（电磁场与微波技术专业论文）移动远程医疗系统的实现及抗干扰性研究.pdf

北京邮电大学硕上研究乍学位论文 移动远程医疗系统的实现及抗干扰性研究 摘要 本文论述了移动远程医疗系统的设计方案，并对系统的抗干扰性 进行了研究。 首先，提出了移动远程医疗系统的概念，阐述了研究和实现具有 救灾指挥通信和医疗急救双重功能的移动远程医疗系统的意义。由于 该系统同时使用了蓝牙和w l a n 无线传输技术，论文还分析了蓝牙 与m a n 的共存性问题。 然后，论文针对移动远程医疗系统进行了需求分析，提出了总体 设计，包括系统的功能、系统的组成和组网方案的设计。 再后，论文详细阐述了移动远程医疗系统监控终端的软件平台的 模块功能、实现细节及软件实现部分涉及到的关键技术分析。 最后，论文详细地描述了本人独立完成的设计工作。论文针对移 动远程医疗系统中心站电磁环境的特点，分析了w l a n 和蓝牙的底层 协议以及微波炉的辐射机理，并且设计了模拟测试方案，通过实测对 w l a n 、蓝牙以及微波炉的频谱进行的实测数据，分析了移动远程医疗 系统无线物理信道受干扰的机理，并设计实验测试了该系统中 8 0 2 1 l g 与蓝牙无线模块在电磁干扰环境下的传输吞吐量，证明了系 统抗电磁干扰能力达到了实用的要求。 关键字：移动远程医疗无线局域网蓝牙干扰 北京邮电人学硕士研究生学位论文 i m p l e n 旺n t a t i o no ft h em o b 。et e l e 正! d i c i n e s y s t e ma n dr e s e a r c ho na n t i 玳t e r f e r e n c e a bs t r a c t t h et h e s i sd i s c u s s e st h ei m p l e m e n t a t i o no ft h em o b i l et e l e m e d i c i n e s y s t e m ，a n dt h ea n t i - i n t e r f e r e n c ed e s i g n f i r s t l y , t h ep a p e rp r o p o s e st h ec o n c e p t i o no ft h em o b i l et e l e m e d i c i n e s y s t e m ，d i s c u s s e st h es i g n i f i c a n c eo fs e t t i n gu pt h em o b i l et e l e m e d i c i n e s y s t e mw h i c hc a r lp r o v i d e st w of u n c t i o n ，c o m m u n i c a t i o nf o rc o m m a n di n t h es t a t eo fe m e r g e n c ya n dm e d i c a lt r e a t m e n tf o rf i r s ta i d b e c a u s eo f u s i n gb l u e t o o t ha n dw l a ni nt h i ss y s t e ma tt h es a m et i m e ，t h ep a p e r r a i s e st h eq u e s t i o no fc o - e x i s t e n c ea b i l i t yo f ，a nw i t hb l u e t o o t h s e c o n d l y , t h et h e s i sa n a l y s e st h er e q u i r e m e n to ft h em o b i l e t e l e m e d i c i n es y s t e m ，i n t r o d u c e st h ed e s i g n i n gp l a n i n c l u d i n gf u n c t i o n a n dc o m p o s i n ga saw h o l e ，a n dd e s c r i b e st h ed e s i g n i n gp l a no ft h r e e p r i m a r yp a r t si nt h es y s t e m t h i r d l y , t h i sp a p e rd e t a i l e d l y d i s c u s s e st h e f u n c t i o n ， i m p l e m e n t a t i o n sa n dt h ek e yt e c h n i q u e so ft h em o b i l et e r m i n a li nt h i s s y s t e m f i n a l l y , t h i st h e s i sa n a l y s e st h ep r o t o c o l so fb l u e t o o t ha n di e e e 8 0 2 1lg ，a n d p r i n c i p l e o fm i c r o w a v e - o v e n r a d i a t i n g b yt a k i n g e x p e r i m e n t so ft e s t i n gf r e q u e n c ys p e c t r u mo f8 0 2 1lg ，b l u e t o o t ha n d m i c r o w a v e o v e n ，t h i st h e s i sa n a l y s e st h ep r i n c i p l eo fi n t e r f e r e n c ei n p h y s i c a l c h a n n e lo ft h em o b i l et e l e m e d i c i n e s y s t e m a n ds o m e e x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e df o rt e s t i n gt h et h r o u g h p u to f8 0 2 1lga n d b l u e t o o t hu n d e r i n t e r f e r i n ge n v i r o n m e n t ，p r o v i n g t h e a b i l i t y o f a n t i - ja m m i n gi nt h i ss y s t e mi se n o u g hf o ra p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：t h em o b i l et e l e m e d i c i n es y s t e mw l a nb l u e t o o t h i n t e r f e r e n c e 北京邮电人学硕士研究生学位论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签字：圣鱼日期： 本人承担一切相关责任。 2 口p 夕；，吕 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释；本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签字： 导师签字： 王雪 日期： 垄翌2 ：童：! 墨 日期：伊瑶毒“l 北京邮电大学硕上研究生学位论文 1 1 移动远程医疗系统概述 第一章绪论弟一早珀1 ：匕 远程医疗( t e l e m e d i c i n e ，t e l e h e a l t hc a r e ) 的概念于1 9 8 8 年在美国提出。 9 0 年代以来，由于多媒体通讯技术的发展，远程医疗的应用有了技术保障，发 展尤为迅猛。一个远程医疗系统作为一个开放的分布式应用系统，应包括远程诊 断、专家会诊、信息检索和远程教学等几个主要部分。远程医疗是指研究怎样利 用多媒体计算机技术、通讯技术进行医疗活动的一门学科。它以多种数字传输方 式，通过计算机网络，多媒体技术和远程医疗软件系统，建立不同区域的医疗单 位之间、医生和患者之间的联系，完成远程咨询、诊治、教学、学术研究和信息 交流任务，形成医学专家之间、及其与患者之间的一种全新的诊疗模式。从狭义 上讲，远程医疗是将信息技术和医学相结合，以便能够为远程提供医疗服务，无 需传统的医生和病人面对面进行监护和诊断，这样就可以实现医疗资源共享、节 省费用和时间。 然而，建立在有线连接基础上的传统远程医疗系统往往体积和功耗大，不便 于携带，限制了病人和医护人员的行动，增加了他们的负担和风险，已经越来越 不能适应当今实时、连续、长时间地监测病人的重要生命特征参数的医疗需求。 此外对于一些特殊情况，比如在战争、自然灾害、交通事故等突发事件中，都有 使用远程医疗服务的需求，对此有线网络无法提供有效的支持。因此各种无线通 信技术开始应用于远程医疗，如卫星通信技术、蜂窝移动通信技术和无线局域网 技术。其中基于卫星通信技术的远程医疗系统已经在国内外一些医院应用，但由 于卫星通信费用较高而影响了其普及程度。 移动医疗是一种将移动计算、医学传感以及通信技术融合为一体的新兴医疗 模式。随着相关装置性能的改善和小型化，数据传输速率的提高、无线通信和网 络技术的发展，移动医疗系统和服务将在未来十年中呈加速发展的态势，并提供 较传统远程医疗系统更为方便多样的服务。移动远程医疗系统，以低能耗、多参 数、无线通信和移动服务等特点在医疗卫生领域渗透，正成为数字医疗中的不可 或缺的组成部分，在以下几个方面具有很好的发展前景： 1 便于长时间实时动态监测 人体的多种生理参数，如血压值、心率、呼吸率、睡眠时间等都存在显著 的个体差异，用群体的标准来评价不同人的参数正常与否难免会出现 偏差。要准确评价某人的上述参数是否正常，更好的方法是与本人的 北京邮电大学硕士研究生学位论文 正常范围进行比较，无干扰性长时间监测为了解每个人生理参数的正常范围提供 了便利条件，也为及时发现受检者的功能障碍和病情变化提供了便利条件。 2 适合包括s a r s 在内的传染病区使用 由于移动医疗系统具有远距离监测和调控功能，其中央工作站或接收机可位 于清洁区内，医护人员无需进入污染区内即可了解病人的各项生命指征，因而可 以在不影响救治病人的情况下减少医护人员进入污染区的机会，这对于预防像 s a r s 这类传染性强的疾病是十分重要的。 3 灵活的设备设置和功能组合 近年来随着重症监护学的发展，加强监护病房( i c u ) 的建设日益受到重视， i c u 的应用范围逐渐扩大，各种专科i c u 相继建立，包括心脏病加强监护病房 ( c c u ) 、心脏外科加强监护病房( c s i c u ) 、呼吸科加强监护病房( r i c u ) 和 神经科加强监护病房( n i c u ) 等，它们对监护仪的要求既有共同点又各有侧重， 移动医疗监护仪采用模块化正是适应了这种要求。 4 优化的资源利用 利用移动远程医疗系统，既可以替代传统监护仪配置在床边使用，又可用于 对家庭中病人的远程医疗和监护，也适用突发性公共事件中的急救和野战医院 等。 伴随无线城市和3 g 牌照的发放等通信网络事业的发展，无线通信和无线网 络系统必将深入远程医疗系统，而且，只有采用无线网络技术才能让远程医疗系 统“移动起来”，才能真正服务于公众的健康。但是迄今为止，在公开文献上并 没有看到有关的技术出现。基于这些考虑，我们提出了移动远程医疗系统的理念 和目标。 移动远程医疗系统与基于有线通信和网络的远程医疗系统有很大的区别，不 仅仅是加入了移动网络的元素，更重要的是改变了整个远程医疗系统的结构和医 疗平台，使得医疗和医疗监护获得了对于挽救生命最为宝贵的实时性和人们企盼 多年的预防为主的医疗保健理念的真正的实现。 下面将详细阐述我们提出的移动远程医疗系统的设计和技术细节。 1 2 蓝牙和w l a n 的共存性问题的提出 1 2 1 移动远程医疗系统中无线通信技术的选择 本项目设计的移动远程医疗系统具有无线通信、快速组网、节点移动性、传 输多媒体信号和生理参数等特点，并且在救灾指挥、无线远程医疗等应用中需要 2 北京邮电人学硕士研究生学位论文 的网络覆盖范围较小，短距离的无线通信技术正适合本系统的通信要求。下面介 绍短距离无线通信技术的选择。 1 生理参数的传输 蓝牙技术是一种低功耗、短距离无线通信技术，其设计意图是取代现有的个 人计算机、打印机、传真机和移动电话等设备接口的有线电缆。蓝牙收发信机采 用跳频扩频( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) 技术，在2 4 g h zi s m 频带 上以1 6 0 0 跳s 的速率进行跳频。蓝牙技术的主要特点有：可方便的建立无线 连接，代替传统的有线电缆连接；移植性较强、成本较低，使用面广；提供认证 与加密机制，安全性、保密性好；低功耗，适用于小型的移动设备；发射功率小、 辐射低，对人体较安全。目前蓝牙技术主要应用于小型的移动通信设备和医疗监 护装置等。特别是蓝牙以其低功耗、低成本和安全性，已成为医疗领域无线传输 的首选技术。 本系统中的生理信号采集设备需要佩戴在人身上，蓝牙技术低功耗、低辐射 的特点正满足了保证人体安全的要求。并且由于低成本、移植性强、易于开发应 用的特点，本系统选用蓝牙传输人体的生理信号。 2 音视频信号的传输 自从1 9 9 7 年i e e e 8 0 2 1 1 标准制定以来，基于i e e e 8 0 2 1 l 的无线局域网标 准迅速发展，已成为无线局域网的主要标准。i e e e 8 0 2 1 l g 标准是2 0 0 3 年正式 通过的一向全新的无线局域网标准，该标准运行于2 4 g h zi s m ( i n d u s t r i a l s c i e n c em e d i c a l ) 频段，是全球适用的非特许频段，用户无需申请就能使用工作 在该频段的无线设备。i e e e8 0 2 1 1 9 是一种混合标准，在物理层融合了8 0 2 1 l b 的直接序列扩频( d s s s ，d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 技术、补充编码键控 ( c c k ，c o m p l e m e n t a r yc o d ek e y i n g ) 调制技术和8 0 2 1 l a 使用的正交频分复用 ( o f d m ) 调制技术，在m a c 层采用饿了带冲突避免的载波侦听多路访问 ( c s m a c a ) 协议。通过采用两种调制方式，8 0 2 1 1 9 既达到了在2 4 g h z 频段 实现8 0 2 1 1 a 水平的数据传输速率，也确保了与广泛应用的i e e e8 0 2 1 l b 产品 的兼容。 i e e e8 0 2 1 l g 标准的优势在于： 较高的数据速率5 4 m b s ； 兼容性：完全兼容8 0 2 1l a 和8 0 2 1 1 b 标准； 覆盖范围大：传输距离与波长成正比，2 4 g h z 频段的8 0 2 1 1 9 比5 g h z 频段的8 0 2 1 1 a 有更大的覆盖范围； 较之8 0 2 1 1 b ，o f d m 技术具备的高数据率和极强的多路径冗余能力， 也使覆盖范围大大增加； 3 北京邮电人学硕士研究生学位论文 抗衰落性：o f d m 技术具有很好的抗多径衰落优点，使得8 0 2 1 1 9 比 8 0 2 1 1 b 具有更好的抗衰落能力； 免费的2 4 g h z 频带在全球绝大部分国家是可用的。 基于以上优势，本系统选择i e e e 8 0 2 1 1 9 传输音视频信号，其5 4 m b s 的数 据速率为带宽要求较高的音视频信号提供了可靠的带宽，技术的成熟度和产品的 广泛开发为系统实现提供了便利。 1 2 2 蓝牙和8 0 2 1 1g 的共存性 本实验室开发的移动远程医疗系统融合了蓝牙和8 0 2 1 1 9 的优势，但是由于 两者都是工作在i s m 频段，同时工作时必定会相互干扰，而且该系统中蓝牙模 块和8 0 2 1 1 9 模块距离很近、集合在同一设备上，所以，研究该系统中蓝牙和 8 0 2 1 l g 的共存性是十分必要的。并且，i s m 频段是一个开放的免费的频段，电 磁环境比较复杂，在系统的应用环境内很可能存在其它i s m 频段的电磁干扰， 例如r f i d 、z i g b e e 、在家庭经常使用的无绳电话与微波炉都工作在i s m 频段。 所以，研究该系统在复杂环境下的抗电磁干扰性就显得十分必要了。 在一些公开发表的论文中，有很多关于8 0 2 1 l 无线局域网以及蓝牙微微网 和其它同频段的无线系统的干扰和共存性研究结果。其中文献 2 3 和文献 2 4 研究了8 0 2 1 l b 对蓝牙的影响，文献 2 5 研究了蓝牙与w l a n 的共存性，并介绍 了两种减少干扰的方法。文献 2 6 设计了实验，分析了w l a n 传输吞吐量在蓝牙 干扰环境下的影响。除此以外，i e e e 专门成立了i e e e 8 0 2 1 5 2 工作组研究运行 在2 4 g h zi s m 频段的无线局域网和无线个人区域网的相互干扰和共存性问题。 另外，还有一些文献研究了微波炉对w l a n 网的干扰，如文献 2 7 、文献 2 8 、 文献 2 9 。 1 3 本论文研究的意义 近几年，世界各国各种突发公共事件和事故频发，2 0 0 4 年印度海啸、2 0 0 5 年美国卡特里娜飓风和俄罗斯大面积停电事故、我国频发的各级矿难事故和雪灾 等自然灾害，这些自然灾害、安全生产事故给人们留下了沉重的记忆，同时也让 我们深切地认识到，进一步建立和健全突发事故处理机制是十分必要的。在这样 的背景下，救援指挥通信系统和医疗急救系统就显得尤为重要。本项目设计实现 的移动远程医疗系统把用于救援指挥的通信系统和医疗急救系统的功能集于一 身，为突发公共事件的救援指挥和医疗急救工作提供了新的可行的思路和技术支 持。把医疗和通信两大功能整合在同一个系统中，使得救援设备简单化、功能多 4 北京邮电大学硕上研究生学位论文 样化，有利于为指挥决策提供更全面可靠的信息、提高救援工作效率、最大限度 减少伤亡。 本系统中使用蓝牙传输伤员的生理信号，使用基于8 0 2 1 1 9 的w l a n 连接 救援人员携带的设备和指挥中心的监控设备，而蓝牙和8 0 2 1 1 9 运行在同一频段 上，相互之间必然会产生干扰，故有必要对于二者干扰与共存性方面进行研究， 对本系统实际应用中信道电磁干扰方面的可行性进行分析。虽然8 0 2 1 1 9 无线局 域网与蓝牙微微网的干扰问题已经被广泛研究，但是蓝牙与8 0 2 1 l g 集成在同一 系统的相互干扰研究还比较少，集成系统在自身相互干扰与外界干扰同时存在时 的抗电磁干扰性能的研究在公开论文上还没有提及。所以，本文第四章提出了无 线系统受同信道干扰的3 个条件，针对本系统应用于救灾中现场手术的应用场 景，选择室内环境，对系统通过实测的频谱数据分析了系统8 0 2 1 1 9 与蓝牙无线 模块的相互干扰原理，以及微波炉对系统的干扰机理。最后设计实验测试了系统 无线模块在干扰下的传输吞吐量，定量的研究了系统的抗电磁干扰性能。 1 4 本文的主要工作及论文结构 本文的主要工作有： 1 通过对现有的远程医疗系统的分析，提出研究和实现具有救灾指挥通信和 医疗急救双重功能的移动远程医疗系统的重要意义。 2 通过对移动远程医疗系统进行需求分析，详细介绍了该系统的功能、组成 和设计方案。 3 对移动远程医疗系统中的移动监控终端进行需求分析、功能分析和软件设 计。 4 通过研究微波炉、蓝牙以及8 0 2 1 1 9 的辐射功率、信道的频域特性与时域 特性，对移动远程医疗系统中蓝牙与8 0 2 1 1 9 干扰问题进行理论分析，包括信干 比分析、频域冲突分析和时域冲突分析。 5 针对自行设计开发的移动远程医疗系统，通过实验定量的分析了蓝牙和 w l a n 网络在同一系统中互相干扰下，性能受影响的情况，并得出结论。 本论文的结构如下： 第一章：概述了移动远程医疗系统，并提出该系统中蓝牙与w l a n 的干扰 问题。 第二章：介绍了移动远程医疗系统的总体设计思路，包括系统的功能、系统 的组成和组网方案的设计。并且进一步介绍了该系统中的监护终端、监控终端和 指挥中心三个主要部分的设计思路。 5 北京邮电大学硕上研究生学位论文 第三章：详细论述了移动远程医疗系统的软件平台的模块功能、实现细节及 软件实现部分涉及到的关键技术分析。系统的软件平台设计主要分为监控终端控 制层软件设计、监控终端数据层软件设计和嵌入式l i n u x 系统的软件开发调试过 程。 第四章：通过分析w l a n 和蓝牙的底层协议，以及微波炉的辐射机理，并 通过实测w l a n 、蓝牙以及微波炉的频谱数据分析了移动远程医疗系统无线物 理信道受干扰的机理。最后设计实验测试了该系统中8 0 2 1 1 9 与蓝牙无线模块在 电磁干扰环境下的传输吞吐量，证明了系统抗电磁干扰能力达到了实用的要求。 第五章：总结全文并对下一步工作进行展望。 6 北京邮电人学硕士研究生学位论文 第二章移动远程医疗系统的设计 2 1 移动远程医疗系统的总体设计 2 1 1 移动远程医疗系统的需求分析 实验室设计开发的移动远程医疗系统利用无线数据通信技术和多媒体技术， 不但实现了传统的远程医疗功能，提供人体生理参数采集功能，而且可以提供音 频和视频通信功能，这使得该系统能够灵活应用于各种场合，如可应用于自然灾 害和突发事件的救援工作中的指挥和医疗服务，也可应用于慢性病患者和老年人 在家庭中的远程医疗和监护。 在家庭移动远程医疗监护的应用场合中，用户随身携带的设备可采集心电、 血氧等重要的生理信号并通过无线网络传输至家庭电脑，布置在房间中的视频采 集系统可将用户的活动情况等通过无线网络传输至家庭电脑，家庭电脑除存储和 显示信息外，还可通过因特网将用户视频和生理参数传送至远程的医护人员处。 该系统具有诸多优点：随时监控患者的重要生理参数和视频图像；全面的医疗信 息可更好的达到远程医疗、远程诊断的目的；不受时间和地点的限制、在不妨碍 日常生活的情况下随时随地的监测生理状况；实现对疾病的早发现、早诊断和早 治疗。 本章讨论的移动远程医疗系统的设计方案，着重于自然灾害和突发事件的救 援工作中的指挥和医疗服务的应用场合。在该应用中，本移动远程医疗系统不只 承担医疗救助任务，并且能够提供指挥通信功能。 1 本系统的医疗功能具有以下几个特点： 指挥中心的工作人员可以通过视频和生理参数的变化实时监控伤员病情，在 伤员转移出事故现场之前制定救治和转移方案，缩短决策时间，尽量减少伤亡； 可通过因特网等方式连接远程医疗系统，获得伤员历史病例、专家诊疗等技 术支持； 必要时可在现场进行手术，并利用本系统采集患者的音视频和生理参数的功 能获得远程专家的指导。 2 本系统的通信功能具有以下几个特点： 大多数情况下，事故发生的时间和地点是无法预知的，不能进行事先的准备， 如火灾、地震、恐怖袭击等场合； 在救援工作中，语音通信是最基本的功能，常常还需要视频通信，需要提供 多样化的信息以全面准确地了解现场的情况，以便正确决策、科学调度、快速反 7 北京邮电人学硕士研究生学位论文 应； 救援工作中，需要有统一的指挥控制中心，集中收集事故现场情况、指挥救 援和医疗救助工作、联系外部支持等。 2 1 2 移动远程医疗系统的功能 基于以上对移动远程医疗系统的需求分析，以下提出本系统的功能要求： 1 集中指挥控制功能。系统要求能够在指挥中心完成指挥控制功能，即可以 实时显示现场的视频图像、了解现场情况变化、随时与现场人员进行通话并下达 指令、掌握现场各人员位置和设备配备情况。 2 快速自组网功能。不需要借助传统的蜂窝通信基站等复杂设备，就可以进 行无线通信，并且组网快速灵活。 3 终端设备的移动性。系统应具有动态的拓扑结构，每个节点可随意移动。 4 提供多样化信息的功能。各移动终端可将事故现场的音频、视频和伤员的 生理参数实时传送至指挥中心，为救援工作提供全面准确的信息。 5 紧急呼叫功能。当救援人员遇到紧急情况、需要与指挥中心通信时，各移 动终端可向指挥中心发送要求进行通话的请求信号，指挥中心收到信号后可进行 相应处理。 6 移动远程医疗系统的指挥中心应易于操作和管理，且界面友好、灵活。 7 移动远程医疗系统的移动终端应耗电量小、独立供电、体积小、重量轻、 便于携带。 8 用于采集心电信号等重要生理参数的设备，应符合穿戴式医疗仪器的要 求，如可移动操作、使用简单方便、便于佩戴、支持长时间连续工作、无线数据 传输等。 9 系统可应用于多种场合。除应用于事故救援指挥和伤员急救方面，亦可作 为家庭中的无线远程医疗系统。 1 0 提供可靠的带宽。能同时支持音频、视频和生理信号的实时传输，要求 系统网络有足够的可靠带宽。 1 1 具有可扩展性。具有升级、扩充的可能。 2 1 3 移动远程医疗系统的组成 本项目设计的移动远程医疗系统主要包括移动终端和指挥中心两大部分，移 动终端部分又分为监护终端和监控终端，监护终端和监控终端是一一对应的，其 之间使用蓝牙进行通信，传输生理参数。移动终端可以有多套，由救援人员随身 携带进入事故现场；指挥中心一般为一台电脑，可以设在事故现场外的指挥车上。 8 北京邮电大学硕士研究牛学位论文 移动终端通过基于i e e e 8 0 2 1 l g 的a d h o c 无线局域网与指挥中心进行通信，将 现场采集的音视频信号和人体的生理参数传送到指挥中心。指挥中心可利用指挥 车上的卫星通信设备或因特网与远程医疗系统相连接，为救灾工作提供更为全面 的医疗服务。 监扣终端监控套端 系统 心电 掣 器 视频采集 器 气盔- - 艿 音频采集与播放0 信号 口一- 视频处理与显示。 嘧 专家 蓝牙 w l a n 卫星通信 p音频采集 心电处理与显示 或 i n t e m e t d 采集 蓝牙蓝牙 与播放w l a n w l a n 处理 发送 接收 通信通信 控制单元 单元 单元 单元 控制信号 单元单元 教据库 收发 数据库 图2 - 1 移动远程医疗系统功能结构 移动远程医疗系统的功能结构如图2 1 所示，各部分功能介绍如下： 1 监护终端 采集心电信号； 通过蓝牙发送单元发送心电信号。 2 监控终端为基于a r m - l i n u x 的嵌入式系统，其功能如下： 携带监控终端的人员能够与指挥中心进行双工的语音通话，汇报现场情 况并接收指挥命令； 监控终端能够采集视频信号，并实时传送回指挥中心； 在需要与指挥中心通话时，按下紧急呼叫按钮，向指挥中心发送信号要 求建立通话连接； 监控终端通过蓝牙模块接收监护终端发送的心电信号，并通过w l a n 网络发送至指挥中心。 3 指挥中心可以是一台台式电脑或笔记本电脑，其基本功能为： 通过w l a n 接收视频、音频和心电信号，进行处理并播放； 可通过指挥中心的控制界面选择显示现场的单个移动终端采集的视频 图像或同时显示多个移动终端采集的视频图像； 可通过指挥中心的控制界面选择与现场的单个人员进行双工通话，或通 过广播方式向现场所有人员下达指挥命令； 可通过指挥中心的控制界面选择显示单个或多个移动终端采集的心电 信号； 每隔一段时间更新各移动终端的状态，确定哪些在网络中，哪些不在网 络中。 北京邮电人学硕士研究乍学位论文 维护一个数据库，用以管理各移动终端的i p 地址等信息、紧急呼叫信 息和管理员信息等。 在实际应用中，监护终端和监控终端由救援人员随身携带进入事故现场，指 挥中心可以设在事故现场附近的指挥车中。救援人员进入事故现场后，指挥人员 可以通过指挥中心看到现场各个终端传回的实时的视频、掌握现场情况，并可随 时与现场的救援人员保持通话、下达指令。当现场救援人员发现伤员后，可将生 理参数监护终端佩戴在伤员身上，这样指挥中心便可实时监控伤员的状况，以便 给现场救援人员提供现场救治指导，并且可根据不同伤员的病情在伤员转移出事 故现场之前就制定好救治和转移伤员的方案。当伤员不适于转移时，可在现场找 一间民房或其他房间进行手术治疗，这种情况下利用生理参数监护终端采集生理 信号，无线监控终端采集手术音视频，并且实时传输至指挥中心，指挥中心可通 过卫星通信等方式将音视频及生理信号传送至远方的专家处，即可进行远程医疗 指导。 2 1 4 移动远程医疗系统组网方案设计 无线局域网( w l a n ) 的工作模式主要有两种：一种是基础设施模式，以无 线接入点为中心，w l a n 的无线接入点，可看作是有线网络的延伸，只要在w l a n 的覆盖范围内，配有无线网卡的设备，都可以通过无线接入点与外部有线或无线 的骨干网络相连。另一种工作模式称为对等网络模式，主要是指少数配有无线网 卡的设备( 即无线工作站) 之间以对等的方式相互直接连接，组成一个a d - h o c 的临时特定网络。 无基础设施的移动通信网络，也就是无线自组网( a d - h o cn e t w o r k ) ，也被称 为多跳无线网( m u l t i - h o pw i r e l e s sn e t w o r k ) ，由一组带有无线通信收发装置的 移动终端节点组成，是一个多跳的临时性无中心网络，可在任何时刻、任何地点 快速构建起一个移动通信网络，并且不需要现有基础网络设施的支持，网中的每 个终端可以自由移动，地位相等。在自组网中，每个用户终端不仅能自由移动， 而且都兼有路由器和主机两种功能。一方面，作为主机，终端需要运行各种面向 用户的应用程序；另一方面，作为路由器，终端需要运行相应的路由协议，根据 路由策略和路由表完成数据分组转发和路由维护工作。在部分通信网络遭破坏 后，这种分布式控制和无中心的网络结构能维持剩余的通信能力，确保重要的通 信指挥畅通，因而具有很强的鲁棒性和抗毁性。 a d - h o c 网络中各个节点的地位是均等的，原则上不存在瓶颈而比较健壮， 相对安全。但当网络规模加大时，维护这些动态变化的路由信息就需要大量的控 制消息，路由维护的开销指数增长而消耗掉有限的带宽。在用户较多的情况下， 1 0 北京邮电大学硕士研究生学位论文 平面结构的a d - h o c 网络存在处理能力弱、控制开销大等缺点。因此，它主要适 用于移动性较弱的中小型网络。对于一般的事故救援中的通信网络来讲，这个网 络是可以适用的。 移动终端6 移动终端1 黛4 飞 莎移动终端4 、 ，7 、 一乏至= 一 移动终端2 移动终靖3 指挥中心 移动终端s 图2 - 2 系统网络结构 如图2 - 2 所示，该网络是由一个指挥中心和多个移动终端组成的一个多跳的 移动自组织网络。在网络中各个节点( 包括指挥中心和移动终端) 的地位是等同 的，构成一个实用的小型通信系统。图中的1 、2 、3 号移动终端处于第一级( 该 移动终端与中心之间具有较好的无线链路，与基站系统直接连接) ，其他的移动 终端都要依靠某个“第一级”进行转发；4 、5 号移动终端不能与中心直连、而 能和1 、2 或3 号移动终端直连时，数据包就经过l 跳到达指挥中心；6 号移动 终端不能和指挥中心及第一级直连，而只能和4 、5 号移动终端的一个或多个直 连时，数据包就经过2 “跳”( 两次转发，比如6 - 4 - 1 或者6 - 4 - 2 ) 到达指 挥中心，具体的路由是经过加权计算出来的最优路径。 2 2 移动远程医疗系统主要功能模块的设计 2 2 1 指挥中心的设计 1 硬件设计 指挥中心的硬件设备为台式机或笔记本电脑及华硕公司的w l 一1 6 7 g 无线网 卡。其中台式机或笔记本电脑，内存推荐使用5 1 2 m b 以上，图形显示及界面要 求显示器使用1 0 2 4 x 7 6 8 或更高的分辨率，配备键盘和鼠标或兼容的指针设备。 2 软件概要设计 按功能划分为以下几个模块： ( 1 ) 点名模块 指挥中心每隔3 0 s 在网络中发送一次广播包，监控终端收到这个信息后，发 北京邮电人学硕士研究乍学位论文 送回复信号，以说明自己在网络中、可进行通信。监控终端可通过该广播包获得 指挥中心的i p 地址( 如果指挥中心更换了i p 地址，监控终端可通过该模块更新 数据) 。指挥中心收到了回复信号后，把对应的终端的i p 地址添加到数据库，并 把状态改为激活。如果一直没有收到回复信息，就把数据库中对应的监控终端的 状态改为未激活。 ( 2 ) 紧急操作模块 在监控终端建立客户机套接口，同时指挥中心需要建立服务器套接口并监 听。当监控终端按钮被按下时会向指挥中心发送请求信号，指挥中心收到这个信 息，就把相应终端的i p 地址添加到数据库里面，并且记录当前的时间、终端对 应的队员，以及按下按键的次数，同时把有紧急情况这个消息以声音的方式通知 指挥人员。 ( 3 ) 点对点的语音连接与播放模块 点对点的语音连接由指挥中心发起，建立连接后，双方可进行双工语音通话。 指挥中心发点对点的语音通信有两种情况：没有紧急情况时，指挥中心轮询的对 各终端进行语音连接；收到监控终端发来的紧急呼叫信号时时，指挥中心根据优 先级判断选择与某一个监控终端进行语音连接。 ( 4 ) 图象连接与显示模块 视频传输的建立由指挥中心发起，指挥中心可选择某一个或多个监控终端建 立连接。连接建立后，可在控制界面上显示一个或同时显示多个监控终端的图像。 ( 5 ) 语音广播模块 当遇到情况需要进行广播时，可点击广播按钮，此时要先将其他的一对一的 语音连接断开，然后进行指挥中心的语音广播，网络中的每个监控终端都能够收 到广播信息。 ( 6 ) 心电信号处理与显示模块 可选择采集一个或多个移动终端的心电信号，此时向相应的移动终端发送控 制信息，并对接收到的心电信号进行处理，q r s 检波，并显示动态心电图；可 选择终止可选择采集一个或多个移动终端的心电信号，此时向相应的移动终端发 送控制信息，终止心电信号的采集与传输。 ( 7 ) 数据库模块 管理员信息的管理：对于指挥中心的一般操作人员，并不能任意的改变数据 库中的各终端的基本信息。终端的信息是购买了系统产品或者新增终端时需要进 行修改，而在平时的指挥过程中是不能修改的。因此，就需要设置一些超级管理 员的身份认证，只有通过认证时，才能对基本终端的信息进行增加或者修改。此 外，超级管理员还可以根据情况增加管理员或者删除管理员。 1 2 北京邮电大学硕上研究牛学位论文 基本终端信息的管理：终端的基本信息有姓名、序号、产品序号、归属、i p 、 类别、语音设备、图像设备、入网信息( 激活) 。 紧急信息的管理：紧急信息就是当终端需要向中心请求救助时，发送的请求 信号。包括序号、i p 、最后一次请求时间、类别、次数、姓名。 2 2 2 监控终端的设计 1 硬件设计 监控终端的嵌入式系统的硬件层是以嵌入式处理器为核心的，选用基于 删9 的e p 9 3 0 1 处理器。e p 9 3 0 1 是一款高度集成的、具有众多外设接口的高性 能处理器。其1 6 6 m h z 的工作频率可以满足本系统视频数据压缩的要求、6 6 m h z 的系统总线提升了系统性能、2 个u s b 2 0 接口满足无线网卡和摄像头外设连接 要求。本系统中的无线网卡选用华硕公司的w l 一1 6 7 g ，由于提供开放的l i n u x 驱动程序源代码而简化了开发。摄像头选用的是网眼公司的v 3 0 0 0 ，用o v 7 6 2 0 ( c m o s 芯片) 作为图像传感器，o v 5 11 作为d s p ，最高支持象素为6 4 0 4 8 0 ， 支持r g b 2 4 ，1 4 2 0 等多种图像格式，采用了自己专用的图像压缩编码方式。 c s 8 9 5 2 0u s b 接口模块0m a x 3 2 2 30 x c l 4 5 4 8 1 以太网接1 3 模块0 ( 2 - i - o h c i ) 0 串口模块i i 音频接口模块 e p 9 3 0 1 s d r a m 模块li f l a s h 模块 ii 电源及复位模块 k 4 s 5 6 1 6 3 2l l t e 2 8 f 1 2 8 j 3 c 一1 5 0 ii1 1 1 7 。3 3 v ：1 1 1 7 可调 ( 3 2 m 字节)ll( 1 6 m 字节)i 广1 ：而汉元荐舌爵广 图2 - 3 监控终端硬件结构图 图2 3 为监控终端的硬件结构，主要组成模块介绍如下： ( 1 ) f l a s h 模块及s d r a m 模块 系统主板包含1 6 m b 的f l a s h 存储器，用于存放启动代码、l i n u x 内核、用 户驱动程序及用户程序等。s d r a m 控制器提供了高速存储接口、支持许多同步 存储器件，如s d r a m 、同步f l a s h 和同步r o m 。 ( 2 ) 电源模块 m a x 7 0 8 c s a 、h c 4 0 6 0 、c s 8 9 5 2 以及u s b 端口( 无线网卡和摄像头) 需5 v 供电。其中因摄像头的功耗较大而且对5 v 的压降很敏感( 亮度变暗、分辨率下 降) ，要单独为其供电。需3 3 v 供电的有：e p 9 3 0 1 的外设供电( v d dr i n g ) 和模数转换的供电( a d c _ v d d ) 、1 4 7 4 5 6 m h z 有源晶体振荡器、s d r a m ( k 4 s 5 6 1 6 3 2 ) 、f l a s h ( t e 2 8 f 1 2 8 j 3 c ) 、语音编解码芯片( x c l 4 5 4 8 1 ) 以及 北京邮电大学硕上研究乍学位论文 r s 2 3 2 电平转换芯片m a x 3 2 2 3 e 等。而e p 9 3 0 1 的内核( v d d _ c o r e ) 和锁相 环供电( p l lv d d ) 需1 8 v 供电。 ( 3 ) 复位模块 监控终端的嵌入式处理器e p 9 3 0 1 、以太网接口芯片c s 8 9 5 2 以及f l a s h 芯 片t e 2 8 f 1 2 8 j 3 c 需要外界输入复位信号。复位信号由m a x 7 0 8 c s a ( 微处理器 监控电路) 产生：持续时间至少要大于4 个f c l k 周期时间。 ( 4 ) 以太网接口模块 以太网控制器集成了直接和a h b 接口、媒体无关接u 1 ( m i i ，m e d i a i n d e p e n d e n t i n t e r f a c e ) 相接口的全部逻辑，包括一个本地存储区、d m a 控制、支持具有流量 控制功能的全双工操作。 ( 5 ) u s b 接口模块 摄像头和无线网卡作为该嵌入式系统中的两个外设，均需要利用u s b 接口。 摄像头采集的图像数据通过u s b 口传送给目标板，无线网卡通过u s b 接口进行 无线的通信。e p 9 3 0 1 的u s b 主控制器( h o s tc o n t r o l l e r ) 能够与符合u s b 2 0 的 低速( 1 2 m b p s ) 和全速( 1 2 m b p s ) 器件进行通信，且支持两个根集线器端口( r o o t h u bp o r t s ) 。 ( 6 ) 串口模块 蓝牙r s 2 3 2 适配器通过串口连接在监控终端。并且可通过串口完成下载程 序、映像文件、内核、交叉调试等功能。u a r t 控制器实现与工业标准1 6 c 5 5 0 器 件相同的功能；通过设置寄存器来设置波特率；支持最高波特率为l1 5 2 k b s 。 ( 7 ) 音频接口模块 e p 9 3 0 1 的s s p ( s y n c h r o n o u ss e r i a lp o r t ，同步串行端口) 通过编程设置， 可以和三种外设接口进行通讯：m o t o r o l a 的s p i ( 串行外设接口，s c r i mp e r i p h e r a l i n t e r f a c e ) 、n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司的m i c r o w i r e 、t i 公司的同步串行接口。 监控终端期望采用码速率较低的编码方式，但是由于e p 9 3 0 1 不支持浮点运 算，大部分的语音编码方式都不能实现，所以采用传统的p c ma 律1 3 折线编码 方式，码速率为6 4 k b i t s 。相应的选择了m o t o r o l a 公司的x c l 4 5 4 8 1 ，一款通用 的p c m 编解码芯片，所以把s s p 端口设置成s p i 端口的工作模式。 2 软件设计 监控终端的嵌入式操作系统采用l i n u x 。根据该系统需要完成的功能，监控 终端软件需按照功能划分为六个并行的任务：视频信号发送任务、音频信号发送 与接收任务、接收控制中心广播语音任务、紧急呼叫任