Linux平臺下遠程多生理參數監護系統的實現

劉繼忠，王保磊，黃 翔，陳海初，張 華

（1.南昌大學 機器人研究所，江西 南昌 330031；2.撫州職業技術學院 機電系，江西 撫州 344000）

Linux平臺下遠程多生理參數監護系統的實現

劉繼忠1，王保磊1，黃 翔2，陳海初1，張 華1

（1.南昌大學 機器人研究所，江西 南昌 330031；2.撫州職業技術學院 機電系，江西 撫州 344000）

利用新一代通信網絡GPRS（General Packet Radio Service）與IP網絡的無縫接入設計了一種人體多生理參數遠程監護系統。系統采用CSN808傳感器模塊，基于嵌入式Linux平臺，實現心電波、血壓、體溫、脈搏和血氧飽和度等5大生理參數實時監測，具有參數異常報警功能。測試表明：系統能夠穩定、準確、實時監測顯示各項生理參數，適用于家庭護理、醫院等場合。

生理參數；網絡傳輸；無線通信；嵌入式

近年來，隨著網絡和設備技術的發展，數字家庭的網絡化、信息化、智能化成為業內的發展方向[1]。本文設計的遠程人體生理參數監護系統可用于家庭監護，也為家庭智能管理如遠程控制、遠程查詢、管理與監控、遠程維護、家庭能源管理、遠程集中抄表等提供了借鑒[2]。因為目前基于PC的監護儀不但價格昂貴，不方便移動使用，且只能適用于類似醫院的固定場所。因此很多患慢性病且具有自由活動能力的人會被現有的監護方式束縛在醫院和病床上[3]。另外，現在看病專家難預約的問題也較為突出。針對這些問題，利用移動通信技術與嵌入式系統平臺設計了一種遠程多生理參數監護系統，通過網絡傳輸到遠程監護中心以供遠程診斷，具有參數異常報警功能，功能強大、便攜移動。并且目前生理參數的監護已成為生物醫學工程領域的研究熱點[4]。

1 硬件設計

多生理參數采集系統硬件結構如圖1所示，CSN808的5個傳感器模塊實現心電波（ECG）、無創血壓（NIBP）、血氧飽和度（SPO2）、脈搏和體溫參數的數據采集，并按照RS-232協議，由串口向主控模塊發送生理參數數據包[5]。主控模塊選用三星公司的S3C2440作為主控芯片，該芯片是以ARM作為架構的ARM920T的微處理器核心[6]，支持嵌入式Linux系統、NAND Flash、網卡等，具有主頻高、低功耗等優點。GPRS通信模塊選擇BENQ M22與ARM串口通信。在應用M22時需要注意電源匹配，M22的VBAT電源管腳電壓范圍是3.4～4.5 V，模塊在發送數據時電流消耗較大，峰值電流可能達到2 A，所以電源一定要能夠提供2 A以上的電流。

2 軟件設計

系統軟件主要包括本地監護終端程序和遠程監護中心程序。本地終端程序完成對數據的采集、分析、補償，并將數據傳遞到用戶空間的地址中；應用程序通過發送AT指令使數據發往遠程監護中心。監護中心主要是接收數據并校準、實時顯示。

2.1 本地監護終端程序的設計

2.1.1 采集模塊通信協議的約定

獲取傳感器數據的關鍵是約定好通信協議，系統中CSN808傳感器模塊與ARM采用RS-232串行數據發送，約定19 200 baud、8位數據位、1位停止位、無奇偶校驗位，發送數據以每秒2個數據包（50 byte）的形式進行發送。ARM端收到的數據包如表1所示，表1以溫度數據為例說明。前兩行與后兩行數據分別代表讀取一次溫度傳感器的信息。每一行代表一個數據包，其中55 AA為數據包頭。系統能同時讀取兩路溫度傳感器的數據，在參數命令字節中0D與2F分別表示一路溫度傳感器。進一步分析可知，CSN808是輪詢所有傳感器模塊的，這樣保證每個傳感器模塊能得到及時響應。在測試時，由于只連接了一路溫度傳感器，對比兩次讀取的數據發現只有0D路傳感器溫度值變化，將讀取的值分離出來，用公式（DATA+200）/10可換算成攝氏溫度。分析所有收到的數據可知，傳感器上電后，第一次發出的數據是不準確的，應該舍棄掉，從而保證實測數據的準確性。

表1 ARM端收到的數據包格式

2.1.2 GPRS接入Internet的通信實現

GPRS是在現有GSM網絡基礎上發展起來的分組交換系統，并與互聯網Internet相聯。如圖2所示，GPRS網絡主要由在GSM基站中新增加的GPRS業務節點組成。信息數據先通過GPRS調制解調器與當地的GSM基站中的GPRS業務節點進行無線通信并進入GPRS網絡，然后通過GPRS網關與Internet進行數據交互。采用GPRS方式接入Internet在鏈路層采用的是PPP（Point to Point Protocol）協議[7]。PPP協議又分3個子協議[8]：鏈路控制子協議LCP（Link Control Protocol）用于設定、測試并建立數據鏈路；PAP（Password Authentication Protoco）子協議認證用戶名和密碼；網絡控制子協議NCP（Network Core Protocol）設IP為控制協議IPCP（IP Control Protocol）。發起連接后經LCP，PAP和NCP執行，PPP協商成功后系統成功遠程登入Internet，并得到GPRS網關分配給自己的A類IP。具體實現指令為：

需要注意的是，GPRS模塊與監護中心PC通過Internet連接，每次都必須是GPRS模塊發起請求，并且連接地址必須是公網IP。這樣PC機才會獲得GPRS的IP及用于通信的端口號。

2.1.3 兩端Socket通信實現

在監護中心下建立Socket描述符，填充Socketaddr結構體、bind描述符到IP地址。核心代碼如下：

然后發起listen偵聽連接請求。等待GPRS終端發起connnet連接請求，進行通信。當連接成功后，GPRS終端就可以作為一個獨立的Internet主機與監護中心通過TCP/IP協議進行通信。

2.2 遠程監護中心程序的設計

在監護終端主要是動態顯示心電波、無創血壓、血氧飽和度、脈搏和體溫參數，程序流程圖如圖3所示。由于系統是多參數采集，需要畫出的波形有6路（5路ECG波形和1路SPO2波形），如果在主線程中進行大量的讀寫串口及顯示操作，將會使系統處于假死狀態，嚴重影響實時顯示，因此系統采用多線程技術，進行模塊化編程處理。軟件采用3級結構解決了假死問題，流暢地實現了串口數據的讀取：

1）讀線程負責監控串口事件；

2）回調函數通知主線程數據分析，然后通過信號槽機制連接到繪圖處理函數；

3）進一步處理數據，終端顯示參數與繪制波形等。

由于在Qt通信機制中是利用串口是以ASCLL碼的形式收發數據的，而對收到的數據處理格式及發送的命令格式都是數據串（QString）格式的，所以在發送及接收數據時要進行數據格式轉換。接收數據時主要依賴函 數 QString（"%1"）.arg（outChar＆0xFF，2，16，QLatin1Char（'0'）），將接收的數據outChar轉換為十六進制數用于后續處理。在發送數據時依賴函數ConvertHexChar（char ch）將字符串轉換為相應十六進制數，利用函數String2Hex（QString str，QByteArray ＆senddata）將相應十六進制數轉換為ASCLL碼。

在終端顯示界面中，本文主要介紹心電波的顯示。每路波形一次允許顯示25個數據，定義了5個ECG數組用于保存接收到的波形數據，當數組元素個數大于2時開始繪圖，當數組存滿時，將數組的數據同時右移一位，此時數組的首位元素為空將被用來更新數據。核心代碼為：

以上三句分別指明了建立對象、創建線程、連接槽函數。在槽函數里有啟動線程的操作，然后開始畫波形，畫波形的核心函數為void SahuWaveScene：：drawWave（）。在繪制出心電波形后，要對波形校準，使其符合醫學標準。方法為：把標準波形輸入串口，將系統繪制的波形與之對比，得出偏差值，調整坐標系，微調系統波形。

3 實驗分析

3.1 超閾值報警分析

初次使用系統時，需要設置報警的參數，系統以文件的形式將參數保存并作為默認的參數使用，直到更新新的參數需要重設。圖4為報警參數設置對話框，其中NIBP為血壓報警參數，RESP為呼吸頻率的報警參數。這兩個參數的設置要參考醫學的正常范圍，本系統設置如圖4a所示。當超出設定的值時會觸發本地報警。點擊More按鈕，顯示一個phone number設置模塊，如圖4b所示。發起GPRS端的撥號連接，目的是實現遠程報警，使得遠程監護中心的護理人員及時處理異常事件。

3.2 參數顯示分析

遠程多生理參數采集系統交互顯示界面如圖5所示。中間5路顯示為心電波形，測試時連接了3路（醫學上稱為I，III，AVR）。右側為體溫1和體溫2雙體溫通道參數（針對如腋下、舌下或額頭等），溫度采集連接了1路。血壓參數包括收縮壓、舒張壓以及袖帶壓力CUFF，其中袖帶壓力CUFF是隨著血壓測量過程始終變化的，直至血壓測量結束；收縮壓與舒張壓是在測量結束后經過計算得來的值，所以這兩個參數是在血壓模塊測量結束后顯示。體溫數值、收縮壓、舒張壓數值實驗結果如圖5a右邊所示，血氧飽和度波形如圖5b所示。

將系統接收到的5路心電數據進行線性擬合，通過MATLAB建模，得到實測波形與標準波形的仿真圖，通過圖6可知實測得到的波形數據與醫學標準波形吻合，偏差在可接受的范圍內，完全能夠正確反映人體生理參數情況。通過實驗證明，該系統能長期、穩定、可靠的工作。

4 結語

在嵌入式操作系統Linux平臺下，基于GPRS無線通信技術，通過網絡數據傳輸，采用多線程技術及3級軟件架構，設計了遠程多生理參數監護系統。系統解決了現有PC監護儀不便攜、無法遠程診斷的問題。實現了本地報警和遠程報警。并通過建模仿真，驗證了實測波形與醫學標準波形的吻合性。經實驗證明，系統具有功耗低、功能強、準確度高、實時性好、價格便宜、便攜性強等優點，適合家庭個人監護及現場救助監護需要，并且可以為數字家庭中網絡互連、遠程傳輸等提供技術借鑒。

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[1] 丁森華，李學偉，張乃光，等.數字家庭標準綜述與應用分析[J].電視技術，2012，36（14）：28-32.

[2] 田玉靜.淺議數字家庭[J].電視技術，2007，31（8）：54-55.

[3] 譚國模.無線移動網絡多參數遠程監護系統的研究[D].重慶：重慶大學，2006.

[4] STEPHANE M.The current state of telemonitoring：A comment on the literature[J].Telemedicine and E-heahth，2005，11（1）：63-69.

[5] 趙玉曉，徐志玲，唐川，等.醫院患者無線監控系統的軟件設計[J].實驗室科學，2011，14（1）：100-102.

[6] 鄭靈翔.嵌入式系統設計與應用開發[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[7] 周健，周杏鵬，周強，等.嵌入式系統基于GPRS的Internet無線接入設計[J].儀表技術與傳感器，2005（12）：27-28.

[8] 趙鋒，王艷瑋，范建華，等.GPRS終端撥號上網連接認證注冊全過程研究[J].計算機工程與應用，2004（23）：158-160.

黃 翔（1957—），副教授，主要研究方向為機電一體化技術；

陳海初（1978—），副教授，主要研究方向為智能機電系統；

張 華（1964—），教授，主要研究方向為機器人技術等。

Design of Embedded Multiple Physiological Parameters Monitoring System Based on Linux Platform

LIU Jizhong1，WANG Baolei1，HUANG Xiang2，CHEN Haichu1，ZHANG Hua1

（1.Institute of Robotics，Nanchang University，Nanchang 330031，China；2.Fuzhou Vocational&Technical College，Jiangxi Fuzhou 344000，China）

Taking use of a new generation of communication network GPRS（General Packet Radio Service）and IP network seamless access,a multiple physiological parameters monitoring system is designed，which is based on a CSN808 sensor module and constructed Linux system platform.Five physiological parameters of blood pressure，temperature，heart wave，and blood oxygen saturation can be monitored by the system.When the measured parameters are over or below the patient＇s normal range of values，it can trigger alarm.Experiments show the system can monitor and display the parameters steadily and real-timely with its portable advantage in size.

physiological parameter；network transmission；wireless communication；embedded system

TP216；TN92

A

【本文獻信息】劉繼忠，王保磊，黃翔，等.Linux平臺下遠程多生理參數監護系統的實現[J].電視技術，2013，37（14）.

國家自然科學基金項目（50905083；61273282）；江西省科技支撐計劃項目（2008BA00400）

劉繼忠（1974—），副教授，主要研究方向為智能機電系統與機器人技術；

王保磊（1987—），碩士生，主要研究方向為嵌入式驅動開發，為本文通信作者；

責任編輯：時 雯

2012-10-16