基于LoRa技術的中醫家庭醫生服務系統設計

羅青青,周正貴,方銀銀

（1.安徽商貿職業技術學院，安徽 蕪湖 241002；2.光電材料科學與技術安徽省重點實驗室，安徽 蕪湖 241002）

0 引言

采用LoRa技術設計了一種中醫家庭醫生服務系統，該技術具有抗干擾、保密性強等特點，可應用于傳輸距離長、功率低的場合［1-3］，有利于提高知名中醫門診量，也方便為居民提供中醫治病的服務［4］。

1 系統總體設計

中醫家庭醫生服務系統如圖1所示。系統包括數據采集系統、數據傳輸系統和數據處理系統，數據采集系統由多個LoRa節點組成，LoRa節點采集用戶的體溫、脈搏等參數。數據傳輸系統由中繼模塊及網關模塊組成，中繼模塊通過LoRa網絡接收數據采集系統的數據再通過LoRa網絡發送至網關模塊，網關模塊將數據匯總、處理。數據處理系統為云平臺服務中心，通過以太網接收網關模塊的信息，醫生可通過手機、電腦終端等訪問云平臺服務中心查詢用戶的信息，并對用戶的身體狀況做出診斷，用戶可通過訪問云平臺服務中心查詢，實現中醫家庭醫生遠程問診服務，也可提供中醫治病的服務。一個云平臺服務中心可使用以太網通信的方式接入多個網關模塊。

圖1 系統設計總圖

2 系統硬件設計

2.1 數據采集系統電路設計

本系統電路為LoRa節點的電路，主要包括電源模塊、傳感器模塊、單片機模塊、RS-485模塊及LoRa模塊，實現了將采集到的用戶信息發送至中繼模塊。傳感器模塊包括脈搏檢測模塊、體溫檢測模塊等，脈搏檢測模塊采用MAX30102，可測量出用戶的脈搏血氧飽和度和脈搏，該傳感器具有測量快速、實時等特點，在臨床上被廣泛使用；體溫檢測模塊采用DS18B20，用于檢測用戶的體溫，該芯片與單片機模塊采用單總線的連接方式，該傳感器具有容易組建傳感器網絡的特點。LoRa節點電路示意圖如圖2所示。

圖2 LoRa節點電路示意圖

LoRa模塊采用無線模塊LSD4RF-2F717N30，該模塊是基于射頻集成芯片SX127X的物聯網無線收發器，芯片具有小體積、低功耗、強抗干擾能力、遠距離傳輸等特點，能夠實現將無線網絡快速部署和數據的遠程采集［5-6］，LSD4RF-2F717N30核心電路如圖3所示。

圖3 LSD4RF-2F717N30核心電路

單片機模塊采用STM32F030C6T，主要用于接收傳感器模塊采集的信息并將信息通過Lo-Ra模塊發送至中繼模塊。該芯片的工作電壓為2.0～3.6V，內有64KB的SRAM和512KB的Flash等資源，可用于醫療、通信等領域，STM32F030C6T與LSD4RF-2F717N30芯 片 的 連 接電路如圖4所示。

圖4 STM32F030C6T與LSD4RF-2F717N30芯片連接電路圖

RS-485電路采用芯片MAX3456，芯片通過RO及DI引腳分別與STM32F030C6T的U1_RX、U1_TX引腳相連接，用于采集傳感器模塊采集的信息。RS-485電路連接如圖5所示。

圖5 RS-485電路連接圖

2.2 數據傳輸系統電路設計

數據傳輸系統電路設計包括中繼模塊電路設計和網關模塊電路設計。網關模塊包括單片機模塊、電源模塊、網絡接口模塊及LoRa模塊，單片機模塊采用STM32F030C6T，LoRa模塊采用LSD4RF-2F717N30，網關模塊示意圖如圖6所示。

圖6 網關模塊示意圖

3 系統軟件設計

3.1 LoRa節點軟件設計

啟動LoRa模塊后，當接收到結束字節時，數據經添加幀頭、幀尾后，通過LoRa網絡將數據發送至中繼模塊，實現檢測數據的發送，LoRa節點流程如圖7所示。

圖7 LoRa節點流程圖

3.2 中繼模塊設計

啟動LoRa模塊后，當接收到結束字節時，數據經濾除幀頭、幀尾后，再通過網關模塊將數據傳送給云平臺服務中心，實現中繼模塊數據的發送。

4 系統測試及分析

4.1 功能檢測

本設計是在每個LoRa節點都安裝有傳感器模塊，在LoRa節點附近安裝一個中繼模塊。中醫家庭醫生服務系統的實現過程是：LoRa節點將采集到的用戶檢測信息，如體溫、脈搏、血糖、血壓等參數發送至中繼模塊，組網后，中繼模塊通過LoRa網絡將信息發送至網關模塊，網關模塊將數據匯總、處理后，將數據通過以太網發送至云平臺服務中心，醫生可通過手機、電腦等終端訪問云平臺服務中心查詢當前用戶身體情況的信息，網頁顯示檢測信息，用戶選擇檢測項目名稱來查詢數據。

4.2 系統測試

為了測試LoRa節點之間數據可傳輸距離，隨機選取A、B兩個節點，波特率設為9.6kbps。發送端發送數據的間隔為0.5s。當A、B兩個節點同時匹配天線增益為5dBi，檢測距離分別選取210m、430m、870m、1280m、1610m、1920m、2110m，連續收發2萬個數據包時，統計LoRa網絡的丟包率；當A、B兩個節點同時匹配增益為3dBi，檢測距離分別選取210m、430m、560m、590m、620m、640m、700m、940m時，統計LoRa網絡的丟包率。測試數據如表1、表2所示。

表1 LoRa網絡數據傳輸的丟包率測試結果（5dBi）

表2 LoRa網絡數據傳輸的丟包率測試結果（3dBi）

實驗數據表明，在天線增益相同時，傳輸距離越遠，LoRa網絡的丟包率越大；天線增益不同時，天線增益越大，相同的傳輸距離，LoRa網絡的丟包率越小。

5 結語

基于LoRa技術的中醫家庭醫生服務系統，實現了數據采集系統、數據傳輸系統和數據處理系統間的實時數據通信。分析表明：系統容易組網，數據采集準確，能基本解決中醫家庭醫生的遠程診斷技術難題，還能提供中醫治未病的服務，可為我國中醫家庭醫生開展簽約服務提供借鑒。