基于Linux系统的5G通信技术在医疗服务的应用设计

摘要：本文从智慧医疗服务谈起，将5G技术应用于相应的科室，例如：麻醉科、妇产科、儿科等需要输液的科室，致力于帮助缓解护士压力，提高医院治疗效率；或将5G通信技术应用于远程医疗中。介绍如何将5G通信技术应用到设计中，从而提升医生诊断效率、改善患者就医体验、实现优质医疗资源远程共享和实时信息交互， 有效缓解医疗资源匮乏、医护人员短缺、医疗水平分布不均等问题^[1]。

关键词：5G通信技术应用；智慧医疗；Linux

0 引言

目前全国已有超过 600 家医院部署了 5G 室内数字化网络 ^[2]。由此可以看出，5G 医疗在提升诊疗效率、提升医疗服务水平的同时也给医院管理层带来启示，对于智慧医疗系统、智慧管理系统和智慧服务系统的建设起到了积极的促进作用。

1 总体方案设计

总体方案如图 1 所示，主要由 5G 基带模块与 SIM/ USIM 卡接口、RS232 调试串口、千兆以太网电路、复位电路、实时时钟电路等组成。本设计利用 LoRa 进行传输 ，从站 LoRa 模块给主站 LoRa 模块发数据，再通过无线模块与核心板的连接，将数据传输至 Linux 系统核心板。数据通过核心板处理传至 5G 基带模块，最后上传到云服务器，完成数据的传输。可实现实施监控多设备参数。例如：将无线模块插入输液泵中，那么数据就可以利用所设计的 5G 网关实时传输至云服务器，护士便可以灵活观察多个输液泵情况，合理安排时间，也可将次设计应用到远程医疗中，具有高带宽、低时延等优点。

2 系统硬件设计

2.1 Linux系统核心板

NXP QorIQ LS1028A 应用处理器包括支持时间敏感网络 (TSN) 的以太网交换机和以太网控制器，可支持融合的 IT（信息技术）和 OT（操作技术）网络。两个功能强大的 64 位 Arm^®v8 内核支持工业控制的实时处理，以及物联网中边缘计算的虚拟机。内置 GPU 和 LCD 控制器使人机接口 (HMI) 系统支持新一代接口。LS1028A 处理器内置一个 SerDes 模块，分为 4 个 lane 高速接口以支持各种协议，例如 SGMII，QSGMII，PCIe 和 SATA。集成可信架构带有加密分流功能，可提供能够加密通信的可信平台，适用于安全的应用和服务。

Linux 系统具有高效性和灵活性 ^[3]，Linux 核心板嵌入多核应用处理器，具有高集成小系统，板载以太网口，具有丰富的外设接口，可以满足本方案的设计。

如图 2 所示，为 FET1028A-C 系列核心板接口管脚定义，核心板含有大量的接口资源，共 160 个管脚，用不到的管脚做悬空或加上下拉电阻处理。

2.2 5G基带模块

5G 模块主要用来进行无线通信，要求其具有强大的扩展能力和丰富的接口。模块的供电、开机、复位等功能都由 Linux 核心板来控制。移远 RM500Q-GL 是标准的 M.2 Key-B WWAN 接口模块，符合 PCIe M.2 接口规范，同时符合 USB 3.1 和 USB 2.0 规范。拥有 (U) SIM 接口、USB 接口、PCIe 接口、PCM 接口等丰富的外设。可通过 USB 和 PCIe 两种接口模式来与 Linux核心板进行数据通信。RM500Q-GL 支持 Windows、Linux 和 Android 等嵌入式系统。为工规级模块，并支持 GNSS 多模定位功能和语音功能以满足不同的应用场景需求 ^[4]。

本设计中 5G 模块与 Linux 核心板之间通过 USB3.1 接口模式进行数据通信。5G 模块包括电源管理、基带、LPDDR4X SDRAM+NAND 存储器、射频部分、M.2 Key-B 接口等，其功能框图如图 3 所示。

2.3 以太网接口

LS1028A 的 serdes 通道 SD1_TX1/RX1 配置为了 QSGMII，底板采用以太网收发芯片 QCA8075 引出 4 组网口至 RJ45 插座。QCA8075 被配置为 QSGMII+SGMII 模式，但是其中的 SGMII 引脚没有使用到，所以相关引脚保持悬空。千兆以太网 PHY 部分参考电路如图 4 所示。

2.4 RS232 调试串口

Linux 核心板引出的 UART1 是调试串口，1.8 V 电平。经过电平转换芯片 LSF0204RUTR 转换为 3.3 V 电平，再经 RS232 芯片 MAX3232ID 转换为 RS232 电平。其中 3.3 V 电平调试串口由 XH-2.54 mm 白色端子引出；RS-232 电平调试串口通过标准 DB9 公头座子引出，波特率 115200。串口调试参考电路如图 5 所示。

2.5 复位电路

电路可设计复位键，按下后可关闭核心板上所有电源，实现给整板断电复位的功能。如图 6 复位电路所示。

2.6 电源模

电路电源为直流 12 V，由 DC005 插座引入。该直流 12 V 电源经过功率 MOS 管之后向核心板供电。核心板上电后会向底板输出 1V8 信号， 1V8 控制底板 VCC 5 V 上 电。此部分电路是为了保证核心板先上电，底板后上电，以防闩锁效应的发生损坏 CPU^[5]。电路如图 7 所示。

2.7 SIM卡接口电路

5G 模块内置双 USIM 接口，支持 双卡单待功能，模块可支持 (U)SIM 卡热插拔功能。(U)SIM 检测引脚支持高 / 低电平检测。SIM 接口支持 1.8 V 和 3 V SIM 卡 ( 电压自适应 )，拔插请注意区分 SIM 卡正反面。5G 用的 microSIM 卡座接口电路如图 8 所示。

2.8 LoRa无线模块

LoRa 无线技术具有远距离、低功耗 ( 电池寿命长 )、抗干扰、多节点、低成本的特性 ^[5] 。LoRa 基 于 Sub-GHz 的 频段使其更易以较低功耗进行 远距离通信 , 可以使用电池供 电或者其他能量收集的方式供电 ; 较低的数据速率也延长了 电池寿命和增加了网络的容 量。LoRa 信号对建筑的穿透 力也很强。LoRa 的这些技术 特点更适合于低成本大规模的 物联网部署 ^[6]。

由于 LoRa 模块应用起来工作量比较大本次设计使用核心板的通用 UART2 串口对 LoRa 模块的复位和收发等引脚进行控制。参考原理图如下图 9 所示。

3 软件开发

3.1 编译环境搭建

flexbuild 是 NXP 官方提供的 QorIQLS 系列的编译环境，flexbuild 中提供了整个系统编译需要的所有源码 , 比如 linux 内核、uboot、firmware、app 程序以及一个完整的文件系统。对于文件系统 , 用户可直接使用。步骤分三步：1. 下载 flexbuild 包并解压，注意编译过程中使用 root 用户操作，2. 将主要目录 / 文件简介放到虚拟机内，3. 设置环境变量。

3.2 全部编译

第一次进行编译时 , 使用全部编译命令进行编译 , 只需要一条命令就可以编译出所有需要的文件。生成的文件位于 build/images 目录。

3.3 打包烧写镜像

将在 linux-fs 目录生成 images.tar.bz2，后续可以直接解压到烧写 U 盘中。

3.4 单独编译

Firmware Ls 系列的芯片在启动时需要加载一些固件，例如 rcw( 复位控制字 )，uboot 等，如对上述文件进行了修改， 就需要重新编译并将这些文件打包成一个 firmware 镜像文件，烧写到启动设备中。支持 EMMC、TF 卡、XSPI 启动，需要将特定的 Firmware 烧写到对应的介质中。

3.5 单独编译内核及模块

将编译好的内核、设备树文件更新到 build/images 目录 ^[7]。

3.6 单独编译app程序

packages/apps 包含了平台相关的上层应用层工具，例如 OpenSSL 如对这部分的源码有所改动，需要单独编译。

4 验证结果

将电路焊接完成，测试电路正常，烧写程序，利用串口调试助手、电脑 A 与电脑 B 等工具。

将无线模块 LoRa A 连接电脑 A，无线模块 LoRa B 连接所设计的电路，将 SIM 卡插入电路中。电脑 A 通过串口助手，将数据从 LoRa A 发送至 LoRa B，5G 开发板通过数据处理程序从 LoRa B 中提取数据 , 然后把获得的数据通过 5G 模块发送到互联网的 TCP Server 中，流程如图 10。

如果电脑 B 处于内网 , 可通过内网穿透器将电脑 B 的 TCP Server 的地址端口映射到外网上。LoRa A 通过电脑 A 的调试串口发送数据（图 11 所示），电脑 B 可以实时接收，（图 12 所示）。

5 结语

本项目充分利用了无线通信技术、集成电路单片机技术、以及嵌入式技术，设计了一款拥有高速率，低延迟，高带宽的 5G 应用。本文从硬件、软件角度细致讲解出发，介绍了 5G 应用的各个模块，使得读者能够全面了解 5G 应用的设计步骤。可以将 LoRa 无线模块放入各种各样的医疗设备中，这样可以通过此设计进行 5G 无线传输，将5G应用到医疗设备中。具有较强的实用性价值。

参考文献：

[1] 李大灿.新冠肺炎疫情防控中5G智慧医疗服务体系的构建[J].中华急诊医学杂志,2020(07):49-53.

[2] 李彤.卫生大事记[G].武汉卫生健康年鉴,2020.

[3] 陈逸非.基于大容量Flash的高效Linux文件系统改进和实现[D].上海:同济大学,2007.

[4] 耿黄政.一种新能源汽车远程监测平台车载终端软硬件设计[J].科技与创新,2019(10):37-39.

[5] 饶伟.基于LORA无线通信技术和MQTT协议的电力环境监测系统的研究与设计[D].深圳：深圳大学，2020.

[6] 何进.物联网燃气表系统的设计与实现[J].电讯技术,2019(07):19-22.

[7] 张峰.Linux机载红外侦察设备中的应用[J].红外与激光工程,2007(05):21-24.

(注：本文转载自《电子产品世界》杂志2022年8月期)