智能健康監測終端設計與實現

武風波+周云如+張會可

摘 要： 基于嵌入式、3G通信、傳感器技術以S3C6410為核心處理器，外圍拓展人體體溫、心率、血氧、圖像等健康數據采集模塊，增加GPS定位、3G通信模塊，設計智能健康監測終端，實現對人體健康數據的采集和監測與報警。聯合醫療數據處理服務器、手機客戶端，對智能健康監測終端進行測試和分析。測試結果表明，智能健康監測終端運行穩定，能夠實現對人體體溫、心率、血氧、圖像、GPS等健康數據的采集，并實現數據的遠程發送、遠程報警等功能。

關鍵詞： 嵌入式技術； 智能醫療； 健康監測； 遠程報警

中圖分類號： TN931+.3?34； TP311.52 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）14?0064?04

Abstract： An intelligent health monitoring terminal based on embedded technology， 3G communication technology and sensor technology was designed， which takes S3C6410 as its core processor， utilizes the health data acquisition module to collect the body temperature， heart rate， blood oxygen， image and other data， and adds GPS positioning module and 3G communication modules. It can collect and monitor the human bodies′ health data and gives an alarm. The intelligent health monitoring terminal was tested and analyzed in combination with mecical data processing server and mobile client. The result shows that the intelligent health monitoring terminal works steadily， can realize the body temperature， heart rate， blood oxygen， image， GPS and other health data acquisition， and achieve the functions of remote data transmission and remote alarm.

Keywords： embedded technology； intelligence medical treatment； health monitoring； remote alarm

0 引 言

隨著經濟社會的快速發展，生活水平日益提高，人們越來越關注自身的健康。當前，世界總人口數量巨大，加之受到環境、生物（細菌、病毒）等方面因素的影響，健康問題凸顯，各種疾病威脅著人類健康[1]。

為應對疾病威脅，世界各國紛紛采取措施，并將醫療衛生行業作為重點發展行業，智能醫療隨之產生。智能醫療就是利用傳感器技術、物聯網技術等新興技術，在患者、醫務人員、醫療機構、醫療設備之間構建信息互聯，實現醫療衛生服務信息化、智能化的新型醫療衛生服務體系[2]。智能醫療發展的目標是從醫療衛生發展的實際需求出發，結合無線通信技術、嵌入式技術、物聯網技術、數據融合技術等，實現醫療監護無線化、數據采集智能化、數據分析科學化、數據管理自動化[3]。

智能醫療概念自提出以來，受到國內外高度重視，智能醫療行業發展迅速，成果顯著，目前已經應用在病人身份識別、醫療樣品識別、醫療物資管理追蹤、病人案例辨識、住院監護等方面[4]。基于物聯網技術、傳感器技術設計實現的系統很多，例如移動護理系統、嬰兒防盜系統、醫療遠程會診系統、醫療遠程健康教育系統[5]等。

基于目前我國醫療服務行業的實際需求出發，結合物聯網技術、電子信息技術、嵌入式技術、數據通信技術、傳感器技術等，借鑒國內外在移動醫療、智能醫療領域的研究成果和經驗，本文在充分研究現有成果的基礎上，設計一款用于人體健康智能監測的便攜式監測終端，實現人體健康數據的采集、監測、報警，目的在于解決當前形勢下人體健康，尤其是中老年人在身體健康狀態獲知難、病情發展控制難的問題，實現對這些對象的身體健康監測、病情數據采集控制和報警。

1 智能健康監測終端總體設計

1.1 總體框架設計

智能健康監測終端應用系統組成如圖1所示，由智能健康監測終端、醫療數據處理服務器、移動客戶端三部分組成。

1.2 終端硬件框架

智能健康監測終端主要實現對人體健康數據的采集監測，顯示采集的人體健康數據。同時當采集到的數據出現異常時，終端實現報警，不僅如此，還應當充分利用終端采集的健康數據，對數據共享和遠程報警。當出現報警時，需要對數據進行分析處理，確認病人狀況，必要時開展緊急救助活動，因此監測對象的地理位置數據尤為重要。綜上所述，結合已有產品研究現狀，分析市場需求，所設計的智能健康監測終端系統硬件框架圖如圖2所示，終端主要分為系統主控單元、健康數據采集模塊、GPS模塊、數據傳輸模塊、電源模塊。

1.3 系統功能

本智能健康監測終端可以健康數據采集、健康報警、位置定位、健康數據共享等主要功能。

（1） 人體健康數據采集。人體健康數據采集是智能健康監測終端的基本功能。人體健康數據很多，例如體溫數據、血氧數據、血壓數據、血糖數據等，智能健康監測終端用于人體健康指標的監測，通過人體健康數據的采集分析，可以對人體健康狀態進行初步判斷。

（2） 健康報警。終端采集人體健康數據，當健康異常時，可以實現健康報警。本終端設計中，設定一定健康數據閾值條件，當數據不符合條件時，進行健康報警。

（3） 位置定位。智能健康監測終端采集人體健康數據，并與正常數據進行比對，當數據出現異常時，進行報警。為方便對異常監測對象進行緊急醫療救助，終端需對監測對象進行定位，并將定位數據發送給醫療數據處理服務器，進而方便實施緊急醫療救助、病人監測治療等。

（4） 健康數據共享。本設計監測終端采集到健康數據后，通過一定方式將數據上傳至醫療數據處理服務器，實現數據共享。共享數據方式很多，例如ZigBee、WIFI、藍牙、移動通信網、以太網等[6]，在具體系統設計中，靈活選用數據共享方式，合理設計，方便應用。

2 終端硬件設計

2.1 核心處理器

S3C6410是三星公司推出基于ARM11內核的高性能、低功耗RISC微處理器[7]，可以廣泛應用在移動電話、通用處理等領域，它為2.5G，3G通信服務提供很好的硬件性能，它具有豐富的數據接口，支持UART串口、I2C、USB等多種數據接口，同時內置ADC等。

2.2 健康數據采集

2.2.1 體溫采集模塊

在本文的設計中，選用電壓輸出型集成溫度傳感器LM35作為監測終端的體溫數據采集傳感器，并設計硬件電路。LM35通過將溫度信號轉換為電壓輸出，對輸出的信號先經過低通濾波去噪，再經過LM324組成的放大電路將LM35輸出的電壓放大到伏級，通過S3C6410的ADC實現對輸出模擬信號的數字化轉換。

2.2.2 心率采集模塊

光電脈搏傳感器根據檢測光的方式，可以分為兩種，一種是檢測透射波，另一種是檢測反射波。主要構成基本相似，即穩定光源、接收光傳感器。本文選用Pulse Senor公司的脈搏數據傳感器就是檢測反射波的傳感器，使用APDS?9008光接收器件，光感器件接收到信號幅值較小，一般而言在毫伏級，容易受到其他信號的干擾，因此在信號放大之前加入低通濾波電路，MCP6001是信號放大器件，信號經過低通濾波之后再進入放大電路[8]。傳感器外部端口有三個，分別為GND，VCC，OUT。GND，VCC是外部電源輸入端，VCC允許3.3 V或者5 V電壓輸入，OUT信號為傳感器信號模擬量輸出端口。傳感器具有體積小、功耗低、使用方便等優點。

2.2.3 血氧采集模塊

測量血氧飽和度的方法很多，本文選用的是光電血氧測量傳感器。光電式血氧傳感器有兩種類型，一種是透射式血氧傳感器，另一種是反射式傳感器。其中透射式血氧傳感器應用更加廣泛。本文選用透射式血氧傳感模塊。所選擇的血氧模塊對光電傳感器輸出信號進行處理，得到血氧數據，并通過串口輸出，極大方便模塊的應用和二次開發。表1為血氧模塊電路外部接口說明。

2.2.4 圖像采集模塊

圖像采集對于病人健康狀況的確定具有一定意義，通過圖像可以進一步了解目標對象身體現狀、實現遠程診斷等，因此在終端設計中，添加圖像采集模塊。綜合考慮核心板處理能力、系統流暢性等因素，本文選用ZC301攝像頭。

ZC301芯片具有圖像信號處理、圖像數據壓縮等功能，帶有DRAM存儲器，采用28 PIN LQFP封裝形式，ZC301攝像頭與主控單元之間通過USB接口連接。ZC301攝像頭模塊具有圖像采集清晰、色彩逼真、占用系統資源少、效率高等優點。

2.3 GPS與通信模塊

2.3.1 GPS定位模塊

GPS技術出現于20世紀，美國從20世紀70年代開始研制，于1994年全面建成，建立至今，已經廣泛應用在各個領域。對于智能健康監測終端設計，當終端采集的數據出現異常，向數據中心發出報警數據時，醫院需要及時采取緊急救助，準確獲知目標對象的地理位置，安排醫院救護，提高醫院救助效率具有重要的意義。

本文選用以UBLOX NEO?6M為核心的GPS定位模塊，其具有功耗低、性能優越、功能完善等優點，能夠滿足具有嚴格要求的專業定位需求以及普通個人消費需求。

2.3.2 數據傳輸模塊

本文3G傳輸模塊選用華為的E261 3G模塊，網絡選用中國聯通3G網，模塊標稱數據下行最高速率為7.2 Mb/s，數據上行最高速率為5.76 Mb/s。E261 3G無線通信模塊外部數據接口為USB接口，通過USB接口與OK6410連接。

3 智能健康監測系統軟件設計

3.1 軟件總體框架設計

智能健康監測終端軟件設計主要分為人體健康數據采集功能模塊、GPS數據處理功能模塊、數據傳輸功能模塊、圖形界面顯示模塊、數據庫等部分[9]。主程序控制人體健康數據采集的各軟件功能子模塊，實現對體溫、心率、血氧、圖像、GPS數據的采集，并對采集的數據進行初步處理，存入監測終端數據庫中，顯示在監測終端界面上，同時將數據封裝成TCP數據包，通過網絡發送給醫療數據處理服務器，接收醫療數據處理服務器返回的健康建議，并顯示在監測終端界面上[10]。醫療數據處理服務器接收到上傳的健康數據之后，進行分析處理，當監測對象健康數據異常時，獲取監測對象GPS數據，同時將異常發送給監測終端，啟動終端報警，醫療數據處理服務器報警，提醒相關工作人員監測對象可能出現身體異常情況。智能健康監測終端軟件系統為Linux 3.0.1，終端應用軟件設計采用Linux C與Linux Qt混合編程實現。智能健康監測終端軟件總體流程圖如圖3所示。

數據傳輸部分采用C/S架構設計，智能健康監測終端作為客戶端，通過TCP Socket編程實現。數據采集模塊采集的健康數據封裝在TCP數據包中，通過TCP Socket發送給醫療數據處理服務器端，監測終端同時接收醫療數據處理服務器發送來的健康狀態提醒數據[11]。TCP Socket客戶端主要用到的數據類是QTcpSocket，首先創建QTcpSocket對象，綁定信號槽。當一組數據采集完成時，對數據進行封包處理，然后發送數據，同時監聽客戶端對應的端口，如果有數據讀取，則發出讀取數據的信號，完成數據讀取。

3.2 監測終端軟件界面設計

監測終端配備4.3英寸液晶顯示屏，用于顯示采集的人體健康及GPS數據。智能健康監測終端人機界面設計通過Qt開發語言設計實現。首先基于Ubuntu系統，配置Qt嵌入式開發環境，開發監測終端的人機顯示界面，圖形化顯示各后臺子軟件模塊采集的人體健康數據、GPS數據，并繪制心率波形。

4 系統測試結果與分析

搭建人體健康智能監測系統，對終端進行測試，當人體出現異常時，監測終端的界面顯示如圖4所示。

監測終端將健康數據上傳至醫療數據處理服務器，當健康出現異常，醫療數據處理服務器會對監測對象進行定位，并將位置顯示在電子地圖上，如圖5所示。界面會顯示報警監測對象的詳細健康數據信息、個人聯系方式、詳細的地圖定位數據。

圖6為移動客戶端軟件測試圖。在啟動軟件時的界面上有一個按鈕“獲取當前數據”，點擊該按鈕，客戶端連接至醫療數據處理服務器，并發送獲取監測對象健康數據的請求，接收來自醫療數據處理服務器的數據，解析并顯示在移動客戶端的界面上。

通過模塊測試和聯合調試，智能健康監測終端可以正確采集人體健康數據，采集的健康數據包括圖像、血氧、心率、灌注指數、體溫；GPS數據獲取、解析正確，可以正常顯示在Qt開發的嵌入式界面上；監測終端軟件可以實現數據上傳至醫療數據處理服務器，可以接收來自醫療數據處理服務器返回的健康提示信息。醫療數據處理服務器可以正常接收來自智能健康監測終端上傳的健康數據，并返回健康提醒信息，能夠正常接收來自移動客戶端的健康數據請求，返回目標對象的健康數據；移動客戶端能夠連接至醫療數據處理服務器，發送健康數據請求，接收來自醫療數據處理服務器返回的監測對象健康數據，并進行顯示。

5 結 語

本文綜合了醫療數據處理服務器、移動客戶端、智能健康監測終端三部分進行健康監測系統的聯合測試，并分析了系統的測試結果。測試結果表明智能健康監測終端工作穩定，能夠實現對人體健康數據采集、監測與報警、監測對象位置定位等功能。

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