面向醫療大數據平臺的異構網絡網關的設計

樸 雪 張 立 俞 嘯 趙 強

(徐州醫學院醫學信息學院,江蘇 徐州 221000)

面向醫療大數據平臺的異構網絡網關的設計

樸 雪 張 立 俞 嘯 趙 強

(徐州醫學院醫學信息學院,江蘇 徐州 221000)

在醫療大數據背景下，為了解決醫院中傳感器網絡和其他異構網絡之間數據交互、融合、統一處理的問題，設計了面向醫療大數據平臺的異構網絡網關。網關系統由數據交匯處理中心、以太網接入點、ZigBee網絡接入點、WiFi網絡接入點、藍牙網絡接入點等構成。以STM32F103VET6為主處理器，對網關節點進行硬軟件設計。首先，根據各異構網絡信號的特點，設計接入點的驅動電路；其次，在各異構網絡協議標準的基礎上，設計網關節點的軟件，通過任務調度算法實時獲取與轉發數據；最后，為提高系統的魯棒性，采用差錯處理機制。測試結果表明，網關系統穩定、數據處理能力強。

STM32 異構網絡 綜合接入網關 任務調度 差錯處理 醫療大數據

0 引言

近年來，隨著醫院信息化進程的不斷推進，醫院中出現了各種有線、無線的網絡，包括WiFi、以太網、藍牙、Z-Wave、ZigBee等無線自組織網絡[1-2]。在這種情況下，要實現異構網絡之間安全、高效地協同工作，需要支持統一數據標準的網關接入平臺。

芯片技術、通信技術的不斷發展為網關的研發提供了技術支撐，文獻[3]設計了一種基于以太網和移動通信系統的智能家居綜合接入網關；文獻[4]闡述了一種基于ZigBee與GPRS交互通信的網關；文獻[5]開發了基于ZigBee-WiFi技術的農林業信息采集系統網關；文獻[6]提出了一種基于STM32處理器的面向建筑能源系統的網關；文獻[7]設計了一種以S5PV210為主處理器，礦井專用的綜合接入網關。本文結合芯片技術、軟件設計技術、通信技術，設計了醫用綜合接入網關。

1 系統整體架構

綜合接入網關主要由數據交匯處理中心、以太網接入點、ZigBee網絡接入點、WiFi網絡接入點、藍牙網絡接入點、Z-Wave網絡接入點等構成。網關的整體架構如圖1所示。其中，數據交匯處理中心選用意法半導體公司的STM32F103VET6作為主處理器[8]，該款處理器采用ARM架構的Cortex-M3內核，具有數據處理能力強、綜合性能優越、低成本、低功耗等特點。當ZigBee網絡、WiFi網絡等的終端節點需要與異構網絡進行數據交互時，會通過有線或無線的方式先將數據轉發到本網絡在綜合網關上的接入點，然后由接入點將數據推送給綜合接入網關數據交匯中心，數據交匯中心在對數據進行解析、處理后將數據轉發到指定的網絡中。

系統架構中，綜合接入網關數據交匯中心是信息傳輸樞紐。一方面，它能夠實現對各異構網絡數據的匯聚、處理、轉發功能，形成異構網絡統一的數據中轉標準；另一方面，作為異構網絡的管理平臺，它還能起到監管異構網絡、保障網絡數據傳輸暢通的作用。

圖1 系統整體架構

2 網關硬件設計

綜合考慮網關的處理能力、存儲能力、通信方式等要求，網關的硬件結構如圖2所示，其主要包括各網絡接入模塊、存儲器模塊、電源管理模塊、指示模塊、調試模塊等。主處理器STM32F103VET6定時采集各網絡接入模塊轉發的數據，在接收到數據包后，對數據進行分析、處理，并將其轉發到數據源指定的網絡終端。STM32F103VET6主頻可達72 MHz，可在其平臺下進行嵌入式操作系統的移植。存儲器模塊包括2片Samsung公司生產的K4S561632D-TC/L75 SDRAM，以及NOR Flash存儲器，能夠滿足系統對存取速度和存儲容量的要求。此外，綜合接入網關也可以響應按鍵事件，以達到對網關進行配置和調試的目的。

圖2 網關硬件框架

2.1 藍牙網絡接入點設計

藍牙網絡接入點以CC2540為核心處理部分，包括：晶振電路、藍牙阻抗匹配電路、藍牙印制天線、電源電路以及通信接口電路等，系統框圖如圖3所示。CC2540是德州儀器最近推出的符合藍牙4.0標準的單模芯片，CC2540芯片的載波頻率范圍是2 400～2 483.6 MHz的ISM頻段。CC2540芯片還具有固件實時更新功能，數據可片上存儲高達+97 dB的長距離通信鏈路預算。CC2540芯片運行時具有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，能保障芯片工作穩定[9]。

圖3 藍牙模塊硬件框架

2.1.1 電源部分與時鐘電路設計

CC2540芯片需要設計兩個時鐘電路，其中一個時鐘電路采用1個工作頻率為32 MHz的石英晶振和2個電容實現，石英晶振接芯片管腳22和23；另一個時鐘電路由1個工作頻率為32.768 kHz的石英晶振和2個電容實現，32.768 kHz的石英晶振接接芯片管腳32和33。CC2540芯片的數字電源管腳與模擬電源管腳應就近接濾波電容。CC2540芯片片內有1.8 V穩壓器，可為所需電路提供穩定的電壓。該穩壓器需連接一個去耦電容以提高電源工作的穩定性，具體在電路設計中可以通過CC2540芯片管腳40接一個1 μF的電容來實現。預留所有P0、P1、P2口信號管腳、電源信號管腳以及復位信號管腳，方便擴展。

2.1.2 藍牙射頻阻抗匹配電路設計

藍牙天線的輸入阻抗ZL與藍牙芯片的輸入阻抗ZS可以表示為：

ZL=RL+jXL

(1)

ZS=RS-jXS

(2)

式中：RL為藍牙印制天線阻抗實部，jXL為虛部；RS為藍牙芯片阻抗實部，jXS為虛部。

藍牙天線的輸入阻抗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)

網關中藍牙模塊阻抗匹配電路的設計采用電容和電感等分立元件，實現藍牙射頻信號的阻抗匹配。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，以實現與射頻輸出信號的最佳傳輸功能。U與J分別是印制倒F天線和迷你SMA接口，當使用印制倒F天線時，可用貼片器件R252實現；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器件實現，此時R252焊盤不能焊接器件[12]。由于電路在工作時對藍牙電磁性能的影響極其復雜，不可能保證所設計的天線在實際工作時阻抗虛部jXL接近0 Ω，因此實際工作中的2個0 Ω電阻(R251、R252)可根據現場情況接入適當的高頻電抗器件，實現電路調試時的阻抗匹配。

圖4 阻抗匹配電路原理圖

2.2 ZigBee、WiFi、Z-Wave網絡接入點設計

ZigBee網絡接入點采用TI公司的CC2530核心射頻板，網關上的CC2530核心射頻模塊配置成協調器節點，并在Z-Stack協議棧的基礎上組建ZigBee無線傳感器網絡。TI公司的CC2530核心射頻模塊具備2.4 GHz IEEE 802.15.4 的RF收發器，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4.5 dBm，只需極少的外接元件即可滿足網狀網絡系統的需要[13-14]。WiFi網絡接入點采用HLK-RM04支持全透明雙向數據傳輸的WiFi模塊，并配置為AP模式。該模塊集成10/100 M自適應以太網口，串口通信最高波特率可達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等網絡協議，Z-Wave網絡接入點采用ZM3102核心射頻模塊，將其配置成控制節點，ZM3102核心射頻模塊具有數據傳輸可靠、低功耗、組網簡單靈活等特點，能夠組建穩定的Z-Wave無線網絡。

3 網關軟件設計

網關節點的工作流程如圖5所示。在給網關節點供電后，各異構網絡的接入點首先進行硬件電路的初始化，主要包括各異構網絡接入點電源管理部分電壓的轉換，啟動時鐘電路，主處理器的外驅動電路的初始化；然后執行各自的網絡初始化任務，初始化網絡配置，組建或者加入各自的網絡；在各網絡的接入點完成初始化網絡的任務后，主處理器STM32F103VET6就開始執行任務調度算法，定時處理各網絡模塊的數據，對從不同網絡獲取的數據包進行解析，解析出數據包的源節點、數據內容和目的節點并進行轉發。為增強節點的魯棒性，同時提高節點的使用性與可用性，在進行網關節點的軟件設計時，采用了差錯處理機制。

圖5 網關節點軟件工作流程圖

4 結束語

在實驗室環境中對異構網絡網關的性能進行測試。首先，測試ZigBee網絡節點間距離與信號強度的關系，通過分析測試結果可知，當節點之間的距離在30 m以內時，ZigBee網絡信號強且穩定，這可為在復雜的醫院環境中合理部署網關提供參考；然后，通過本文設計的網關采集異構網絡的數據，利用數據分析軟件處理所得數據，經對比、分析發現，網關的平均丟包率在5%以內，平均數據誤差率在0.2%以下。測試結果表明，本文設計的網關系統穩定，容錯能力與數據轉發能力強。

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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

江蘇省產學研聯合創新基金資助項目(編號：BY2014033)；

徐州市科技計劃基金資助項目(編號：XM13B021)；

徐州市科技計劃基金資助項目(編號：XM12B077)。

樸雪(1979-)，女，2006年畢業于遼寧師范大學教育技術學專業，獲碩士學位，講師；主要從事計算機基礎教學與計算機應用方面的研究。

TP212; TP391

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509010

修改稿收到日期：2015-05-15。