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利用BB-Black的远程医疗监测智能硬件设计

作者:时间:2018-08-22来源:网络收藏

导读: 本文以BeagleBone Black为核心,挂接ZigBee无线传感节点和GSM/GPRS模块;建立web服务器和SQLite数据库,接收、解析和存储ZigBee节点采集的生理数据,控制GSM/GPRS进行紧急呼救和发短信;让硬件智能化,提供自动生理监测功能,为人们的生活提供便利。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201808/387409.htm

本文以BeagleBone Black为核心,挂接ZigBee无线传感节点和GSM/GPRS模块;建立web服务器和SQLite数据库,接收、解析和存储ZigBee节点采集的生理数据,控制GSM/GPRS进行紧急呼救和发短信;让硬件智能化,提供自动生理监测功能,为人们的生活提供便利。

目前,医疗设备的主要缺陷是价格昂贵、体积庞大和非智能;随着技术的发展,近年来涌现了不少优化的智能医疗设备,给人们的生活带了极大便利。但仍存在功能单一,不可远程访问等缺陷。

BB-Black开发板以其价格便宜、功能强大等优点广泛应用于各种场景,怎样利用BB-Black设计一个更智能、功能更齐全的实时远程医疗监测系统,将是一个有意义、有市场前景的研究课题。

1. 应用系统总体结构设计描述

1.1 硬件平台相关介绍

设计共涉及BB-black、ZigBee和GSM/GPRS三个硬件模块。其中BB-black开发板为核心模块,是一款基于AM3359处理器的开发套件,其实物图如图1所示。处理器集成了高达 1GHz 的 ARM Cortex-A8 内核,并提供了丰富的外设接口和两个扩展接口,可扩展LCD、UART、eMMC、ADC、I2C、SPI和PWM等接口。其系统框图如图2所示。

AM3359 是基于 ARM Cortex-A8 内核的,在图像、图形处理、外设和诸如etherCAT 和 PROFIBUS 的工业接口选项方面进行了增强,并支持Linux、 WinCE 和Android 等高级操作系统。该处理器包含了多个子系统。单元(MPU)子系统基于 ARM Cortex-A8 ; POWERVR SGX 图形加速子系统用于 3D 图形加速以支持显示和游戏效果;可编程实时单元子系统(PRUSS)使用户可以创建各种超越本地外设的数字资源。此外,PRUSS 独立于 ARM 内核,这就允许设备有独立的操作和时钟,从而在复杂系统解决方案中有更大的灵活性。

图1 BB-black实物图背面(左),正面(右)

图2 BB-Black系统框图

1.2 系统功能模块及信息处理过程

系统的功能模块如下图3所示,主要由数据采集模块、GSM模块、远程登录模块和BB-Black模块四部分组成。其中生理数据模块采用ZigBee无线传感节点实时采集用户生理数据;GSM模块采用四频 GSM/GPRS ,实现紧急报警和定位;远程登录模块是指手机或其它上网设备,供用户远程访问和监控;BB-Black模块是本系统的核心模块,该模块又可分为数据处理、Boa服务器和SQLite数据库三部分。数据处理模块实现对数据的接收、解析、向SQLite数据库插入数据和向GSM模块下达紧急报警命令;SQLite数据库主要用于存储生理数据;Boa服务器则实现用户的远程访问查询SQLite数据中存储的生理数据。

图3 系统功能模块框图

正如上图所示系统的信息处理过程如下:

1. 生理数据采集模块实时采集生理数据。

用户可根据需要随身携带相应的生理数据检测模块(如:血压、血糖、脉搏等检测模块),在BB-black建立的无线传感网络覆盖范围内移动、实时生理数据采集,按IEEE 802.15.4的通讯标准,通过无线网络将生理数据包传送出去;在BB-black开发板上连接的ZigBee终端节点将数据包接收。

2. BB-black模块接收、分析和处理生理数据。

AM335x处理器定时的读取终端节点接收的数据包,通过解析得到数据包中的生理数据,并存储到SQLite数据库,同时根据健康指标对数据进行分析,若遇紧急情况,则向GSM/GPRS模块发AT控制命令,进行紧急呼救。

3. 监护人或医生可随时随地访问服务器查看、管理被监护人近期生理数据。

用户通过上网设备打开浏览器登陆Boa服务器,提交查询表单,即可访问SQLite上存储的被监护人的生理数据,实现远程了解被监护人近期身体状况,实现远程监控。

本系统应用场景可如图4所示。

图4 系统应用场景图

2. 远程监控功能实现

系统以BB-black为平台,提供用户远程登录访问Web服务器Boa,查看该服务器上的被监护人近期生理数据功能;为了实现数据存放功能,作者针对设备,采用开销小、可移植性强、便使用且高效的SQLite数据库。而CGI(Common Gateway Interface)通用网关接口,则是Web服务器和SQLite数据库之间的桥梁,作为客户端与Web服务器交互的标准接口,可按照该标准编写应用程序实现静态HTML网页无法实现的数据库访问和搜索功能,实现客户端与服务器的交互操作。其工作原理如下图5所示。

图5 远程监控模块软件构成与工作原理

首先,由客户端通过浏览器向服务器发起请求,嵌入式Web服务器端收到请求后触发指定的脚本程序对请求进行解析,并执行相应的CGI应用程序。

其次,CGI应用程序根据请求信息调用相应的SQLite数据库操作程序,并把数据库操作程序的执行结果以HTML文档形式传递给Web服务器;嵌入式Web服务器分析、处理HTML文档信息,并将最终数据内容传送给客户端浏览器。

最后,由客户端浏览器对数据内容进行解析,并以网页形式显示给客户。

2.1 嵌入式Web服务器Boa

2.1.1 嵌入式服务器Boa的选用

ARM Linux开发环境下支持httpd、thttpd和Boa三种嵌入式Web服务器。作者选用的是可执行文件小、运行过程中需要的资源小的嵌入式Web服务器Boa。

Boa作为一种单任务的HTTP服务器,通过建立HTTP请求列表来处理多路HTTP连接请求,同时在处理请求过程只为CGI程序创建新进程,在最大程度上节省了系统资源,对嵌入式系统来说至关重要。同时它还具有自动解压文件、生成目录等功能。

2.1.2 Boa功能实现

设计中Boa服务器需实现接收客户端请求、分析请求、响应请求和向客户端返回请求结果等任务。其工作流程如下图5所示。

图6 Boa服务器工作流程

Boa服务器初始化工作代码实现:


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关键词: 微处理器 嵌入式

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