基于三星Exynos4412的智能医疗系统的设计和实现

乔增光+屈八一+程腾

引言

随着时代的发展，人口老龄化进程加快，各种疾病在中老年人群中肆虐和衍生，很多老人卧床不起，或者术后生活不能自理，再加之人们健康意识和保健要求日益增强，这一切推动了医疗模式从以症状治疗为中心的模式向以预防为主、早诊断、早治疗的模式转变。现在医疗行业融入了更多的人工智慧、传感技术等高科技，智能医疗开始了从复杂的、应用于医院的大型医疗设备，到既适用于医院又适用于家庭和个人的小型穿戴式系统的改变。使医疗服务走向真正意义的智能化。在中国新医疗改革的大背景下，智能医疗正在走进寻常百姓的生活，得益于此基于exynos4412智能医疗系统应用而生。

基于exynos4412的智能医疗系统，它具有心率、脉搏监测系统、信号特征提取和数据传输等功能，可以通过web网页实现远程对人体的监控、提前诊断和监护治疗，具有反应快速、使用简便、支持长时间连续工作、智能显示诊断结果、异常生理状况报警和无线数据传输等特点。将实现“病发就医”的被动医疗模式向“预防警告”的主动现代医疗模式的转变，从而降低门诊就诊次数，提高医疗结构服务效率，降低就诊费用等目的。

1开发平台介绍

Exynos4412又称为Exynos4 Quad，Exynos4412是三星的第一款四核处理器，采用Cortex-A9架构，核心最高频率均为1.4 GHz。制程工艺方面，Exynos4412采用32 nm工艺，从而使得其在能耗方面有了很大的改善。Exynos4412内部集成了Mali-400MP高性能图形引擎，支持3D图形流畅运行，并可播放1080P大尺寸高清视频。其中三星旗舰智能手机Galaxy S3即是采用此CPU设计。

本文中我们采用的是基于三星Exynos4412为主处理器的一款ARM开发板，在此开发板上进行设计和开发的智能医疗系统。该开发板具有更高的主频和更丰富的的外设接口，配置2GB DDR3的内存，具有稳定性强、可靠性高，能适用于对性能和处理能力有更高要求的嵌入式系统应用场合。该开发板可以选配有无线WIFI模块、Bluetooth、GPS、Camera、3 G等模组，可以在以后的开发工程中，在此基础上更加完善系统功能。

2系统的设计与实现

2.1系统的整体设计

智能医疗系统的框架如图1所示，其包含3个部分：硬件层、应用层、人机交互层。

在硬件层，系统通过遍布在房间不同角落的监测模块和各种传感器，获取用户健康和行为状况数据，并发送到应用层做进一步的处理。

在应用层，收到应用層传来的各种检测数据时，如果发现检测的数据异常或者用户的行为异常，例如检测到用户的心跳过快，或者有人闯入房间等。应用层将发送信号到人机交互层。

在人机交互层，收到应用层传来的异常信号时，通过电话、短信等方式通知用户或其家人，注意或预防。

2.2系统功能

为了提供综合性的医疗服务，系统按功能分为4个子系统。

（1）实时监控子系统，主要负责获取用户的实时身体状况数据和设备的本地信息。

（2）卫生保健子系统，主要负责根据用户身体现状数据，评估健康水平。系统将为用户制定个性化的保健方案。

（3）意外检测子系统，主要负责行为分析和健康趋势预警。例如，系统可检测到身体特征异常，以便通知家人。

（4）控制终端子系统，手动操作、控制各种设备，例如，当病人躺在床上时间长了，可以控制床的升起，让病人坐起，也可以控制室内的温度等。同时可以将采集到的数据在终端上显示，供用户或医生参考。

2.3硬件设计

根据模块化思想，本系统的硬件部分应包括主控制器模块、LCD人机交互模块、GPRS数据传输的GSM模块、测量脉搏心率的PulseSensor模块、人体红外检测模块、环境检测模块、信号采集模块还有摄像头等。其硬件方案如图2所示。

主控制模块：此模块采用4412的最小系统板，因此不需要额外的设计。

LCD人机交互模块：提供菜单式操作，主要完成人机交互和监控的视频显示等功能。

GPRS数据传输的GSM模块：GPRS模块就是一个精简版的手机，集成GSM通信的主要功能于一块电路板上，具有发送短消息、通话、数据传输等功能。

测量脉搏心率的PulseSensor模块：PulseSensor是一款用于脉搏心率测量的光电反射式模拟传感器。将其佩戴于手指或耳垂等处，通过导线连接可将采集到的模拟信号传输给Arduino等单片机用来转换为数字信号，再通过arduino单片机简单计算后就可以得到心率数值，此外还可将脉搏波形上传到电脑上显示波形。

3嵌入式Web的开发

通过Web网页可以使我们远程监控病人的情况，也可以接受各个采集信息模块采集到的信息，使家人或医生能够远程了解病人的身体状况。

在嵌入式设备中有一个Web服务器，就可以使用任一种Web浏览器接收和发送信息。那么如何设计这种特别的服务器，如何在嵌入式设备中安装Web服务器。一般来说，嵌入式Web服务器具有如下主要功能：

（1）对设备的实时监控管理，参数在线查看和配置等。

（2）响应对客户的实时HTTP请求，并为每个客户建立连接。

（3）对设备访问的安全控制机制，包括SLL，用户口令等。

（4）实现设备的故障报警。

（5）保证不同操作系统或客户端对设备访问的一致性。

嵌入式Web服务器一般包括核心部分和可裁减部分。核心部分包括HTTP请求解析器和模块分析器。HTTP请求解析器负责接收客户发送的HTTP请求报文，获得客户端信息，并把解析出来的结果保存到请求结构中；模块分析器根据配置信息调度其他模块。模块主要分为系统功能模块和用户功能模块，一旦配置了系统功能模块，该模块就对服务器收到的请求进行处理，则系统功能模块主要分为3个部分：文件系统访问模块（针对静态网页）、CGI处理模块（针对动态网页）、赋值处理（针对用户控制作用）。endprint

3.1Boa服务器的分析与应用

Boa是一个单任务的HTTP服务器，源代码开放、性能高，它最初的设计目标提供快速安全的HTTP服务器，Boa是一个非常小巧的Web服务器，特别适合应用于嵌入式系统中。它可执行代码只有约60KB。它是一个单任务Web服务器，只能依次完成用户的请求，而不会fork出新的进程来处理并发连接请求。但Boa支持CGI（Common GatewayInterface），能够为CGI程序fork出一个进程来执行。Boa的设计目标是速度和安全，在其站点公布的性能测试中，Boa的性能要好与Apache服务器。Boa服务器在系统中应用如图3所示。

3.2HTML静态网页的制作

Web的应用开发一般都会将界面和程序逻辑脱离开来，允许在一定程度下更改界面。在HTML中，表单（FORM）是最主要的传递信息的手段。它适用于任何浏览器。表单中有很多元素，包括输入文本框，单选框，多选框，按钮，等等，可以提供信息的交互。

CGI程序的工作一般就是接收数据，进行数据处理，最后根据处理结果生成新的页面返回给浏览器。表单数据一般是以POST方法提交给服务器，由CGI程序获得，程序必须要将界面数据和内部数据对应起来才能够进行下一步的处理。

本文的HTML静态网页测试文件为mian.html，其中制作的网页主要有开机界面，监控界面等。将制作的网页文件放在自制的嵌入式根文件目录下，如下所示：

rootfs/www/index.html开机登陆

rootfs/www/main.html主界面登陆

rootfs/www/ecg.html

心跳监测界面

rootfs/www/care.html

病人状态界面

rootfs/www/bed.html

智能床界面

rootfs/www/camera.html监控界面

rootfs/www/safety.html安全界面将开发板和电脑连接，然后启动开发板，在PC机的浏览器地址栏输入相应的IP地址，即可打开网页，例如http：//192.168.0.168/main.html。其中主界面如图4所示。

3.3 CGI程序的实现

CGI（Common Gateway Interface）是：“公共网关接口”的简称，是Web服务器和主机应用程序之间进行信息交换的一种接口标准或规范。通过CGI，Web服务器可以激活一个应用程序，同时将用户提交的数据传递给这个程序，随后，又可以将该程序的响应（输出）返回给浏览器。

CGI处理步骤如下：

1.通过Internet把用户请求送到服务器；

2.服务器接收用户请求并交给CGI程序处理；

3.CGI程序把处理结果传送给服务器；

4.服务器把结果送回到用户。客户端和服务器的信息交换如图5所示。

4结束语

随着技术的成熟和人们对健康的关注，智能医疗正在迎来高速发展期，智能医疗不但能极大地推动医疗信息化的进程，而且还能有效的解决国内医疗分布不均等问题，使人们享受更好、更便捷的医疗服务。

本文的智能医疗系统是基于Exynos4412的嵌入式开发平台构建，并在构建的软硬件平台上创建嵌入式Web服务器Boa，然后在其上进行应用开发，通过Web网页可以实现远距离监控，还可以将各个硬件模块采集的数据发送到web端，最终实现了Boa的動态网页交互功能和对目标的远程监控功能以及采集数据的传输等。endprint