（生物医学工程专业论文）基于嵌入式Web服务器的心电远程监护系统的研制.pdf

a b s t r a c t a b s tr a c t w i t ht h er a p i di n c r e a s eo fp e o p l e sl i v i n gp a c ea n dt h ea g e i n go ft h ep o p u l a t i o n ，t h e p r o p o r t i o no fs e n i l i t yi l l n e s sa n dc h r o n i cd i s e a s e si n c r e a s e sg r a d u a l l y , t h ei n c i d e n c e r a t eo f h y p e r t e n s i o n 、h e a r td i s e a s e 、c o n t a g i o na n do c c u p a t i o n a ld i s e a s ei n c r e a s e sy e a r b yy e a r , e s p e c i a l l ys u d d e n d e a t ha r o s eb ya r r h y t h m i a c o n s e q u e n t l y , c o m m u n i t y m e d i c a lt r e a t m e n ta n dh o m em e d i c a lc a r e ，w h i c hm a i n l y u s e s p o r t a b l e ， i n t e l l e c t u a l i z e da n ds a f et e l e m o n i t o r i n gd e v i c e ，d e v e l o p sq u i c k l ya n dp l a y sm o r ea n d m o r ei m p o r t a n tr o l ei np e o p l e sl i f e t h e r e f o r e ，w ed e v e l o p e dan e w s t y l ee c g t e l e m o n i t o r i n gs y s t e m i no r d e rt oo v e r c o m et h ed e f e c t so ft h et e l e - m o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do n c l i e n t s e r v e r ( c s ) m o d e ，s u c ha sc o m p l i c a t e ds t r u c t u r e ，h i g hc o s t ，h a r d l yt od e p l o y a n ds oo n 。t h i sp a p e ri n d i c a t e san e wt e l e m o n i t o r i n gm e t h o db a s e do ne m b e d d e dw e b s e r v e r t h i ss y s t e mi sb a s e do nb r o w s e r s e r v e r ( b s ) s t r u c t u r e t h ew h o l es y s t e m c o m p r i s e sa l le c g r e c o r d e rw i t hn e t w o r kp o r ta n de m b e d d e dw e bs e r v e r ，i n t e m e ta n d ac o m p u t e rw i t hb r o w s e r w h e nt h ee c gr e c o r d e ri sc o n n e c t e dw i t hi n t e r n e t ，t h e d o c t o r sc a l lu s et h eb r o w s e rt ov i s i tt h ee m b e d d e dw e bs e r v e ri ne c gr e c o r d e r , a n d t h ee c gs i g n a l sa r es h o w no nt h ed y n a m i cw e bp a g er u n n i n gi nt h eb r o w s e r t h i sp a p e ra d o p t st h e $ 3 c 2 410 x ，w h i c hi sa3 2 - b i tl o wp o w e rm i c r o - c o n t r o l l e r , t o d e s i g n t h i s t e l e m o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do nb r o w s e r s e r v e r ( b s ) s t r u c t u r e e m b e d d e dl i n u xi u 、o si st r a n s p l a n t e di ni t m i l l i g u i ，w h i c hi sa ne m b e d d e dg r a p h i c i n t e r f a c es u p p o r t i n gs y s t e m ，i su s e dt oi m p l e m e n tt h em o n i t o r i n gi n t e r f a c e ，e c g a c q u i s i t i o n ，d a t as t o r a g ea n de c gs i g n a l sa n a l y s i si nt o u c hs c r e e n t h ee m b e d d e d w e bs e r v e ri sr e a l i z e db yt r a n s p l a n t i n gb o aw e bs e r v e r h t m l ，j a v aa p p l e ta n dc g i d y n a m i cw e bp a g et e c h n o l o g i e sa r eu s e dt od e v e l o pt h ed y n a m i cm o n i t o r i n gp a g e t h i ss y s t e mc a nd i s p l a ye c gw a v e f o r i l l ，h e a r tr a t ea n da r r h y t h m i aa n a l y s i sr e s u l t s ， r e v i e wa n dd o w n l o a dt h ee c g d a t ar e m o t e l y ，a n ds oo n a f t e rf i n i s h i n gt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h i ss y s t e mi st e s t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e ds y s t e mi se a s yt ob eo p e r a t e d ，a n dh a sl o wc o s ta n d s i m p l es t r u c t u r e ，a n di ss a f ea n dc r e d i b l e t h es y s t e mc a no v e r c o m e t h el i m i t a t i o no f t h et e l e m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nc sm o d ea n di ss u i tt ob eu s e di nf a m i l ym e d i c a l c a r eo ri nt h ec o m m u n i t y i ti ss i g n i f i c a t i v et om o n i t o rc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e si nr e a l t i m e k e y w o r d s e c g ；t e l e m o n i t o r i n g ；e m b e d d e d w e bs e r v e r ；d y n a m i cw e bp a g e 1 l i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构学 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了谢意。 签名：壅盗些垒日期：垒塑6 ；芝： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盔监盔导师签名： 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 近年来，随着经济的迅猛发展和人民生活水平的提高，心血管疾病的发病率 与死亡率逐年上升，特别是心律失常引起的心源性猝死，已严重危害人民的健康， 成为主要的社会公共卫生问题。至2 0 0 0 年，我国6 5 岁及以上人口为8 8 1 1 万人，占 总人口的6 9 6 ，同1 9 9 0 年相比，6 5 岁及以上人口的比重上升了1 3 9 个百分点， 说明我国已逐步迈入老年化国家的行列，人口老龄化问题也将日益严重，老年病、 慢性病等在医疗服务中占的比重逐渐上升。我国目前的主要医护人员及技术设备 大多集中在城市中的少数大中型医院，而随着老年病、慢性病人数的增多，必将 使有限的医院医疗资源与患者需求之间的矛盾更加突出，老年病、 慢性病需要 长期护理治疗，有病必须到医院治疗也使医疗费用加重，对行动不便的老年人群 也极不方便，使急需得到医疗服务的人无法得到及时有效的护理治疗【l j 。 在这种情况下，社区医疗、家庭监护逐渐发展起来，在人们的生活中发挥了 重要的作用。社区医疗是一种新型的医疗模式，它的出现使现有的医院功能得以 延伸到基层和家庭，具有非常广阔的市场潜力【2 】。它不仅提供方便舒适的生活环 境，还承担了健康教育、慢性病监测、老年生活照顾和保健等责任。 社区医疗和家庭监护设备的使用环境和服务对象不同于医院，家庭监护系统 主要以便携式、智能化、安全可靠又具有远程监护功能的小型设备为主【3 】。通过 网络由社区、家庭向医院监护中心传送生理数据，医院回送诊断结果及治疗方案， 使病人在家中得到了监护，实现了病人在无拘束状态下的监护，提高了病人的康 复率，同时也节省了医疗费用，减轻了国家和病人的经济负担。因此通过远程通 讯技术传送心电数据，保证数据传输的实时性和准确性是进行远程心电监护系统 研究的重点。 基于以上原因，我们试图找到一种结构简单、便携、安全可靠、适用于社区 和家庭的心电远程监护系统，方便患者在家中实现心电信号的检测与监护，这种 仪器必须操作简单、价格低廉、智能化程度高，使任何不懂医学知识的人( 包括 老年人) 在没有他人帮助的情况下就可以自我评估健康状况，必要的时候可以让 医生通过网络实时监护、观察病人。 北京_ 业大学工学硕 j 学位论文 1 2 心电远程监护系统的研究进展 随着网络通讯技术的发展，研究人员不断将新技术用于心电实时监护，努力 提高心电数据传输的准确性和实时性，提高社区医疗和家庭监护的质量，目前主 要有基于电话网、基于无线通信网以及基于i n t e r n e t 网的远程监护等几种【4 】。 1 2 1基于电话网的远程监护系统 1 ) 声耦合调频f m 模拟传输方式 声耦合调频f m 模拟传输方式5 1 是指信号以模拟信号的形式在电话网络中进 行传输，当发送心电数据时，用d a 转换器将数字化的心电数据还原为连续变化 的模拟电压波形，并送至音频调制电路调制成音频范围内的调制波，经音频放大 后，驱动微型扬声器发出声音，以声音耦合的方式由固定电话或手机话筒接收后， 通过电话网传至医院的电话上，经过解调后进行处理分析，其系统结构如图卜l 所示。 图卜1f m 传输方式监护系统结构图 f i g 1 - 1s y s t e ms t r u c t u r eb a s e do nf m t r a n s f e rm o d e p a u l r o c h e 等【6 】设计的监护系统，其家庭端利用手机发送数据，利用移动通 信网进行数据传输，中心站通过固定电话接收数据并进行分析处理。这种传输方 式方便灵活，患者可通过固定电话和手机来传输心电波形等生理数据，但存在易 受外界干扰、波形失真、传输时间长等缺点。 2 ) 数字式传输方式 第1 章绪论 这种传输方式是将数字化的心电信号经数字调制后传输，即频带传输。这种 远程传输的工作原理【7 】为：心电采集盒采集病人的心电数据，调制成f s k 信号， 经音频放大后，通过音频耦合传送到公用电话网，再传送至医院的监护中心，由 心电接收器将编码信号解调为串行数字信号后送到监护中心站进行分析处理。 数字式数据传输的可靠性高、抗干扰能力强。随着嵌入式m o d e m 的应用， 这种电话传输方式还克服了携带不便的缺点。但其监护缺乏灵活性，不能进行多 参数监护，基本上只是进行单向数据传输，而不能与医生进行交流。 1 2 2 无线远程监护系统 移动通信网的覆盖范围广，运行费用低廉，将移动通信技术应用于医疗监护 系统，利用手机传输数据到医院，实现远程无线监护也是社区、家庭医疗监护的 一个重要的发展方向。 1 ) 基本原理【8 】【1 0 】 基于移动通信网络的无线监护系统主要由数据采集系统、移动通信网和监护 中心服务器组成。监护终端包括数据采集系统和无线通信模块两部分。数据采集 系统将采集到的生理数据数字化并压缩后，通过串口传送到无线模块( g p r s 、 c d m a ) ，发送到移动通信网。监护中心的接收端通过无线模块接收数据并传送 到中心服务器或手机中进行诊断处理。家庭监护端也可以通过移动通信网接入 i n t e m e t ，通过i n t e m e t 将数据传送到监护中心。基于移动通信网的监护系统结构 如图1 2 所示。 b 画 图1 - 2 基于移动通信网的监护系统结构图 f i g 1 - 2s y s t e ms t r u c t u r eb a s e do nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n w e n x ic h e n 等f l l 】研制了一种基于移动通信技术和i n t e r n e t 底层结构的穿戴 式生理信号监护系统。该系统由可穿戴的传感器层、通信层和管理层三层组成。 北京t 业大学工学硕士学位论文 通信层利用无线通信技术实现无线传感器与手机之间的数据通信，用户和远程服 务器之间利用移动通信技术进行通信。 2 ) 基于g s m 、g p r s 的远程监护系统 g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 是第二代移动通信系统。 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是在g s m 的基础上发展起来的通用无线分组 技术，可提供t c p i p 连接，接入i n t e r n e t 进行数据传输。它具有高数据传输率、 永远在线以及按流量收费等特点。 g p r s 的主要特点： a ) g p r s 采用分组交换技术，高效传输高速或低速数据和信令，优化了对 网络资源和无线资源的利用。 b ) 支持中、高速率数据传输，可提供9 0 6 k b s 1 7 1 2 k b s 的数据传输速 率( 每用户) 。g p r s 采用了g s m 不同的信道编码方案，定义了c s - 1 、c s - 2 、c s - 3 和c s - 4 四种编码方案。 c ) g p r s 支持基于标准数据通信协议的应用，可以和i p 网、x 2 5 网互联互 通，支持特定的点到点和点到多点服务，以实现一些特殊应用如远程信息处理。 d ) 使用封装和隧道技术，使用户数据在终端和外部数据网络之间透明地 传输。 e ) g p r s 的核心网络层采用i p 技术，底层可使用多种传输技术，很方便地 实现与高速发展的i p 网无缝连接。 基于g p r s 网络的数据传输有四种方式：第一种是基于短消息的数据传输，第 二种是基于d a t a 方式( 一种以电路交换为基础的传输方式) 的数据传输，第三种 是基于语音方式的数据传输，第四种就是基于i p 方式的数据传输。 目前基于g p r s 方式的数据传输方式得到了迅速推广，尤其是在各类远程监控 系统中得到了广泛应用。根据应用的不同，作为数据监护中心的计算机的接入方 式也不同，从而其组网方案也不同。组网方案主要有三种：第一种是数据监控中 心的计算机通过i n t e r n e t 接入g p r s 网络：第二种是数据监控中心的计算机通过 g p r sm o d e m 接入g p r s 网络；第三种是数据监控中心的计算机通过专线接入g p r s 网络。 王美霞【1 2 j 、张福利【1 3 1 等采用第一种组网方式，将采集到的心电数据通过g p r s 网络传输到已接入i n t e r n e t 的监护中心服务器上供医护人员分析，并将诊断结果 第l 覃绪论 反馈给用户，实现了心电信号的远程、动态监护，心电信号在传输过程中无失真。 李继明【1 4 1 、成转鹏1 5 1 等研制的远程心电实时监护系统由监护仪( 病人终端) 、 p d a ( 医生终端) 、监护服务器以及心电数据服务器四部分组成。监护仪由患者 随身佩带，对患者心电信号采样，并通过g s m g p r s 网络发送给监护服务器。p d a 接收来自监护服务器的数据，并根据心电分析的结果通过数据服务( g p r s 数据 服务) 和短消息( s m s ) 通知监护仪。监护服务器负责接收转存病人端全部心电 数据，实时分析及回放分析；同时向p d a 转发实时心电数据。心电数据服务器存 储所有心电数据、患者信息以及设备信息，除了在监护过程中存储心电数据外， 心电数据服务器还负责注册患者和设备信息及管理数据库远程访问等任务。m o h d f a d l e ea r a s i d 1 6 】研制的多生理参数监护系统中，家庭端利用蓝牙无线通信技 术将采集发射系统采集处理过的生理信号传送到手机上，再利用g p r s 将数据传送 到监护中心。 w a p ( w i r e l e s sa p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 是一种无线应用协议，可以用手机之 类的无线装置浏览网页，是未来移动通信设备的一个重要特征。c a r l o sh s a l v a d o r 1 7 1 、k e v i nh u n g t l 8 】将g p r s 矛f l w a p 技术结合应用于远程监护系统，实现通 过w a p 手机进行远程监护。医生可以通过手机浏览病人实时或者已存储的心电、 血压数据进行诊断，而病人也可以通过手机浏览医生的嘱咐，与医生进行交流。 3 ) 基于3 g 技术的远程监护系统 3 g ( 3 r dg e n e r a t i o n ) 是第三代移动通信技术，一般是指将无线通信与国际互 联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。它能够处理图像、音乐、视频流 等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。 第三代移动通信系统具有如下特点：支持从话音到多媒体业务，特别是支持 i n t e r n e t 业务；全球无缝覆盖；高频谱利用率；高服务质量；高保密性；低成本。 c d m a 等3 g 移动通信网络覆盖面广，利用它传输医疗数据可靠性高、保密性强、安 全性大，传输速度快，可传送图像、声音等多媒体数据。 d k j u n g t l 9 1 、王恒2 0 l 等将3 g 技术应用于移动远程监护系统研制出一种救 护车中使用的远程监护设备。其在急救过程中，医生可在医院实时监测救护车中 病人的心电、血压等生理参数以及声音和视频数据，以便对病人进行及时救助， 这是无线远程监护系统的一个重要的发展方向。d g p a r k l 2 1 】在其研制的穿戴式 无线监护系统中使用c d m a 模块或蓝牙l a p 技术将生理数据从监护单元传输到外部 北京工业大学t 学硕十学位论文 服务器。监护端还采用可穿戴传感器，利用蓝牙技术将采集到的生理信号传送到 监护单元。类似，t o s h i y u k is a k a m o t o 2 2 】等人研制的心电监护系统，利用蓝牙将 人体体表采集到的十二导心电信号传送到移动电话上，由移动电话利用3 g 网络将 信号发送给监护中心服务器，实现了远程监护。y u e c h u nc h ua n da u r ag a n z l 2 3 1 、 p o l l e yr l i u 【2 4 】利用3 g 无线通信技术同时传输病人的视频、超声图像和重要的 生理信号，使专家可远程实时监控病人的状态和生理信息，同时该系统还为专家 提供了远程分析和控制工具，从而可以给病人提供及时有效的治疗方案。 1 2 3 基于in t e r n e t 的远程监护系统 计算机网络在单位、社区、家庭中逐渐普及，各种新的、更高带宽的接入方 式不断进入日常生活，所需费用也逐渐低廉，这就使基于i n t e r a c t 进行远程监护 成为社区医疗的重要发展方向。 目前基于i n t e r a c t 的远程监护系统大多采用客户机n 务器( c s ) 模式进行 数据通信，整个系统主要由客户机、因特网和监护中心服务器等三部分组成，系 统结构如图1 3 所示。 客户端 监护中心服务器 图1 - 3 基于i n t e r n e t 网的监护系统结构图 f i g 1 3t h es t r u c t u r eo ft e l e - m o n i t o r i n gs y s m mb a s e do ni n t e m e t 客户机通常位于家庭、社区，完成患者生理数据的采集、简单数据处理和将 数据传送到i n t e r a c t 等功能。家庭端可以采用个人电脑、专用便携式监护仪、p d a 等设备采集发送生理信号。客户端设备通过m o d e m 拨号、i s d n 、a d s l 、以 太网、移动i n t e m e t 网等几种方式接入i n t e r a c t 网。服务器一般是位于监护中心 的高性能的p c 、工作站或服务器。中心站的功能主要是存储并分析处理数据， 管理用户的基本信息，对已有数据回顾以及对监护端档案和使用记录的管理、智 第1 苹绪论 能诊断等。 杨孙永等人【2 5 1 研制的心电血压监护系统将微处理器控制的生理参数采集模 块与掌上电脑结合实现自动监测，并利用掌上电脑内置的m o d e m 拨号上网实现 远程传输。石小波等【2 6 1 人将嵌入式i n t e m e t 技术应用于生理参数监护，通过社区 的宽带以太网传送心电、呼吸、血压等数据，大大提高了数据的传输速度，以较 低的成本实现了对患者生理参数信号的远程、实时监护与记录。 z h a o m i nz h a n g 等【2 7 】将移动i n t e m e t 应用于家庭监护服务，在家庭端的护士 和中心站的医生之间建立实时通信平台，进行生理参数、图像等数据的实时传输 和同步操作。j a e s o o nc h o i 等【2 8 1 研制的人工心脏远程监护系统由监护终端、网络 数据库、数据存取系统和用于测量血泵输出和自动检测机器状态的智能诊断模块 组成。人工心脏通过遥测技术将数据传输到监护终端。监护终端利用i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网技术接入i n t e r a c t ，实现远程监护、数据输入、图像捕捉和数据采集 控制等功能。远程用户还可以通过w e b 浏览器访问数据中心服务器，浏览病人 的数据和设备信息等。y u a n h s i a n gl i n 等研制的多参数监护系统也采用了无 线局域网技术：家庭端的移动单元将采集到的多种生理参数通过i e e e 8 0 2 1 1 无 线局域网技术发送到p d a 、p c 机上进行分析处理，或通过无线局域网技术接入 i n t e m e t 将数据传送到监护中心。 由于i n t e m e t 技术已经广泛地深入到社区中，利用i n t e m e t 进行心电信号的远 程监护，成本低，传输实时性、稳定性、安全性都比较高。但是，由于目前的基 于i n t e m e t 的监护系统大都采用c s 模式，系统结构较复杂，除了需要家庭端的 心电记录器外，医疗中心还需要建立大型服务器，成本也较高，不易推广。 1 2 4 无线通信技术与in t e r n e t 相结合的远程监护系统【3 0 】- 【3 2 】 把传统的h o l t e r 与无线通信技术、i n t e m e t 网络技术相结合，可以实现在患者 家中对其进行实时监护。患者身上的心电信号采集终端通过无线的方式与家中的 p c 建立连接，p c 的客户端软件再与医院监控中心的服务器软件通过i n t e m e t 建立连接，实现对生理信号的远程实时监护，及时发现患者的病症、进行救治。 这种监护系统由心电信号采集模块、无线通信模块、网络传输模块和中心监 护模块构成1 3 3 】( 图1 - 4 ) ，完成了心电信号的采集、数字信号处理、无线传输、 网络传输和数据的分析处理等功能。其中，无线通信模块可采用无线射频模块、 北京t 业大学工学硕十学位论文 蓝牙、无线局域网技术等短距离无线通信技术，将采集模块采集到的心电信号传 输给网络传输模块中的客户端应用程序。网络传输模块包括客户端应用程序、 i n t e r n e t 和中心服务器接收程序。该模块负责客户端与中心服务器的数据交互。 中心监控模块负责客户端管理、客户端数据的接收和处理( 保存、实时显示、分 析、报警) 、人机交互的实现以及诊断数据库的管理等。 图卜4 基于无线通信和i n t e r n e t 的监护系统结构图 f i g 1 - 4s y s t e ms t r u c t u r eb a s e do nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n di n t e m e t 这种利用无线通信技术和i n t e r n e t 网络技术的远程心电监护系统不但使病 人在监护过程中不会因为各种导联线而行动不便，可以在不影响病人日常生活的 情况下测量到准确的生理信号，还利用i n t e r n e t 将信号及时准确地传送到监护 中心，有效地实现了心电信号的远程监护，是现代通信技术的有效结合。 1 3 本课题的主要研究内容 1 3 1研究内容 本课题为北京市教委基金资助项目。目前基于i n t e r n e t 的心电远程监护系 统大都采用客户机服务器模式进行远程数据通信，除需要家庭端的心电记录器 外，医疗中心还需要建立大型服务器，系统结构复杂、成本高，不易于推广。 本课题针对这一缺点，提出一种新型的基于嵌入式w e b 服务器的心电远程监 护方法并研制了相应系统。该心电远程监护系统主要由心电记录器、i n t e r n e t 网和联网计算机上的浏览器构成。心电记录器采用高性能a r m 9 微处理器和嵌入 式l i n u x 操作系统进行设计，通过移植嵌入式w e b 服务器构成了浏览器朋艮务器 8 第1 荦绪论 ( b s ) 结构，实现了心电信号的远程实时监护。 当心电记录器连接到i n t e r n e t 之后，医学专家在任何地方都可以通过浏览 器访问心电记录器上的嵌入式w e b 服务器，通过浏览器上的动态网页进行心电信 号的远程实时监护与诊断。该方法克服了以往基于c s 模式的心电远程监护中系 统结构复杂、成本高等缺点，将监护与嵌入式w e b 服务器功能集成在便携式记录 器上，结构简单、便于推广。 本课题的具体研究内容如下： 1 ) 心电信号的采集与处理：在a r m 9 微处理器$ 3 c 2 4 1 0 x 上移植嵌入式 l i n u x 操作系统，在液晶屏上实现三通道心电信号的实时采集显示、 心律失常分析、信号存储及系统基本网络设置等功能。 2 ) 实现嵌入式w o b 服务器功能 a ) 研究b s 体系结构和嵌入式w r e b 服务器的工作原理； b ) 在嵌入式l i n u x 操作系统下实现嵌入式w e b 服务器功能。 3 ) 研究并实现动态监护网页：在静态网页的基础上实现动态监护网页， 即在浏览器端的网页上实现心电信号的实时监护。 1 3 2 本文各章节安排 第2 章：本章介绍了系统的总体框架，包括系统的总体结构设计、硬件平台 和软件结构等。 第3 章：本章简单介绍了液晶屏监护界面设计所用到的m i n i g u i ，并详细介 绍了利用m i n i g u i 实现心电信号采集显示、存储、滤波、o r s 波检测、心律失常 分析、网络设置等功能的方法。 第4 章：本章介绍了浏览器服务器( b s ) 体系结构及工作原理，详细地介绍 了嵌入式w e b 服务器的工作原理及具体的实现方法。 第5 章：本章概述了动态监护网页的设计方法，并对各部分功能的设计实现 进行了详细介绍，重点介绍了服务器端c g i 程序和浏览器端j a v aa p p l e t 程序间 通信的具体实现方法。 第6 章：为了验证仪器的稳定性和有效性，我们进行了系统实验。本章给出 了系统的性能测试方法、检测结果及结论。 第7 章：对全文做出总结和展望。 第2 章系统总体设计 以往的远程心电监护系统大多采用客户机服务器( c s ) 模式，系统结构比 较复杂，需要在监护中心建立大型服务器，成本高。而本监护系统采用了服务器 浏览器( b s ) 模式，系统结构简单，下面将详细介绍本系统的硬件和软件结构。 2 1 系统结构设计 整个远程监护系统由心电记录器、i n t e r n e t 网与联网计算机上的浏览器组 成，系统结构如图2 一l 所示。心电记录器位于家庭端，负责采集、分析病人的心 电信号，运行嵌入式w e b 服务器。i n t e r n e t 目前已经广泛地应用于社区和家庭， 不需要额外搭建，也不需要付出额外的费用。当心电记录器连接到i n t e r n e t 之 后，医学专家在任何地方都可以通过浏览器访问心电记录器上的w e b 服务器，通 过浏览器上的动态网页进行心电信号的实时监护与诊断。 心电记录器兼具有嵌入式w e b 服务器的功能，省去了建立大型服务器的麻 烦，该方法克服了以往心电远程监护中系统结构复杂、成本高等缺点。 服务器端 图2 1 监护系统结构图 f i g 2 1t h es t r u c t u r eo ft e l e m o n i t o r i n gs y s t e m 浏览器端 北京工业大学工学硕上学位论文 2 2 系统硬件设计 2 2 1 系统硬件结构 心电记录器由心电电极、心电放大器、电平抬升电路、$ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器、 存储器、液晶屏、网口、串口等组成，本系统借助了北京博创兴业科技有限公司 的u p n e t a r m 2 4 1 0 一s 开发平台进行研制开发，$ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器、存储器、液 晶屏、网口、串口等均由开发平台提供，系统硬件结构如图2 - 2 所示。 ：u p - n e t a r m 2 4 l os 平 图2 - 2 系统硬件结构图 f i g 2 - 2t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h es y s t e m 由心电电极从人体体表采集到的心电信号经心电放大器放大滤波后，经电平 抬升电路抬升到s 3 c 2 4 1 0 x 内置的l o 位a d 转换器的转换范围后，送入$ 3 c 2 4 1 0 x 内置的a d 进行模数转换。转换后的数据进行数字滤波、r 波检测、心率计算及 心律失常分析，最后在液晶屏上显示波形和分析结果。同时，如果将该心电记录 器连接到i n t e r n e t 网构成远程监护系统，心电波形和分析结果可通过记录器中 的嵌入式w e b 服务器实时地显示在联网计算机的浏览器上，实现心电信号的远程 实时监护。 2 2 2 2 4 1 0 - s 开发平台简介 2 4 1 0 - s 开发平台的核心模块由三星公司的s 3 c 2 4 1 0 x 处理器、6 4 m b n a n d 一 一 第2 章系统总体设计 f l a s h 、6 4 m bs d r a m 组成，系统稳定工作在2 0 3 m h z 主频。开发平台还包括8 寸 6 4 0 4 8 0 t f t 真彩带触摸屏的l c d 、1 0 0 m 网口、r s 2 3 2 标准串口、j t a g 接口、8 通道1 0 位a d 、3 2 位总线和可复用资源1 6 8 p i n 扩展接口等一系列资源。开发平 台详细硬件配置如表2 - 1 所示。 表2 1u p - n e t a r i d 2 4 1 0 - s 的硬件配置表 t a b l e2 - 1t h eh a r d w a r ec o n f i g u r eo fu p - n e t a r m 2 410 s $ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器是一款基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位嵌入式微处理器， 一1 3 北京t 业大学1 二学硕士学位论文 采用五级流水线和哈佛结构，其主频最高可达2 0 3 m h z ，内置8 通道l o 位a d 转 换器。a r m 9 2 0 t 核由a r m 9 t d m i 、存储管理单元( m m u ) 和高速缓存三部分组成。m m u 可管理虚拟内存，故$ 3 c 2 4 1 0 x 上可运行l i n u x 操作系统。高速缓存由独立的1 6 k b 地址和1 6 k b 数据高速c a c h e 组成，指令和数据读取速度快。它还具有l c d 控制 器，n a n df l a s hb o o tl o a d e r ，系统管理单元( s d r a m 控制器等) ，3 通道d a r t ， 4 通道d m a ，4 通道具备p w m 功能的定时器，i o 口，r t c ( 实时时钟) ，8 通道l o b i t 精度a d c 和触摸屏控制器，i i c 总线接口，i i s 数字音频总线接口，u s b 主从设 备，s d 删c 卡控制器，2 通道s p i 和p l l 数字锁相环等。$ 3 c 2 4 1 0 x 提供了一套 比较完整的通用系统的外围设备，并且使得整个系统消耗最小。正是因为它具有 很多常用的功能模块，所以也免去了添加配置附加设备的麻烦。 2 3 系统软件设计 为实现嵌入式w e b 服务器和动态远程监护功能，所选用的嵌入式操作系统需 支持或可移植t c p i p 协议。因此，本系统在硬件平台上移植了具有强大网络功 能的嵌入式l i n u x 操作系统，在此基础上进行应用软件的开发。 2 3 1lin u x 操作系统 l i n u x 是一个类u n i x 操作系统，是目前最为流行的一款开放源代码的操作 系统。l i n u x 从1 9 9 1 年问世到现在，短短十多年的时间内已经发展成为一个功 能强大、设计完善的操作系统【3 4 1 。 嵌入式l i n u x 是按照嵌入式操作系统的要求而对l i n u x 系统进行剪裁、设计 的一种小型操作系统，由内核( k e r n e l ) 及一些根据需要进行定制的系统模块 ( m o d u l e ) 组成。其内核很小，一般只有几百k b 左右。即使加上其他必须的模 块和应用程序，所需的存储空间也很小。嵌入式l i n u x 操作系统是目前应用最为 广泛的嵌入式实时操作系统，它的主要优点有【3 5 】： 1 ) 精简的内核，性能高、稳定：l i n u x 是一个类u n i x 操作系统，内核功 能强大，实现简洁。并且由于其源代码的开放性，使得其代码得到众多网络黑客 的审查和修改，有着非常好的安全性和稳定性； 2 ) 多用户、多任务：l i n u x 支持多用户，各个用户对于自己的文件设备有 自己特殊的权限，保证了各用户间互不影响。多任务则是现在电脑最主要的一个 第2 苹系统总体设计 特点，l i n u x 可以使多个程序同时并独立地运行； 3 ) 适用于不同的c p u ，支持多种体系结构：包括目前流行的i n t e l x 8 6 、 m o t o r o l a i b mp o w e r p c 、a r m 、c o m p a qa l p h a 、s u ns p a r c 、m i p s 、m 6 8 k 等微处 理器体系结构； 4 ) 应用软件多，兼容性好，易移植：l i n u x 完全兼容i e e e 的p o s i x1 o 标 1 准，为用户程序提供了规范的应用编程接口a p i 。这使得l i n u x 平台上的应用软 件和硬件驱动程序不断地得到扩充，可支持大量的周边硬件设备，驱动丰富； 5 ) 强大的网络功能：l i n u x 是一个通过网络发展起来的操作系统，支持广 泛的通信协议，l i n u x 内核在处理网络协议设置方面比标准的u n i x 更具执行效 率，具有更高的吞吐量： 6 ) 完善的嵌入式g ui 、方便的开发工具和s d k ； 7 ) 针对嵌入式的存储方案，提供实时版本和完善的嵌入式解决方案； 8 ) 开放源码，支持广泛：l i n u x 是开源的操作系统，只要遵循g n u 通用许 可证( g p l ) ，就可以免费获得，因此大大降低了成本。并且由于其开源特点，使 其得到社群的广泛支持，众多的邮件论坛可以解决绝大多数的开发者遇到的问 题。 正因为嵌入式l i n u x 操作系统源代码完全免费，又具有强大的网络功能，可 以方便地实现嵌入式w e b 服务器功能，进行远程数据通信，本系统选择它作为心 电记录器的操作系统。 l i n u x 系统的启动分为两个部分：1 内核安装及环境初始化：2 寻找一个文 件系统作为根文件系统被加载。因此，一个嵌入式l i n u x 系统能实现一般的功能， 需要具备以下基本元素：适当的引导工具，即b o o t l o a d e r ；根据系统自身需要 专门剪裁的l i n u x 内核( k e r n e l ) ；一个初始化过程；根文件系统等。 本系统中选用韩国m i z i 公司为s 3 c 2 4 1 0 系列硬件平台开发的v i v i 作为 l i n u x 系统的b o o t l o a d e r ，它提供n a n df l a s h 启动支持，内置了丰富的命令。 l i n u x 2 6 内核由于其自身所具有的针对嵌入式系统应用的显著特点，在稳 定性、响应性、对设备支持的广泛性等方面相比以前版本的内核都有较大的提高， 被越来越多地应用于嵌入式系统之中。因此，本系统中采用的是l i n u x 2 6 0 内 核及其关于a r m 平台的补丁。 北京工业大学工学硕士学位论文 鼍詈詈皇詈皇曼曼詈詈曼曼曼曼曼曼詈詈量曼! ! 曼詈詈皇詈曼曼寰曼! 曼! ! ! ! ! 曼曼! ! ! ! ! 詈鼍曼鼍曼詈詈曼皇皇量曼曼! ! 皇皇曼詈曼鼍! 曼曼曼曼曼曼皇ii l l 卜 2 3 2 文件系统 本系统选用c r a m f s 文件系统作为根文件系统，存储系统库和主要的应用程 序，包括m i n i g u i 运行库、嵌入式w e b j e 务器配置文件、应用程序等。c r a m f s 是一 个只读文件系统，采用了z l i b 压缩，压缩比达1 ：2 ，但仍可以做到高效的随机读 取。因为c r a m f s 文件系统不影响系统读取文件的速度，且是一个高度压缩的文件 系统，因此被广泛地应用于嵌入式系统中。 c r a m f s 文件系统的主要文件目录结构如图2 - 3 所示： _ 圆r o o t ； 。b i n ：国d e v j 囝e t c ；p 曲b o a ；囝h o t p l u g ；i 囝i n i t d ； 。p c r n c i a ；+ 国r c d ；臼l i b j7 囝m n t 国h d a p l ； 国h d a p z ；国h d a p 3 ：囝h d b p l ：国n f $ i 国s d c a r d i ! 囝u d i s k ： 国y a f f $ ；豳p r o c ；国r o o t ： 由s b i n - u s f ii 嫡b i n ； ( je t c i i t 囝s b i n = 。国v c 3 r 图2 - 3 根文件系统结构