基于Linux系統(tǒng)的5G通信技術(shù)在醫(yī)療服務(wù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

摘要：本文從智慧醫(yī)療服務(wù)談起，將5G技術(shù)應(yīng)用于相應(yīng)的科室，例如：麻醉科、婦產(chǎn)科、兒科等需要輸液的科室，致力于幫助緩解護(hù)士壓力，提高醫(yī)院治療效率；或?qū)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/5G通信技術(shù)應(yīng)用">5G通信技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程醫(yī)療中。介紹如何將5G通信技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計(jì)中，從而提升醫(yī)生診斷效率、改善患者就醫(yī)體驗(yàn)、實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源遠(yuǎn)程共享和實(shí)時(shí)信息交互， 有效緩解醫(yī)療資源匱乏、醫(yī)護(hù)人員短缺、醫(yī)療水平分布不均等問題^[1]。

關(guān)鍵詞：5G通信技術(shù)應(yīng)用；智慧醫(yī)療；Linux

0 引言

目前全國已有超過 600 家醫(yī)院部署了 5G 室內(nèi)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò) ^[2]。由此可以看出，5G 醫(yī)療在提升診療效率、提升醫(yī)療服務(wù)水平的同時(shí)也給醫(yī)院管理層帶來啟示，對于智慧醫(yī)療系統(tǒng)、智慧管理系統(tǒng)和智慧服務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)起到了積極的促進(jìn)作用。

1 總體方案設(shè)計(jì)

總體方案如圖 1 所示，主要由 5G 基帶模塊與 SIM/ USIM 卡接口、RS232 調(diào)試串口、千兆以太網(wǎng)電路、復(fù)位電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路等組成。本設(shè)計(jì)利用 LoRa 進(jìn)行傳輸 ，從站 LoRa 模塊給主站 LoRa 模塊發(fā)數(shù)據(jù)，再通過無線模塊與核心板的連接，將數(shù)據(jù)傳輸至 Linux 系統(tǒng)核心板。數(shù)據(jù)通過核心板處理傳至 5G 基帶模塊，最后上傳到云服務(wù)器，完成數(shù)據(jù)的傳輸?？蓪?shí)現(xiàn)實(shí)施監(jiān)控多設(shè)備參數(shù)。例如：將無線模塊插入輸液泵中，那么數(shù)據(jù)就可以利用所設(shè)計(jì)的 5G 網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)傳輸至云服務(wù)器，護(hù)士便可以靈活觀察多個(gè)輸液泵情況，合理安排時(shí)間，也可將次設(shè)計(jì)應(yīng)用到遠(yuǎn)程醫(yī)療中，具有高帶寬、低時(shí)延等優(yōu)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 Linux系統(tǒng)核心板

NXP QorIQ LS1028A 應(yīng)用處理器包括支持時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN) 的以太網(wǎng)交換機(jī)和以太網(wǎng)控制器，可支持融合的 IT（信息技術(shù)）和 OT（操作技術(shù)）網(wǎng)絡(luò)。兩個(gè)功能強(qiáng)大的 64 位 Arm^?v8 內(nèi)核支持工業(yè)控制的實(shí)時(shí)處理，以及物聯(lián)網(wǎng)中邊緣計(jì)算的虛擬機(jī)。內(nèi)置 GPU 和 LCD 控制器使人機(jī)接口 (HMI) 系統(tǒng)支持新一代接口。LS1028A 處理器內(nèi)置一個(gè) SerDes 模塊，分為 4 個(gè) lane 高速接口以支持各種協(xié)議，例如 SGMII，QSGMII，PCIe 和 SATA。集成可信架構(gòu)帶有加密分流功能，可提供能夠加密通信的可信平臺，適用于安全的應(yīng)用和服務(wù)。

Linux 系統(tǒng)具有高效性和靈活性 ^[3]，Linux 核心板嵌入多核應(yīng)用處理器，具有高集成小系統(tǒng)，板載以太網(wǎng)口，具有豐富的外設(shè)接口，可以滿足本方案的設(shè)計(jì)。

如圖 2 所示，為 FET1028A-C 系列核心板接口管腳定義，核心板含有大量的接口資源，共 160 個(gè)管腳，用不到的管腳做懸空或加上下拉電阻處理。

2.2 5G基帶模塊

5G 模塊主要用來進(jìn)行無線通信，要求其具有強(qiáng)大的擴(kuò)展能力和豐富的接口。模塊的供電、開機(jī)、復(fù)位等功能都由 Linux 核心板來控制。移遠(yuǎn) RM500Q-GL 是標(biāo)準(zhǔn)的 M.2 Key-B WWAN 接口模塊，符合 PCIe M.2 接口規(guī)范，同時(shí)符合 USB 3.1 和 USB 2.0 規(guī)范。擁有 (U) SIM 接口、USB 接口、PCIe 接口、PCM 接口等豐富的外設(shè)。可通過 USB 和 PCIe 兩種接口模式來與 Linux核心板進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。RM500Q-GL 支持 Windows、Linux 和 Android 等嵌入式系統(tǒng)。為工規(guī)級模塊，并支持 GNSS 多模定位功能和語音功能以滿足不同的應(yīng)用場景需求 ^[4]。

本設(shè)計(jì)中 5G 模塊與 Linux 核心板之間通過 USB3.1 接口模式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。5G 模塊包括電源管理、基帶、LPDDR4X SDRAM+NAND 存儲器、射頻部分、M.2 Key-B 接口等，其功能框圖如圖 3 所示。

2.3 以太網(wǎng)接口

LS1028A 的 serdes 通道 SD1_TX1/RX1 配置為了 QSGMII，底板采用以太網(wǎng)收發(fā)芯片 QCA8075 引出 4 組網(wǎng)口至 RJ45 插座。QCA8075 被配置為 QSGMII+SGMII 模式，但是其中的 SGMII 引腳沒有使用到，所以相關(guān)引腳保持懸空。千兆以太網(wǎng) PHY 部分參考電路如圖 4 所示。

2.4 RS232 調(diào)試串口

Linux 核心板引出的 UART1 是調(diào)試串口，1.8 V 電平。經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片 LSF0204RUTR 轉(zhuǎn)換為 3.3 V 電平，再經(jīng) RS232 芯片 MAX3232ID 轉(zhuǎn)換為 RS232 電平。其中 3.3 V 電平調(diào)試串口由 XH-2.54 mm 白色端子引出；RS-232 電平調(diào)試串口通過標(biāo)準(zhǔn) DB9 公頭座子引出，波特率 115200。串口調(diào)試參考電路如圖 5 所示。

2.5 復(fù)位電路

電路可設(shè)計(jì)復(fù)位鍵，按下后可關(guān)閉核心板上所有電源，實(shí)現(xiàn)給整板斷電復(fù)位的功能。如圖 6 復(fù)位電路所示。

2.6 電源模

電路電源為直流 12 V，由 DC005 插座引入。該直流 12 V 電源經(jīng)過功率 MOS 管之后向核心板供電。核心板上電后會向底板輸出 1V8 信號， 1V8 控制底板 VCC 5 V 上 電。此部分電路是為了保證核心板先上電，底板后上電，以防閂鎖效應(yīng)的發(fā)生損壞 CPU^[5]。電路如圖 7 所示。

2.7 SIM卡接口電路

5G 模塊內(nèi)置雙 USIM 接口，支持 雙卡單待功能，模塊可支持 (U)SIM 卡熱插拔功能。(U)SIM 檢測引腳支持高 / 低電平檢測。SIM 接口支持 1.8 V 和 3 V SIM 卡 ( 電壓自適應(yīng) )，拔插請注意區(qū)分 SIM 卡正反面。5G 用的 microSIM 卡座接口電路如圖 8 所示。

2.8 LoRa無線模塊

LoRa 無線技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、低功耗 ( 電池壽命長 )、抗干擾、多節(jié)點(diǎn)、低成本的特性 ^[5] 。LoRa 基 于 Sub-GHz 的 頻段使其更易以較低功耗進(jìn)行 遠(yuǎn)距離通信 , 可以使用電池供 電或者其他能量收集的方式供電 ; 較低的數(shù)據(jù)速率也延長了 電池壽命和增加了網(wǎng)絡(luò)的容 量。LoRa 信號對建筑的穿透 力也很強(qiáng)。LoRa 的這些技術(shù) 特點(diǎn)更適合于低成本大規(guī)模的 物聯(lián)網(wǎng)部署 ^[6]。

由于 LoRa 模塊應(yīng)用起來工作量比較大本次設(shè)計(jì)使用核心板的通用 UART2 串口對 LoRa 模塊的復(fù)位和收發(fā)等引腳進(jìn)行控制。參考原理圖如下圖 9 所示。

3 軟件開發(fā)

3.1 編譯環(huán)境搭建

flexbuild 是 NXP 官方提供的 QorIQLS 系列的編譯環(huán)境，flexbuild 中提供了整個(gè)系統(tǒng)編譯需要的所有源碼 , 比如 linux 內(nèi)核、uboot、firmware、app 程序以及一個(gè)完整的文件系統(tǒng)。對于文件系統(tǒng) , 用戶可直接使用。步驟分三步：1. 下載 flexbuild 包并解壓，注意編譯過程中使用 root 用戶操作，2. 將主要目錄 / 文件簡介放到虛擬機(jī)內(nèi)，3. 設(shè)置環(huán)境變量。

3.2 全部編譯

第一次進(jìn)行編譯時(shí) , 使用全部編譯命令進(jìn)行編譯 , 只需要一條命令就可以編譯出所有需要的文件。生成的文件位于 build/images 目錄。

3.3 打包燒寫鏡像

將在 linux-fs 目錄生成 images.tar.bz2，后續(xù)可以直接解壓到燒寫 U 盤中。

3.4 單獨(dú)編譯

Firmware Ls 系列的芯片在啟動時(shí)需要加載一些固件，例如 rcw( 復(fù)位控制字 )，uboot 等，如對上述文件進(jìn)行了修改， 就需要重新編譯并將這些文件打包成一個(gè) firmware 鏡像文件，燒寫到啟動設(shè)備中。支持 EMMC、TF 卡、XSPI 啟動，需要將特定的 Firmware 燒寫到對應(yīng)的介質(zhì)中。

3.5 單獨(dú)編譯內(nèi)核及模塊

將編譯好的內(nèi)核、設(shè)備樹文件更新到 build/images 目錄 ^[7]。

3.6 單獨(dú)編譯app程序

packages/apps 包含了平臺相關(guān)的上層應(yīng)用層工具，例如 OpenSSL 如對這部分的源碼有所改動，需要單獨(dú)編譯。

4 驗(yàn)證結(jié)果

將電路焊接完成，測試電路正常，燒寫程序，利用串口調(diào)試助手、電腦 A 與電腦 B 等工具。

將無線模塊 LoRa A 連接電腦 A，無線模塊 LoRa B 連接所設(shè)計(jì)的電路，將 SIM 卡插入電路中。電腦 A 通過串口助手，將數(shù)據(jù)從 LoRa A 發(fā)送至 LoRa B，5G 開發(fā)板通過數(shù)據(jù)處理程序從 LoRa B 中提取數(shù)據(jù) , 然后把獲得的數(shù)據(jù)通過 5G 模塊發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)的 TCP Server 中，流程如圖 10。

如果電腦 B 處于內(nèi)網(wǎng) , 可通過內(nèi)網(wǎng)穿透器將電腦 B 的 TCP Server 的地址端口映射到外網(wǎng)上。LoRa A 通過電腦 A 的調(diào)試串口發(fā)送數(shù)據(jù)（圖 11 所示），電腦 B 可以實(shí)時(shí)接收，（圖 12 所示）。

5 結(jié)語

本項(xiàng)目充分利用了無線通信技術(shù)、集成電路單片機(jī)技術(shù)、以及嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款擁有高速率，低延遲，高帶寬的 5G 應(yīng)用。本文從硬件、軟件角度細(xì)致講解出發(fā)，介紹了 5G 應(yīng)用的各個(gè)模塊，使得讀者能夠全面了解 5G 應(yīng)用的設(shè)計(jì)步驟?？梢詫?LoRa 無線模塊放入各種各樣的醫(yī)療設(shè)備中，這樣可以通過此設(shè)計(jì)進(jìn)行 5G 無線傳輸，將5G應(yīng)用到醫(yī)療設(shè)備中。具有較強(qiáng)的實(shí)用性價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李大燦.新冠肺炎疫情防控中5G智慧醫(yī)療服務(wù)體系的構(gòu)建[J].中華急診醫(yī)學(xué)雜志,2020(07):49-53.

[2] 李彤.衛(wèi)生大事記[G].武漢衛(wèi)生健康年鑒,2020.

[3] 陳逸非.基于大容量Flash的高效Linux文件系統(tǒng)改進(jìn)和實(shí)現(xiàn)[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2007.

[4] 耿黃政.一種新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺車載終端軟硬件設(shè)計(jì)[J].科技與創(chuàng)新,2019(10):37-39.

[5] 饒偉.基于LORA無線通信技術(shù)和MQTT協(xié)議的電力環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].深圳：深圳大學(xué)，2020.

[6] 何進(jìn).物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電訊技術(shù),2019(07):19-22.

[7] 張峰.Linux機(jī)載紅外偵察設(shè)備中的應(yīng)用[J].紅外與激光工程,2007(05):21-24.

(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年8月期)