基于三星Exynos4412的智能醫(yī)療系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

喬增光+屈八一+程騰

引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，人口老齡化進(jìn)程加快，各種疾病在中老年人群中肆虐和衍生，很多老人臥床不起，或者術(shù)后生活不能自理，再加之人們健康意識(shí)和保健要求日益增強(qiáng)，這一切推動(dòng)了醫(yī)療模式從以癥狀治療為中心的模式向以預(yù)防為主、早診斷、早治療的模式轉(zhuǎn)變。現(xiàn)在醫(yī)療行業(yè)融入了更多的人工智慧、傳感技術(shù)等高科技，智能醫(yī)療開(kāi)始了從復(fù)雜的、應(yīng)用于醫(yī)院的大型醫(yī)療設(shè)備，到既適用于醫(yī)院又適用于家庭和個(gè)人的小型穿戴式系統(tǒng)的改變。使醫(yī)療服務(wù)走向真正意義的智能化。在中國(guó)新醫(yī)療改革的大背景下，智能醫(yī)療正在走進(jìn)尋常百姓的生活，得益于此基于exynos4412智能醫(yī)療系統(tǒng)應(yīng)用而生。

基于exynos4412的智能醫(yī)療系統(tǒng)，它具有心率、脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、信號(hào)特征提取和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽梢酝ㄟ^(guò)web網(wǎng)頁(yè)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)人體的監(jiān)控、提前診斷和監(jiān)護(hù)治療，具有反應(yīng)快速、使用簡(jiǎn)便、支持長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作、智能顯示診斷結(jié)果、異常生理狀況報(bào)警和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。將實(shí)現(xiàn)“病發(fā)就醫(yī)”的被動(dòng)醫(yī)療模式向“預(yù)防警告”的主動(dòng)現(xiàn)代醫(yī)療模式的轉(zhuǎn)變，從而降低門(mén)診就診次數(shù)，提高醫(yī)療結(jié)構(gòu)服務(wù)效率，降低就診費(fèi)用等目的。

1開(kāi)發(fā)平臺(tái)介紹

Exynos4412又稱為Exynos4 Quad，Exynos4412是三星的第一款四核處理器，采用Cortex-A9架構(gòu)，核心最高頻率均為1.4 GHz。制程工藝方面，Exynos4412采用32 nm工藝，從而使得其在能耗方面有了很大的改善。Exynos4412內(nèi)部集成了Mali-400MP高性能圖形引擎，支持3D圖形流暢運(yùn)行，并可播放1080P大尺寸高清視頻。其中三星旗艦智能手機(jī)Galaxy S3即是采用此CPU設(shè)計(jì)。

本文中我們采用的是基于三星Exynos4412為主處理器的一款A(yù)RM開(kāi)發(fā)板，在此開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的智能醫(yī)療系統(tǒng)。該開(kāi)發(fā)板具有更高的主頻和更豐富的的外設(shè)接口，配置2GB DDR3的內(nèi)存，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性高，能適用于對(duì)性能和處理能力有更高要求的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合。該開(kāi)發(fā)板可以選配有無(wú)線WIFI模塊、Bluetooth、GPS、Camera、3 G等模組，可以在以后的開(kāi)發(fā)工程中，在此基礎(chǔ)上更加完善系統(tǒng)功能。

2系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

智能醫(yī)療系統(tǒng)的框架如圖1所示，其包含3個(gè)部分：硬件層、應(yīng)用層、人機(jī)交互層。

在硬件層，系統(tǒng)通過(guò)遍布在房間不同角落的監(jiān)測(cè)模塊和各種傳感器，獲取用戶健康和行為狀況數(shù)據(jù)，并發(fā)送到應(yīng)用層做進(jìn)一步的處理。

在應(yīng)用層，收到應(yīng)用層傳來(lái)的各種檢測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)檢測(cè)的數(shù)據(jù)異常或者用戶的行為異常，例如檢測(cè)到用戶的心跳過(guò)快，或者有人闖入房間等。應(yīng)用層將發(fā)送信號(hào)到人機(jī)交互層。

在人機(jī)交互層，收到應(yīng)用層傳來(lái)的異常信號(hào)時(shí)，通過(guò)電話、短信等方式通知用戶或其家人，注意或預(yù)防。

2.2系統(tǒng)功能

為了提供綜合性的醫(yī)療服務(wù)，系統(tǒng)按功能分為4個(gè)子系統(tǒng)。

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)獲取用戶的實(shí)時(shí)身體狀況數(shù)據(jù)和設(shè)備的本地信息。

（2）衛(wèi)生保健子系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)根據(jù)用戶身體現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，評(píng)估健康水平。系統(tǒng)將為用戶制定個(gè)性化的保健方案。

（3）意外檢測(cè)子系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)行為分析和健康趨勢(shì)預(yù)警。例如，系統(tǒng)可檢測(cè)到身體特征異常，以便通知家人。

（4）控制終端子系統(tǒng)，手動(dòng)操作、控制各種設(shè)備，例如，當(dāng)病人躺在床上時(shí)間長(zhǎng)了，可以控制床的升起，讓病人坐起，也可以控制室內(nèi)的溫度等。同時(shí)可以將采集到的數(shù)據(jù)在終端上顯示，供用戶或醫(yī)生參考。

2.3硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)模塊化思想，本系統(tǒng)的硬件部分應(yīng)包括主控制器模塊、LCD人機(jī)交互模塊、GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)腉SM模塊、測(cè)量脈搏心率的PulseSensor模塊、人體紅外檢測(cè)模塊、環(huán)境檢測(cè)模塊、信號(hào)采集模塊還有攝像頭等。其硬件方案如圖2所示。

主控制模塊：此模塊采用4412的最小系統(tǒng)板，因此不需要額外的設(shè)計(jì)。

LCD人機(jī)交互模塊：提供菜單式操作，主要完成人機(jī)交互和監(jiān)控的視頻顯示等功能。

GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)腉SM模塊：GPRS模塊就是一個(gè)精簡(jiǎn)版的手機(jī)，集成GSM通信的主要功能于一塊電路板上，具有發(fā)送短消息、通話、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

測(cè)量脈搏心率的PulseSensor模塊：PulseSensor是一款用于脈搏心率測(cè)量的光電反射式模擬傳感器。將其佩戴于手指或耳垂等處，通過(guò)導(dǎo)線連接可將采集到的模擬信號(hào)傳輸給Arduino等單片機(jī)用來(lái)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)arduino單片機(jī)簡(jiǎn)單計(jì)算后就可以得到心率數(shù)值，此外還可將脈搏波形上傳到電腦上顯示波形。

3嵌入式Web的開(kāi)發(fā)

通過(guò)Web網(wǎng)頁(yè)可以使我們遠(yuǎn)程監(jiān)控病人的情況，也可以接受各個(gè)采集信息模塊采集到的信息，使家人或醫(yī)生能夠遠(yuǎn)程了解病人的身體狀況。

在嵌入式設(shè)備中有一個(gè)Web服務(wù)器，就可以使用任一種Web瀏覽器接收和發(fā)送信息。那么如何設(shè)計(jì)這種特別的服務(wù)器，如何在嵌入式設(shè)備中安裝Web服務(wù)器。一般來(lái)說(shuō)，嵌入式Web服務(wù)器具有如下主要功能：

（1）對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控管理，參數(shù)在線查看和配置等。

（2）響應(yīng)對(duì)客戶的實(shí)時(shí)HTTP請(qǐng)求，并為每個(gè)客戶建立連接。

（3）對(duì)設(shè)備訪問(wèn)的安全控制機(jī)制，包括SLL，用戶口令等。

（4）實(shí)現(xiàn)設(shè)備的故障報(bào)警。

（5）保證不同操作系統(tǒng)或客戶端對(duì)設(shè)備訪問(wèn)的一致性。

嵌入式Web服務(wù)器一般包括核心部分和可裁減部分。核心部分包括HTTP請(qǐng)求解析器和模塊分析器。HTTP請(qǐng)求解析器負(fù)責(zé)接收客戶發(fā)送的HTTP請(qǐng)求報(bào)文，獲得客戶端信息，并把解析出來(lái)的結(jié)果保存到請(qǐng)求結(jié)構(gòu)中；模塊分析器根據(jù)配置信息調(diào)度其他模塊。模塊主要分為系統(tǒng)功能模塊和用戶功能模塊，一旦配置了系統(tǒng)功能模塊，該模塊就對(duì)服務(wù)器收到的請(qǐng)求進(jìn)行處理，則系統(tǒng)功能模塊主要分為3個(gè)部分：文件系統(tǒng)訪問(wèn)模塊（針對(duì)靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)）、CGI處理模塊（針對(duì)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)）、賦值處理（針對(duì)用戶控制作用）。endprint

3.1Boa服務(wù)器的分析與應(yīng)用

Boa是一個(gè)單任務(wù)的HTTP服務(wù)器，源代碼開(kāi)放、性能高，它最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)提供快速安全的HTTP服務(wù)器，Boa是一個(gè)非常小巧的Web服務(wù)器，特別適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。它可執(zhí)行代碼只有約60KB。它是一個(gè)單任務(wù)Web服務(wù)器，只能依次完成用戶的請(qǐng)求，而不會(huì)fork出新的進(jìn)程來(lái)處理并發(fā)連接請(qǐng)求。但Boa支持CGI（Common GatewayInterface），能夠?yàn)镃GI程序fork出一個(gè)進(jìn)程來(lái)執(zhí)行。Boa的設(shè)計(jì)目標(biāo)是速度和安全，在其站點(diǎn)公布的性能測(cè)試中，Boa的性能要好與Apache服務(wù)器。Boa服務(wù)器在系統(tǒng)中應(yīng)用如圖3所示。

3.2HTML靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)的制作

Web的應(yīng)用開(kāi)發(fā)一般都會(huì)將界面和程序邏輯脫離開(kāi)來(lái)，允許在一定程度下更改界面。在HTML中，表單（FORM）是最主要的傳遞信息的手段。它適用于任何瀏覽器。表單中有很多元素，包括輸入文本框，單選框，多選框，按鈕，等等，可以提供信息的交互。

CGI程序的工作一般就是接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后根據(jù)處理結(jié)果生成新的頁(yè)面返回給瀏覽器。表單數(shù)據(jù)一般是以POST方法提交給服務(wù)器，由CGI程序獲得，程序必須要將界面數(shù)據(jù)和內(nèi)部數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)起來(lái)才能夠進(jìn)行下一步的處理。

本文的HTML靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)測(cè)試文件為mian.html，其中制作的網(wǎng)頁(yè)主要有開(kāi)機(jī)界面，監(jiān)控界面等。將制作的網(wǎng)頁(yè)文件放在自制的嵌入式根文件目錄下，如下所示：

rootfs/www/index.html開(kāi)機(jī)登陸

rootfs/www/main.html主界面登陸

rootfs/www/ecg.html

心跳監(jiān)測(cè)界面

rootfs/www/care.html

病人狀態(tài)界面

rootfs/www/bed.html

智能床界面

rootfs/www/camera.html監(jiān)控界面

rootfs/www/safety.html安全界面將開(kāi)發(fā)板和電腦連接，然后啟動(dòng)開(kāi)發(fā)板，在PC機(jī)的瀏覽器地址欄輸入相應(yīng)的IP地址，即可打開(kāi)網(wǎng)頁(yè)，例如http：//192.168.0.168/main.html。其中主界面如圖4所示。

3.3 CGI程序的實(shí)現(xiàn)

CGI（Common Gateway Interface）是：“公共網(wǎng)關(guān)接口”的簡(jiǎn)稱，是Web服務(wù)器和主機(jī)應(yīng)用程序之間進(jìn)行信息交換的一種接口標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。通過(guò)CGI，Web服務(wù)器可以激活一個(gè)應(yīng)用程序，同時(shí)將用戶提交的數(shù)據(jù)傳遞給這個(gè)程序，隨后，又可以將該程序的響應(yīng)（輸出）返回給瀏覽器。

CGI處理步驟如下：

1.通過(guò)Internet把用戶請(qǐng)求送到服務(wù)器；

2.服務(wù)器接收用戶請(qǐng)求并交給CGI程序處理；

3.CGI程序把處理結(jié)果傳送給服務(wù)器；

4.服務(wù)器把結(jié)果送回到用戶。客戶端和服務(wù)器的信息交換如圖5所示。

4結(jié)束語(yǔ)

隨著技術(shù)的成熟和人們對(duì)健康的關(guān)注，智能醫(yī)療正在迎來(lái)高速發(fā)展期，智能醫(yī)療不但能極大地推動(dòng)醫(yī)療信息化的進(jìn)程，而且還能有效的解決國(guó)內(nèi)醫(yī)療分布不均等問(wèn)題，使人們享受更好、更便捷的醫(yī)療服務(wù)。

本文的智能醫(yī)療系統(tǒng)是基于Exynos4412的嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)構(gòu)建，并在構(gòu)建的軟硬件平臺(tái)上創(chuàng)建嵌入式Web服務(wù)器Boa，然后在其上進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)，通過(guò)Web網(wǎng)頁(yè)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控，還可以將各個(gè)硬件模塊采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到web端，最終實(shí)現(xiàn)了Boa的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)交互功能和對(duì)目標(biāo)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能以及采集數(shù)據(jù)的傳輸?shù)取ndprint