利用BB-Black设计的远程医疗监测智能硬件（1） 硬件, 智能, 便宜, 开发

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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 内核的微处理器，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。微处理器单元(MPU)子系统基于 ARM Cortex-A8 微处理器; 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。



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。


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。


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嵌入式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，作者针对嵌入式设备，采用开销小、可移植性强、便使用且高效的嵌入式 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。


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。