫(yī)學(xué)技術(shù)上，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力去解決醫(yī)學(xué)診療、服務(wù)和管理中遇到的問題。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺也給學(xué)生提供了一個(gè)系統(tǒng)學(xué)習(xí)嵌入式技術(shù)的實(shí)踐開發(fā)平臺，可以讓學(xué)生循序漸進(jìn)從嵌入式軟硬件基礎(chǔ)知識入門，再深入掌握嵌入式在物聯(lián)網(wǎng)中的綜合應(yīng)用，以滿足企業(yè)對嵌入式研發(fā)工程師人才的需求，增加學(xué)生就業(yè)崗位的選擇和提升學(xué)生的就業(yè)競爭力。

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