基于BB-Black的生理監測智能硬件設計方案

本文以BeagleBone Black為核心，掛接ZigBee無線傳感節點和GSM/GPRS模塊;建立web服務器和SQLite數據庫，接收、解析和存儲ZigBee節點采集的生理數據，控制GSM/GPRS進行緊急呼救和發短信;讓硬件智能化，提供自動生理監測功能，為人們的生活提供便利。

目前，醫療設備的主要缺陷是價格昂貴、體積龐大和非智能;隨著技術的發展，近年來涌現了不少優化的智能醫療設備，給人們的生活帶了極大便利。但仍存在功能單一，不可遠程訪問等缺陷。

BB-Black開發板以其價格便宜、功能強大等優點廣泛應用于各種場景，怎樣利用BB-Black設計一個更智能、功能更齊全的實時遠程醫療監測系統，將是一個有意義、有市場前景的研究課題。

1. 應用系統總體結構設計描述

1.1 硬件平臺相關介紹

設計共涉及BB-black、ZigBee和GSM/GPRS三個硬件模塊。其中BB-black開發板為核心模塊，是一款基于AM3359處理器的開發套件，其實物圖如圖1所示。處理器集成了高達 1GHz 的 ARM Cortex-A8 內核，并提供了豐富的外設接口和兩個擴展接口，可擴展LCD、UART、eMMC、ADC、I2C、SPI和PWM等接口。其系統框圖如圖2所示。

AM3359 是基于 ARM Cortex-A8 內核的微處理器，在圖像、圖形處理、外設和諸如etherCAT 和 PROFIBUS 的工業接口選項方面進行了增強，并支持Linux、 WinCE 和Android 等高級操作系統。該處理器包含了多個子系統。微處理器單元(MPU)子系統基于 ARM Cortex-A8 微處理器; POWERVR SGX 圖形加速子系統用于 3D 圖形加速以支持顯示和游戲效果;可編程實時單元子系統(PRUSS)使用戶可以創建各種超越本地外設的數字資源。此外，PRUSS 獨立于 ARM 內核，這就允許設備有獨立的操作和時鐘，從而在復雜系統解決方案中有更大的靈活性。

圖1 BB-black實物圖背面(左)，正面(右)

圖2 BB-Black系統框圖

1.2 系統功能模塊及信息處理過程

系統的功能模塊如下圖3所示，主要由數據采集模塊、GSM模塊、遠程登錄模塊和BB-Black模塊四部分組成。其中生理數據模塊采用ZigBee無線傳感節點實時采集用戶生理數據;GSM模塊采用四頻 GSM/GPRS ，實現緊急報警和定位;遠程登錄模塊是指手機或其它上網設備，供用戶遠程訪問和監控;BB-Black模塊是本系統的核心模塊，該模塊又可分為數據處理、Boa服務器和SQLite數據庫三部分。數據處理模塊實現對數據的接收、解析、向SQLite數據庫插入數據和向GSM模塊下達緊急報警命令;SQLite數據庫主要用于存儲生理數據;Boa服務器則實現用戶的遠程訪問查詢SQLite數據中存儲的生理數據。

圖3 系統功能模塊框圖

正如上圖所示系統的信息處理過程如下：

1. 生理數據采集模塊實時采集生理數據。

用戶可根據需要隨身攜帶相應的生理數據檢測模塊(如：血壓、血糖、脈搏等檢測模塊)，在BB-black建立的無線傳感網絡覆蓋范圍內移動、實時生理數據采集，按IEEE 802.15.4的通訊標準，通過無線網絡將生理數據包傳送出去;在BB-black開發板上連接的ZigBee終端節點將數據包接收。

2. BB-black模塊接收、分析和處理生理數據。

AM335x處理器定時的讀取終端節點接收的數據包，通過解析得到數據包中的生理數據，并存儲到SQLite數據庫，同時根據健康指標對數據進行分析，若遇緊急情況，則向GSM/GPRS模塊發AT控制命令，進行緊急呼救。

3. 監護人或醫生可隨時隨地訪問服務器查看、管理被監護人近期生理數據。

用戶通過上網設備打開瀏覽器登陸Boa服務器，提交查詢表單，即可訪問SQLite上存儲的被監護人的生理數據，實現遠程了解被監護人近期身體狀況，實現遠程監控。

本系統應用場景可如圖4所示。

圖4 系統應用場景圖

2. 遠程監控功能實現

系統以BB-black為平臺，提供用戶遠程登錄訪問嵌入式Web服務器Boa，查看該服務器上的被監護人近期生理數據功能;為了實現數據存放功能，作者針對嵌入式設備，采用開銷小、可移植性強、便使用且高效的嵌入式SQLite數據庫。而CGI(Common Gateway Interface)通用網關接口，則是Web服務器和SQLite數據庫之間的橋梁，作為客戶端與Web服務器交互的標準接口，可按照該標準編寫應用程序實現靜態HTML網頁無法實現的數據庫訪問和搜索功能，實現客戶端與服務器的交互操作。其工作原理如下圖5所示。

圖5 遠程監控模塊軟件構成與工作原理

首先，由客戶端通過瀏覽器向服務器發起請求，嵌入式Web服務器端收到請求后觸發指定的腳本程序對請求進行解析，并執行相應的CGI應用程序。

其次，CGI應用程序根據請求信息調用相應的SQLite數據庫操作程序，并把數據庫操作程序的執行結果以HTML文檔形式傳遞給Web服務器;嵌入式Web服務器分析、處理HTML文檔信息，并將最終數據內容傳送給客戶端瀏覽器。

最后，由客戶端瀏覽器對數據內容進行解析，并以網頁形式顯示給客戶。

2.1 嵌入式Web服務器Boa

2.1.1 嵌入式服務器Boa的選用

ARM Linux開發環境下支持httpd、thttpd和Boa三種嵌入式Web服務器。作者選用的是可執行文件小、運行過程中需要的資源小的嵌入式Web服務器Boa。

Boa作為一種單任務的HTTP服務器，通過建立HTTP請求列表來處理多路HTTP連接請求，同時在處理請求過程只為CGI程序創建新進程，在最大程度上節省了系統資源，對嵌入式系統來說至關重要。同時它還具有自動解壓文件、生成目錄等功能。

2.1.2 Boa功能實現

設計中Boa服務器需實現接收客戶端請求、分析請求、響應請求和向客戶端返回請求結果等任務。其工作流程如下圖6所示。

圖6 Boa服務器工作流程

Boa服務器初始化工作代碼實現：

上述代碼首先創建一個無阻塞的流式套接字描述符socktfd，提供面向連接的可靠傳輸。然后利用bind()函數將指定端口與套接字描述符關聯，最后利用listen()函數在指定端口監聽，等待Request請求。

當監聽到連接請求，服務器調用get_request()函數獲取請求信息，利用accept()函數建立連接，接收請求、分析信息，進行HTTP認證確認，處理請求信息，并將結果發送、顯示到Web瀏覽器;當有CGI請求時，創建CGI處理進程，并將處理結果發送、顯示到Web瀏覽器。

2.1.3 Boa在ARM上的移植

首先，針對BB-Black和實際應用場景對Boa服務器源代碼作以下修改：(1)根據監護人數量指定HTTP請求列表限制參數;將服務器的輸入輸出緩存空間設為最大值，以加快生理數據傳輸速度;(2)通過編寫實現一些簡單函數，來精簡Linux操作系統庫函數，節約資源。

其次，利用arm-linux-gcc交叉編譯環境，配置生成大小為175.8KB的boa可執行程序。通過bin.arm-linux-strip boa指令剝去附帶的編譯信息，得到僅59.4KB的ARM平臺可執行文件。

最后，通過修改Web服務器的配置文件boa.conf：監聽端口為80，注釋掉綁定IP地址設置欄，KeepAliveMax值為50，KeepAliveTimeout值為10，服務器名字為www. RemoteMedicalMonitoringSystem.com;以及CGI路徑，訪問日志和錯誤日志的存放路徑等運行參數;將該配置文件和可執行文件boa放到BB-Block平臺的/home/www目錄下;執行genromfs-f romfs.img-d romdisk命令生成一個含有Boa服務器的根文件系統，通過bootloader燒寫到存儲器。完成Boa到ARM平臺的移植。

2.2 CGI與SQLite數據庫移植

BB-Black開發板在運行CGI和SQLite程序前，需要將相應的庫移植到開發板。設計通過交叉編譯之后將CGI的libcgic.a和capture拷貝到BB-black開發板的/home/www/cgi-bin目錄下，完成移植工作(可通過網頁訪問該目錄，若在網頁上顯示cgic test的字樣，則表明cgi庫移植成功);將SQLite的sqlite3和libsqlite3.so.0.8.6分別下載到BB-black開發板的/usr/bin和/usr/lib目錄中并通過ln –s /usr/lib/libsqlite3.so.0.8.6 /usr/lib/libsqlite3.so.0命令，建立軟連接(因為可執行程序sqlite3在運行的時候搜尋libsqlite3.so.0動態庫)，完成移植工作。

2.3 遠程監控功能實現

2.3.1 HTML設計

遠程醫療監控界面主要有監護人登錄界面和被監護人生理數據監測界面。其中脈搏和心跳監測HTML頁面首行代碼。

用action=pluse_heart_monitor.cgi將表單指向pluse_heart_monitor.cgi處理程序，method=get指定獲取環境變量的方式為get;程序的最后幾行用type=submit或type=reset指定點擊這兩個按鈕時提交表單;其他生理數據監測頁面與此相似。

2.3.2 CGI和SQLite數據庫互動設計

CGI與SQLite數據的互動主要包括CGI程序在SQLite數據庫上建立生理數據表，插入生理數據;CGI按照表單提交內容對數據表進行增刪改查詢操作;其主要的控制函數代碼如下：

其中getcgidata()實現GET和POST兩種方式從網頁獲取字符串函數;若為””“GET”方式，則通過getenv(QUERY_STRING)函數獲取字符串函數;若為“POST”方式，首先用atoi(getenv(CONTENT_LENGTH))函數獲取字符串長度，再利用(char)fgetc(stdin)函數依次獲取單個字符。

通過getcgidata()函數從網頁獲取的字符串中各數據項由‘’符號隔開，getstringdata()函數則是去掉‘’符號，提取有效信息，為select_pluse_spo2()函數對SQLite數據庫執行查詢操作提供參數。

select_pluse_spo2()函數以getstringdata()函數得到的有效信息為參數，執行打開數據庫、查詢數據、向網頁打印數據操作。部分功能實現代碼：

3 參數發送和接受功能的設計

3.1 數據采集模塊功能實現

生理數據采集模塊，由數據監測模塊和無線傳感節點ZigBee組成。數據監測模塊負責采集數據，ZigBee節點負責接收、解析和傳輸數據;解析過程根據監測項目調用相應的子程序(如：測血氧、脈搏、體溫等);傳輸數據時終端節點和非終端節點分別調用向串口發送子程序和發射子程序。具體的實現程序流程如下圖7所示。

圖7 ZigBee節點參數接收和發送流程圖

3.2 ARM板上生理數據接收功能實現

在ARM板上首先打開串口，然后配置發短信所需的串口參數，并初始化接收緩沖區，開始循環讀串口數據包;當讀取到數據，就對數據包進行分析，獲取包中隱含的血氧飽和度和脈搏值;并進行健康監測(按照健康生理指標監測)，如果獲取的生理數據不正常就會向監護人手機發送短信(包含相應的生理數據和健康狀況說明);最后將生理數據包轉化為16進制數存入文檔。具體的處理流程如下圖8所示。

圖8 ARM板接收和處理生理數據的流程圖

4. 系統功能測試

測試前，需通過開發板上的USB和UART接口，將生理數據接收模塊和GSM/GPRS模塊連接;通過RJ45接口將開發板接入網絡;同時用戶根據需要佩戴數據采集模塊。完成硬件連接后各模塊上電，待系統會自動啟動各項服務完成后，進行測試。

以脈搏和血氧濃度為例，測試的登錄界面;查詢生理數據結果顯示，以及手機接收短信如下圖所示。

圖9 用戶登錄界面

圖10 用戶查詢生理數據結果顯示

圖11 手機接收生理監測的生理數據短信

經功能測試表明：

1. 在無線傳感網絡覆蓋范圍內，測試者可以攜帶監測設備，隨意走動;系統自動進行生理監測，數據傳輸和存儲。

2. 系統能夠智能的分析生理數據并將結果以短信形式發送到測試者手機上，同時能夠智能緊急呼叫測試者。

3. 測試者可以使用電腦或手機等其它上網設備，通過瀏覽器訪問Boa服務器，查看存儲的生理數據信息。

通過性能測試表明：

測試者穿戴完畢上電后，設備智能工作。測試者可以實時收到生理數據短信提示，同時也可以通過網頁快速的訪問、修改生理數據。但受傳感器信號覆蓋范圍的影響(據測試，兩個傳感節點間可傳遞數據包的間隔距離上限為1.5米)，測試者的自有度有限。同時嵌入式設備存儲空間有限，存儲在SQLite數據中的數據會每隔一個小時以數據包的形式通過GSM發送給測試者。

總體來說該系統與傳統的醫療監測設備相比，具有易攜帶、低功耗、低成本等優點，在未來的家庭子女遠程監護老人和提高人們生活質量方面，有很大的市場前景。但系統仍存在不足，今后的工作主要是戶外無線傳感網絡環境的搭建研究，實現更大范圍、更實用的遠程醫療監控。