（信号与信息处理专业论文）无线远程医疗监控终端.pdf

学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得江西科技师范学 院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：凌舻水 签字日期： 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解婆酉抖技缅菹堂院有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权江酉型撞! 匝菹堂院可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ： 批术 导师签名( 手写) ：训 1 讲v 签字日期：年月 日 签字日期： 年月日 摘要 摘要 现代远程医疗监控系统通常结合传统医疗监控和现代先进的电子通信技 术。它广泛结合了医疗技术和现在先进的电子计算机技术。通过引入远程医疗 监控系统，医疗机构可以对患有不同疾病的病人实施远程监控管理，从而节省 资源、降低消耗、提高监控有效性。无线远程医疗监控终端是以嵌入式技术为 基础将医用传感器技术和现代先进的通信技术，如g p s g s m 技术，进行有效 的结合，应用于医疗监控的一个终端，具有广泛的社会应用价值。本课题研究 设计的一个无线远程医疗监控终端就是一个利用a r m 处理器技术和g p s g s m 技术以及l i n u x 技术有效结合的监控终端。本文在研究以往远程监控系统的基础 上，针对手持终端提出了基于嵌入式a r m 和l i n u x 操作系统的解决方案。控制 系统的硬件结构以a i t m ( a d v a n c e d 对s cm a c h i n e s ) 内核的s 3 c 2 4 4 0 为核心， 采用模块化的设计思想，主要完成g p s 位置信息采集模块、g s m 无线收发模 块以及在l i n u x 系统下通过软件实现的一些终端的附加功能，如接收并处理命 令，定时发送功能，视频打开和关闭等。利用l i n u xc 开发环境，完成无线监控 终端的上位机的控制软件的开发。为提高系统运行的稳定性，软件方面采取了 相应的抗干扰措施。 关键词：无线远程医疗监控s 3 c 2 4 4 0 嵌入式系统l i n u x a b s t r a c t a bs t r a c t m o d e mr e m o t em e d i c a lm o n i t o r i n gs y s t e mi so r e nc o m b i n e dw i t ht m d i t i o n a l m e d i c a jm o n i t o r i n ga n dm o d e ma d v a n c e de l e c t r o n i cc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s n o w ，i tc o u i dw i d e l yc o m b i n ew i t ha d v a n c e dm e d i c a lt e c h n o l o g y 锄dc o m p u t e r t e c h n o l o g y t h r o u g ht h ei n t r o d u c t i o no f r e m o t cm e d i c a lm o n i t o r i n gs y s t e m ，m e d i c a l i n s t i t u t i o n sc o u l dm o n i t o ra n dm a n a g ep a t i e n t sw h o s u f r e r i n g 行o md i 仃e r e n td i s e a s e s i nr e m o t ea r e a ， s oi tc o u l d鼢v e r e s o u r c e s ，r e d u c ec o n s u m p t i o na n di n c r e a s e m o n j t o r j n ge f l e c t j v e n e s s w i r e l e s sr e m o t em e d i c a lm o n i t o r i n gt e r 玎1 j n a li sb a s e do n e m b e d d e dt e c h n o l o g y ，c o m b i n e sw i t hm e d i c a ls e n s o r t e c h n o l o g ya n dm o d e m a d v a n c e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o 鼢s u c ha sg p s g s m t e c h n o l o g ) ，1 1 1 et e r n l i n a l i sa p p l i e di nm e d i c a lm o n i t o r i n g ，w i t haw i d er 明g eo fs o c i a lv a l u e t h ew i r e l e s s r e m o t em e d i c a lm o n i t o r i n gt e m l i n a l ，w h i c hi sd e s i g n e di nt h i sp a p e r ，i sat e l l l l i n a l w h i c he 脏c t j v e l yc o m b j n e sw 淌a r mp r o c e s s o rt e c 量l n o l o g y 锄dg p s g s m t e c h n o l o 黟n et e n n i n a li sb a s e do nl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m b a s e do nt h es t u d y ，t h e r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hi ss t u d yi nt h ep a s t ，t h ep a p e r p r o p o s eas o l u t i o n ， w h i c hi sb a s e do ne m b e d d e da r mt e c h n o l o g ya n dl i n u x o p e r a t i n gs y s t e m t e c h n o l o g y ，f o rt h eh a n d h e l dt e m i n a l s 3 c 2 4 4 0b a s e do na r mw a sac o r ef o rt h e h a r d w a r ei n s 劬c t i o no fc o n t r o ls y s t e m ，t h eh a r d w a r ei n t e r 伍c ec i r c u i tw a sd e s i g n e d w 油m o d u l a rd e s i g n ，i n c l u d i n gc o l l e c t i n gt h eg p s p o s i t i o ni n f o m a t i o n ，c o n t r o l l i n g t h eg s mm o d u l a rw o r k j n g ，a c h i e v i n gs o m ea d d i t i o n a lf e a t u r e st h r o u g hs o f w a r ei n t h ei i n u ) 【s y s t e m ，s u c h 嬲f e c e i v i n g 觚dp r o c e s s i n go r d e r s ，s e n d i n ga taf a x e dt i m e ， o p e n i n ga n dc l o s i n gv i d e oa n ds oo n t h ed e v e l o p m e n te n v i r 0 姗e n ti sl i n u xc a t t h i s e n v i r 0 舢e n t t h ep a p e rc o m p j e t et h ew i r e l e s s m o n i t o r i n g t e r i n i n a l s c o n 仃- 0 i l i n gp cs o f h v a r e i no r d e r t oi m p r o v es y s t e ms t a b i l i 吼t h es o f 呐a r eh a st a k e n t h ea p p r o p r i a t ea n t i ：i a m m i n gm e a s u r e s 1 ( e yw o r d s ：w h l e s sr e m o t e ，m e d i c a lm o n 的r ，s 3 c 2 4 4 0 ，e m b e d d e ds y s t e m ，l i n u ) 【 n 目录 目录 摘要i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1 社会需求背景l 1 1 2 技术发展背景3 1 2 研究现状和发展方向3 1 2 1 世界范围内的发展过程及现状3 1 2 2 医院中的应用发展过程及现状5 1 2 3 总体发展现状6 1 3 论文的研究目标和内容7 1 3 1 论文的研究目标7 1 3 2 论文的研究内容8 1 4 本章小结8 第二章无线远程医疗监控终端的总体设计1 0 2 1 控制系统的系统设计概述1 0 2 1 1 控制系统总体设计流程1 0 2 1 2 主控处理器的选择1 l 2 1 3s 3 c 2 4 4 0 简介1 2 2 1 4 嵌入式操作系统的类型选择1 4 2 2 系统的整体结构框架1 6 2 3 系统的主要硬件接口设计1 8 2 4 系统的应用软件设计2 0 2 4 1 系统的应用软件设计思路2 0 2 4 2 多任务处理的系统设计2 0 i i i 目录 2 4 3 系统的软件流程2 2 2 5 命令和数据格式的协议设计2 3 2 6 本章小结2 4 第三章基于a r m 和g p s 的软件设计2 6 3 1g p s 概述2 6 3 1 1g p s 定义2 6 3 1 2g p s 构成2 6 3 1 - 3g p s 原理2 7 3 1 4g p s 特点2 8 3 2g s t a r 系列g p s 模块芯片g s 一9 4 2 8 3 3n m e a 一0 1 8 3 协议简介3 0 3 3 1n m e a 一0 1 8 3 协议3 0 3 3 2 主要命令分析3 2 3 4 基于a r m 和g s 一9 4 芯片的软件实现3 4 3 4 1g p s 模块的软件设计3 4 3 4 2g p s 模块任务与主线程间的通信3 5 3 4 3g p s 模块的工作流程：3 6 3 5 实验结果3 7 3 6 本章小结3 9 第四章基于a r m 和g s m 的软件设计4 1 4 1g s m 技术及g s m 模块4 l 4 1 1g s m 技术4 1 4 1 2g s m 模块4 2 4 2a t 指令协议简介4 4 4 2 1a t 指令集概述4 4 4 2 2 短消息命令介绍4 4 4 3 基于a r m 和g p r sm o d e m 模块的软件实现4 5 4 3 1g s m 模块的软件设计4 5 4 3 2g s m 模块任务与主线程间的通信4 6 目录 4 3 3g s m 模块的工作流程4 7 4 4 实验结果分析4 9 4 5 本章小结5 1 第五章系统功能的软件实现5 2 5 1 系统功能简介5 2 5 2 命令功能的软件实现5 2 5 2 1 命令功能的软件设计5 2 5 2 2 命令功能实现5 3 5 3 定时发送功能的实现5 5 5 4 视频的实现和传输5 6 5 4 1 视频的实现5 6 5 4 2 基于t s 打包形式的传输5 7 5 5 出错处理的软件实现6 2 5 6 本章小结6 5 第六章总结和展望6 7 6 1 工作总结6 7 6 2 未来展望6 7 致谢6 8 参考文献6 9 攻读学位期间的研究成果7 1 v 第1 章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 现代无线远程医疗监控系统一般是结合了传统的医疗监控和先进的现代通 讯技术。通过引入无线远程医疗监控系统，医疗机构可以对患有不同疾病的病 人实施远程实时监控管理，从而达到节省资源、降低消耗、提高监控有效性的 效果。 便携式医疗电子指便于携带在人身上的用于医疗专用诊断、监护、治疗等 方面的电子仪器和设备。包括：便携式心电图机、便携式呼吸机、便携式心脏 除颤器、动态脑电图仪、便携式多参数监护仪、便携式母婴监护仪、便携式超 声诊断仪、便携式肺功能测试仪、便携式胎儿监测仪、电子肺活量计等。 便携式个人健康定位终端是一个携带在人们身上的一个小的便携式电子产 品，它能够测量出一些人体基本的生理健康信息，并将这个信息发送给医院监 控中心，于此同时这个终端还能采集出用户的地理位置信息，这样就便于医院 监控中心在发现问题时进能行及时的救助。 本文所述的健康定位终端使得病患可以在医院的实时监控下进行活动，使 得患者有了较为自由的活动空间，这个终端可以每隔一定的时间自动进行测量， 并将结果发送给监控中心，病患也可以自己进行相应的测量。 1 1 1 社会需求背景 随着人们生活水平的提高，生活节奏的加快，中国老年化人口的增多，使 得年轻人的社会压力变得越来越大，这样对家庭、老人、小孩的照顾变得力不 从心，很多都是老年人带着小孩。这样的发展对老人和小孩都是不利的，这就 使得人们对便携式无线监控产品的需求变得迫切。 人们生活水平的提高、生活节奏的加快也使得各种疾病的发病率迅速上升， 已成为威胁人类身体健康的主要因素之一。而治疗疾病的主要依据则是种疾病 的测量仪器，根据测得的这些信息可以可靠的判断出病人的生理疾病信息。常 规的测量仪器是病人在静静的情况下由医生进行测量，历时仅为几分钟，只能 第l 章绪论 获取少量有关健康状态的信息，所以在有限时间内即使发生生理变化，被发现 的概率也是很低的。因此有必要通过相应的监护装置对患者进行长时问的实时 监护，记录患者的长期的生理信息数据。又由于患者发病具有突发性的特点， 患者不可能长时间地静静在医院，但又需实时得到医护人员的监护，所以研发 相应的便携式无线监控产品就显得更加重要。 便携式医疗电子的市场规模不断扩大，预计在未来的几年内会不断扩大， 加上中国政府对医疗的大力支持，对医疗改革的不断完善，使得未来的便携式 医疗电子的市场呈现出繁荣的气象。受惠于中国政府医疗改革以及居民对健康 保健的重视，使得中国的便携式医疗电子规模也在不断扩大。下面既是一个来 自2 0 1 0 一2 0 1 5 年便携式医疗电子产品市场发展前景分析及投资风险预测报告的 中国大陆便携式医疗电子产品市场规模表( 表1 1 ) 和一幅来自2 0 l o 中国半导 体市场年会会刊上的中国大陆医疗电子产品总销售额表( 表1 2 ) 。 表1 1 中国大陆便携式医疗电子产品市场规模表 2 0 1 02 0 1 1 2 0 0 52 0 0 6 2 0 0 72 0 0 82 0 0 9 预测预测 市场规模( 百万美元) 8 2 21 0 2 51 3 1 61 8 6 92 4 0 63 1 0 04 0 5 9 市场规模同比增长( ) 2 2 o2 4 72 8 44 2 o2 8 72 8 83 0 o 表1 2 中国大陆医疗电子产品总销售额表 2 0 1 0 预2 0 1 1 预 2 0 0 52 0 0 62 0 0 7 2 0 0 82 0 0 9 测测 产品总销售收入( 亿美 2 6 0 22 7 3 0 3 2 6 23 8 9 04 6 9 6 5 6 3 56 8 7 5 元) 产品总销售收入同比 增长( ) 1 2 o5 01 9 52 2 6 1 8 o2 0 o2 2 0 便携式产品销售额( 美 元) 1 1 7 61 3 9 8 1 7 1 32 3 3 02 7 3 83 4 2 34 3 8 0 便携式产品销售同比 1 7 51 8 92 2 53 4 21 9 o2 5 02 8 o 增长( ) 2 第1 章绪论 1 1 2 技术发展背景 虽说国内的无线监控设备产品在目前已有成型的，但它们大都采用的方案 都是“采集器+ 发送器( 手机或p d a ) ”【2 1 ，这必然导致其价格昂贵，而且绝大部 分患者对手机或p d a 的其他功能根本没有使用的必要，所以到目前为止国内实 用的无线健康监控产品领域还是不是很成熟。所以本项目的研究将会给无线健 康监控领域带来新的技术应用。 而便携式医疗电子的未来发展趋势也是便携式、低功耗、信息化、低成本、 无线化、安全性、网络化和远程化，无线远程医疗监控终端做为便携式医疗电 子的一种，符合这种发展趋势【3 l 。这些也是当前医疗电子行业最为关注的热点。 如图1 1 所示，为便携式医疗电子产品发展趋势图： 图1 1 便携式医疗电子产品发展趋势图 1 2 研究现状和发展方向 1 2 1 世界范围内的发展过程及现状 在1 9 9 3 年，m o m 提出，要是粗略的划分一下无线远程医疗监控过程，可 第1 章绪论 以划分为4 个主要部分，即：生理信息的采集：生理信息的传输：生理信息的 分析、诊断和医疗干预四个部分【引。 2 0 0 6 年，世界卫生组织提出伴随着社会的不断前进和老年化人口的不断增 加，多种多样的慢性疾病的爆发率也越来越大，使得医疗卫生资源和生理护理 的紧缺成为越来越严重的社会问题，而且这些问题慢慢被社会各界所看重；介 于此，如何节省社会资源很好的为患者提供高质量的的护理和医疗服务成为一 个热门话题，而且是一个亟待解决的问题1 5 】。 随着越来越多的个人以及政府组织和科研机构的努力，近些年来，远程医 疗技术已经开始在世界上的很多国家和地区应用起来，并且发挥着越来越重要 的作用，比如医院、居家诊所和事故以及紧急救助的情况下对病人进行监控1 6 j 。 2 0 0 2 年p a t t i c h i s 等人对从1 9 9 0 年到2 0 0 2 年之间的由欧盟资助研发的无线 远程病人监护系统进行了详细的研究和总结，得出在过去的十几年中大多数的 无线远程监护系统都是围绕着“远”距离进行的监控，比如在乡下或者郊区这 样的缺医少药的地区，如何对病人进行及时有效的监控；或者是是否能为紧急 救助提供监护辅助。当然也有少数项目是围绕着医院用的手持设备进行的研究， 该种设备大多数采用p d a 和医用传感器的结合的方法，对病人的生理信号进行 采集、存储、传输。 最近几十年来，尤其是最近的1 0 年中，随着电子信息技术的发展，无线远 程医疗监控系统也随着迅速的发展起来，并逐渐被广泛的运用在了各种医疗情 景下。各种成型的医疗监控系统在世界上各个国家纷纷出现。 2 0 0 3 年，苏黎世大学向世人展示了他们的一项研究成果a m o n l 7 j 。a m o n 是一种为心脏病患者和呼吸疾病患者设计的可穿着的医疗监控报警系统。2 0 0 4 年，美国哈佛大学对c o d e b l u e 项目进行了研究，该项目目标在于提供一种在 紧急救助或有灾难的情况下进行现场医疗监控，研究人员自行设计出了便于携 带的e c g 、小型血氧仪，并结合了先进的z i g b e e 通讯协议，将信号传输给手 持触板式计算机的监控人员和医疗救助人员i 引。2 0 0 6 年，u n i v e r s 时o f a r h u s 开 发研制了a 2 w a r e 系统，该系统的建立为多个医生对同一个病人实施会诊提供 了便捷，把医生从办公室中解放了出来，这样可以使病人的生理健康信息可以 及时有效地传输到在医院任何角落的医生那里。如今，在丹麦的医院里面应用 的a 、黼系统就是可以支持2 0 位医生同时监控病人一j 。 除了大学等科研机构以外，世界上很多领先的电子、通信产品的生产商也 第1 章绪论 致力于远程医疗监控系统的研发中。比如，i n t e i 的p r o a c t i v eh e a l t h 项目就是旨 在建立一个基于前摄性计算机系统的传感器网络，这可以帮助病人在居家环境 下了解、掌握和管理自己的健康情况，从而提高用户的健康指数和生活质量【l0 1 。 i b m 也联合手机制造商和医用传感器制造商共同研发“p i i i b o x ”项目，以 用于监控病人生理信号的变化情况。该系统利用手机通过i n t e m e t 将病人的生理 健康信息传递给监护医生。当生理健康信号发生变化时医疗人员就可以做出反 应，在对收到的病人生理健康信号进行诊断之后，控制中心将会发送一个提醒 信息给病人，提醒他应该服用什么药物，或者如何采取自助措施。“p i l i b o x ”同 时还可以协助医生监控病人的服药情况，每次当病人忘记服用或者服用药物的 量不对时，病人将会通过手机收到一条提醒信息，伴随着需要采取不同的措施 【l l 】。但是这套系统仅限于需要定时服用药物和有一定肢体控制能力的慢性疾病 患者，不能广泛应用于医疗监控，比如重症监护。 另外，澳大利亚也在政府近年来资助了新南威尔士大学等科研机构研发了 一套健康监控和评价系统，该系统的基本结构已经完成并且已经进行了相关的 验证【1 2 】。这套系监控和评价统采用了多参数测量监控，主要是针对老年化于集 中社区内居民的心律、行动信号和体温等通过动态和静态两种不同传感器进行 监控，所收集到的信号是通过同一网络( 比如w l a n ) ，或者复合式网络传输到 主控制中心，借助于电脑等设备对病人的生理健康情况进行监控、诊疗。 虽然无线通讯技术的大力发展推动了无线远程医疗监控系统的快速发展， 并越来越广泛的运用在医疗卫生保健的各个分支领域，例如提供医院用监控系 统，居家环境下的医疗监控、急救现场以及病人运输途中的生理信息监控等等。 不过由于医院的职能以及住院病人的潜在需要，医院始终是医疗监控系统最大 ， 的需求方，相比于疗养院、敬老院、以及急救中心等单位【l 引。 1 2 2 医院中的应用发展过程及现状 医院是一个医疗人员和病人密集度最高的地方，但是往往因为一些原因导 致很多处于危险状态的病人抢救失败，主要是由于病人的生理信号没能被及时 采集并传递给相关医疗人员。 2 0 0 6 年，h o g a n 提出对“危急病人”生理健康信号的变化做早期探测和及 时有效的采取一些必要的干预措施是有效防止病人病情恶化和提高治疗效果的 5 除此之外美国佛罗里达医院也论证了采用远程医疗监护系统为2 8 0 0 个床 位提供监控大大提高了监护的有效性，并降低了监护成本。不过网络要求和网 络拥塞控制被提出是一项有待解决的问题。 1 2 3 总体发展现状 由以上两小节所述可知，在过去的2 0 年内，无线远程医疗监护系统得到很 好的发展。尤其是医院用的医疗监控系统的发展。从中可以看到，远程医疗监控 技术的发展给医疗卫生保健事业的发展提供了广阔的空间，并且在许多方面为 医疗卫生组织，为患者都带来了许许多多的好处。 也可以看出随着老年化人口的增多，以及世界范围内“三高”患者的数量不 断增多，以及慢性病种类的不断增多，如何能及时有效地采集病人的生理健康 信号，快速有效的传送给医疗人员将会一直继续吸引各国研究者和政府组织的 广泛关注。 可以看出，随着 络无线化、传感器小 化人口不断增加的国 员和医疗机构的问题 意义和应用价值的课题，本文的研究就是一个无线远程监控终端。 1 3 论文的研究目标和内容 1 3 1 论文的研究目标 本课题设计出一种无线远程医疗监控终端，该系统选用基于a l w 9 核的3 2 位嵌入式处理器s 3 c 2 4 4 0 作为核心控制器，控制各个功能模块的运行。以实现 如下一些功能： 主要功能： ( 1 ) 能实时方便的采集到病患的生理健康信息，准确反映出病患的生理健 康状况。( 每隔1 0 分钟采集一次生理信息，目前主要是体温) ( 2 ) 能在发现病患的发病隐情时，同时确定患者的位置，以便于采取及时 有效的应对措施。 ( 3 ) 能在关键需要的时候采集到使用者的视频信息，以便能查看一些关键 信息( 如摔倒等) 。 ( 4 ) 能实现在室外环境下，使得使用者用能有比较宽裕的自由，在一些室 内有g p s 信号的情况下使用，如果在室内没有g p s 信号的情况下，只能通过 手机定位功能实现定位，由于本人技术水平有限，这个在本文设计并没有实现 完成，有待下一步继续实现。 附加功能： ( 5 ) 能够实现报警功能：异常报警、预设报警。异常报警就是指在出现生 理异常的时候报警，这样就可以在关键时刻保证病患的安全；预设报警是指在 没有出现异常状况的情况下，定时的向监控中心报告使用者的健康状况信息和 所在位置，这样在监控中心发现异常的时候，便于采取及时措施。 ( 6 ) 用户可以与监控中心进行交互，网络设置，如更改用户，密码，查询 第1 章绪论 的健康状况。 视频，更加有助于了解患者的一些情况，也可 的位置。 目标，论文的研究内容主要有以下几个方面： g p s 定位信息的研究。主要研究通过a i 洲处 理器采集g p s 定位的地理位置信息，并根据n m e a 0 18 3 协议对采集到的数据 进行处理，得到所需要的信息。 ( 2 ) 通过删处理器控制g s m 无线收发模块的研究。主要是研究通过 a r m 处理器控制g s m 模块的工作，主要是通过a t 指令集控制g s m 无线收发 模块的工作。发送所采集到的数据和接收命令进行相应的处理。 ( 3 ) 通过a r m 处理器控制c a m l 3 0 摄像头模块的工作，采集和存储视频 信息，主要研究摄像头驱动编写，视频信息的采集。并进行视频信息的压缩打 包处理和t s 和r t p 传输。 ( 4 ) 系统的整体软件设计和研究，协调各个模块间的协同工作，达到预计 的效果。有软件设计和硬件设计，本文主要为软件设计。 1 4 本章小结 随着社会的发展和人们生活水平的提高，生活节奏的加快，无线远程医疗 监控终端无论在社会需求还是便携式医疗电子的发展趋势上，都有很好的市场 需求和发展契机，符合便携式医疗电子的发展趋势。 综上所述，本章首先描述了无线远程医疗的研究背景，其中介绍了社会需 求背景和技术发展背景；其次详细叙述了无线远程医疗的研究现状和世界范围 内的发展状况和方向；最后在此基础上叙述了本文的研究目标和内容。主要的 内容如下： 1 无线远程医疗的研究背景，包含了社会需求和技术发展方面的背景。 2 详细叙述了无线远程医疗在世界范围内的发展过程及现状以及在医院应 用上的发展过程及现状。 第1 章绪论 3 最后在此基础上，介绍了本文的研究目标和内容。目标主要包含了系统 功能的实现和附加功能的软件实现，研究内容主要为以a r m 处理器为中心实 现的各个模块的功能。 9 第2 章无线远程医疗监控终端的总体设计 第二章无线远程医疗监控终端的总体设计 2 1 控制系统的系统设计概述 无线远程医疗监控终端，是一款随身携带在使用者身上的一种便携式产品， 主要实现采集使用者的生理健康信息和地理位置信息，并对这些信息进行处理， 发送给监护中心，以便实现实时监护，主要适用人群为老人和小孩。 无线远程医疗监控终端由a r m 主控处理器、g p s 模块、g s m 模块、c a m l 3 0 摄像头模块、l c d 模块以及基本的人体信息检测模块和软件管理系统组成。其 中a l w 处理器为主控芯片，通过软件管理系统管理控制各个模块的运行以及 整个系统的运行。从结构功能上看，能实现实时监控，采集使用者的位置，以 及健康信息，并把采集到的数据按照一定的协议规则发送给各个监控中心，必 要时候可以采集到视频信息，附加实现功能可以更改用户，设置用户密码，实 现自动报警机制，定时报告信息以及实时查询被监控者的信息。 2 1 1 控制系统总体设计流程 整个无线远程医疗监控终端控制系统的总体设计流程是按照如下步骤的流 程进行。 首先，查阅相关的便携式医疗电子器械方面的资料，了解和掌握最新的发 展趋势和发展动态以及市场的需求，以便很好的确定系统开发最终需要达到的 总体目标、系统实现的可行性和开发所需要采取的策略、预测和估计系统完成 所需的资源和成本，制定工程进度的安排计划。 其次，初步确立系统的设计方案，包括系统设计的初步说明文档、设计方 案和设计描述文档，这些文档具体包括系统的总体设计、各个功能模块的选取、 主控处理器的选择、操作系统的选择、系统软件的架构等。 再者，完善初步方案并实施，这一阶段决定了以后软硬件设计的方向与各 自需要完成的目标，需要反复比较和权衡利弊后才做出决定。 最后，进行硬件的选取和软件的设计编写，并进行相关的合成测试、样机 性能测试、稳定性测试及可靠性测试【b j 。 1 0 第2 章无线远程医疗监控终端的总体设计 2 1 2 主控处理器的选择 嵌入式处理器在嵌入式系统设计中处于核心低位，所以选择一款适宜的嵌 入式处理器是至关重要的。嵌入式处理器的选择需要从应用工程背景、处理器 功耗、处理器性能、开发难易程度、开发成本等各个方面综合考虑【怕】。 在各种嵌入式微处理器中，基于a r m ( a d v 锄c e d 刚s cm a c h i n e s ) 技术的微处 理器约占据了3 2 位r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 微处理器7 5 以上的 市场份额，其应用遍及工业控制、消费类电子产品、通信网络系统等各个领域， 深入人们生活的之中。 a r m ( a d v 锄c e d 砌s cm a c h i n e s ) ，即可以认为是一个公司的名字，也可以认 为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1 9 9 1 年a r m 公 司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权，作为知识产权供应商，本 身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世 界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a i 洲微处理器核，根据各自不 同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进 入市场1 1 7 j 。 a r m 微处理器包括以下几个系列：a r m 7 系列，a l 讣嗄9 系列，a l = l - m 9 e 系 列，a r m l o e 系列，x s c a l e 系列和s n d n g a r m 系列等。到目前为止，a l u l 微处 理器的应用几乎已经深入到各个领域。 采用r l s c 架构的a r m 微处理器一般都具有以下特点： ( 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能。 ( 2 ) 支持1 1 1 u m b ( 1 6 位) a l 洲( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件。 ( 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快。 ， ( 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成。 ( 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高。 ( 6 ) 指令长度固定。 综合考虑应用领域、成本、开发的难易程度等因素，本文选用是基于 a r m 9 2 0 t 内核的处理器s 3 c 2 4 4 0 ，该处理器是一个多用途的通用芯片，它不但 具备上述r l s c 结构特性的优点外，还具有丰富的外部接口，满足了本设计的需 求。 h 8 e l ， s 图2 1s 3 c 2 4 4 0 结构框图 嵌入式微 器是一个 较高的性 s 3 c 2 4 4 0 的片内资源非常丰富，以下主要列出在本文设计中所需要的一些 1 2 第2 章无线远程医疗监控终端的总体设计 资源： ( 1 ) 1 个l c d 控制器( 支持s t n 和t f t 带有触摸屏的液晶显示屏) ；s d r a m 控制器。 ( 2 ) 3 个通道的u a r t 。 ( 3 ) 4 个具有p w m 功能的计时器和1 个内部时钟。 ( 4 ) 触摸屏接口。 ( 5 ) 看门狗计数器。 ( 6 ) 1 1 7 位通用i o 口和2 4 位外部中断。 ( 7 ) 8 通道1 0 位a d 控制器。 s 3 c 2 4 4 0 开发板的硬件资源也是非常丰富的，以下主要列出在本文设计中 所需要的一些资源特性： ( 1 ) c p u 处理器 s a m s u n gs 3 c 2 4 4 0 a ， ( 2 ) s d r a m 内存 在板6 4 ms d r a m ， ( 3 ) f l a s h 存储 主频4 0 0 m h 匕，最高5 3 3 m h z 3 2 b i t 数据总线，s d r a m 时钟频率高达1 0 0 m h 晓 在板1 2 8 mn a n df l a s h ，掉电非易失 ( 4 ) l c d 显示 板上集成4 线电阻式触摸屏接口，可以直接连接四线电阻触摸屏； 支持黑白、4 级灰度、1 6 级灰度、2 5 6 色、4 0 9 6 色s t n 液晶屏，尺寸从 3 5 寸到1 2 1 寸，屏幕分辨率可以达到1 0 2 4 x 7 6 8 象素； 支持黑自、4 级灰度、1 6 级灰度、2 5 6 色、6 4 k 色、真彩色t f t 液晶屏， 尺寸从3 5 寸到1 2 1 寸，屏幕分辨率可以达到1 0 2 4 x 7 6 8 象素： 标准配置为n e c2 5 6 k 色2 4 0 x 3 2 0 3 5 英寸t f t 真彩液晶屏，带触摸屏； 板上引出一个1 2 v 电源接口，可以为大尺寸t f t 液晶的1 2 vc c f l 背光模 块( i n v e r t i n g ) 供电。 ( 5 ) 接口和资源 1 个1 0 0 m 以太网r j 4 5 接口( 采用d m 9 0 0 0 网络芯片) ； 3 个串行口； 4u s e r l e d s ： 6u s e rb u t t o n s ( 带引出座) ； 第2 章无线远程医疗监控终端的总体设计 1 个p w m 控制蜂鸣器； 1 个2 om m 间距2 0 p i n 摄像头接口； 板载实时时钟电池； 电源接口( 5 ，带电源开关和指示灯 ( 6 ) 系统时钟源 1 2 m 无源晶振 ( 7 ) 实时时钟 内部实时时钟( 带后备锂电池) ( 8 ) 操作系统支持 l i n u x 2 6 2 9 4 + q o p i a 一2 2 0 2 1 4 嵌入式操作系统的类型选择 嵌入式操作系统一般指的是操作系统的内核或者微内核。嵌入式系统的灵 魂就是嵌入式操作系统，它的出现大大改进了嵌入式的系统开发效率，削减了 系统开发所需要的工作量，提升了嵌入式软件的可移植性。对于嵌入式系统来 说，应用程序可以直接在芯片上运行可以没有操作系统的支持，但是要很好的 实现多任务之间的有效调度，有效的使用系统资源、系统函数以及一些专家库 的函数接口，就必须选择嵌入式操作系统( e o s 即e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 这个平台来开发，只有这样才能够确保程序执行的实时性、可靠性，保障软件 质量【19 1 。 e o s 是相对于一般的操作系统来说，操作系统的一般基本功能e o s 都具 备，比如中断处理、同步机制、任务调度、文件功能等，除此之外，还有以下 特点1 2 0 】： ( 1 ) 可装卸性。可伸缩性、开放性的体系结构。 ( 2 ) 较强的实时性。e o s 实时性一般较强，可用于各种设备控制之中。 ( 3 ) 统一的接口资源。提供通用的设备驱动接口。 ( 4 ) 操作简单、方便，提供友好的图形界面。 ( 5 ) 强大的网络功能，支持t c p i p 协议及其它协议，为各种移动计算设备 预留接口。 ( 6 ) 强稳定性，弱交互性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的 第2 章无线远程医疗监控终端的总体设计 干预，这就要负责系统管理的e o s 具有较强的稳定性。嵌入式操作系统的用户 接口一般不提供操作命令，它通过系统调用命令向用户程序提供服务。 ( 7 ) 固化代码。在嵌入式系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌 入式系统计算机的r o m 中。 ( 8 ) 更好的硬件适应性，良好的移植性。 嵌入式操作系统的选择直接关系到系统的实时性、稳定性、可扩展性，开 发费用以及软件开发的难易程度。目前，能够应用于嵌入式系统的操作系统种 类繁多，按不同标准进行分类，其结果不一样。如按实时性划分可分为硬实时 ( v x w o r k s ) 、软实时( w i n c e ，r t l i n u x ) ；按收费模式划分分为商用型和免费 型。商用型操作系统功能稳定、可靠，有完善的售后服务和技术支持，但价格 昂贵，并定期收取使用费用。更重要的是源代码对用户来说是不可见的，这对 积极提倡开源的软件开发者来说几乎是难以忍受的。比较典型的商用型嵌入式 操作系统主要v x w b r k s 、p s o s 、p a i mo s 、q n x 等。免费型( 或仅收取少量使 用费用，统称免费型) 操作系统在价格方面具有很强的优势，源代码开放，因而 使用者众多，网络资源丰富。现在比较出名的免费型嵌入式操作系统主要有 l i n u x 、p c l i n u x 和c o s i i 等1 2 1 】。p d o s i i 适合小型控制系统，具有执行效 率高、占用空间小、实时性能优良和可扩震性强等特点，最小内核可编译至2 k 字节。l i n u x 可应用与多种硬件平台并且可以随意地配置而不需要任何的许可 证或商家的合作关系，其本身内置网络支持，具有公认的强大的网络功能。 p c l i n u x 则是继承了标准l i n u x 的优良特性，针对嵌入式处理器的特点设计的 一种操作系统，具有内嵌网络协议，支持多种文件系统，但是其编译后的目标 文件大约为几十k 至几百k 字节。 本设计在选择操作系统时，从降低成本的角度来说，主要选择免费型的； 从实时性要求上来说，由于本设计要求实时采集和发送健康信息和地理位置信 息，还要方便不同的操作系统之间的移植，所以选择实时性强的操作系统。通 过以上的比较可以看出，l i n u x 具有较强的实时性，免费开放的源代码，能节约 系统的成本，实时多任务性可以满足系统对多个任务调度的需求。因此，在本 设计中嵌入式实时操作系统选择l i n u x 。 度、纬度、时间、速度、方向等信息，本文主要采用n m e a 0 1 8 3 协议【2 2 】中的 $ g p r m c 命令格式，其输出格式如下： $ g p r m c ，1 6 1 2 2 9 4 8 7 ，a ，3 7 2 3 2 4 7 5 ，n ，1 2 1 5 8 3 4 1 6 ，w 0 1 3 ，3 0 9 6 2 ，1 2 0 5 9 8 ，1 0 其中解释为： 1 6 1 2 2 9 4 8