基于物联网技术的远程医疗设备的设计与实现

王丹丹 蔡士东 刘蓉蓉 赵 雪 黄伊婷 马芳迪 董思娴

大连民族大学信息与通信工程学院，辽宁 大连 116600

血压被用来衡量一个人的健康状况。根据世卫组织的研究调查表明，高血压会增加冠心病、心率衰竭以及中风等疾病的发生概率，而这些疾病的发生也是增加心血管疾病风险的主要因素。我国的高血压患者数量也在逐年增加，研究表明，持续的血压监测使得高血压更容易被发现，做到及时控制可有效辅助高血压治疗。同时，我国的医疗健康行业一直以来存在着“看病难、看病贵”、医疗资源配置不合理的问题。但是随着信息化技术的发展，远程医疗、智慧医院、“互联网+医疗”等以物联网、互联网为技术手段的新一代信息化创新应用应运而生。我国的远程医疗系统起步较晚，但发展速度较快，受重视程度较高[1]。随着社会经济的不断发展以及医疗水平和居民生活水平的不断提高，远程医疗的需求将会不断扩大。我国医疗卫生行业应该积极借助物联网技术，推动个性化医疗服务发展，使居民能够享受 IT 行业和医疗行业共同发展所带来的福利[2]。该设备主要以硬件开发为主，结构上分为硬件部分（终端设计）和软件部分（物联网平台设计）。基于树莓派进行其主要操作，选用阿里云物联网平台为中间节点，将树莓派与传感器组成的终端设备所测量出的数据映射到公网上，使终端设备数据变得公开化，联网后可在任意地区查看，从而达到远程的效果。

1 总体设计方案

本文的系统方案设计主要分为两个部分，分别为终端模块设计和物联网平台模块设计，远程医疗设备系统的结构框图如图1所示。总体设计需要实现终端模块中的血压传感器可以正常采集血压数据；树莓派能够接收并解析血压传感器所测得的数据，且能够将其数据转发上传至物联网平台；物联网平台可以对树莓派下发指令，对设备进行验证，验证成功后可将接收来的数据正常显示。

图1 远程医疗设备系统的结构框图

（1）终端模块设计：主要以硬件设计为主，由MKB0805血压监测传感器与树莓派（Raspberry Pi）构成，设计一个具有数据交互功能以及可远程操控的终端设备，实现异地诊断和治疗。

（2）物联网平台模块设计：此模块会实现将终端模块测量到的血压数据接收至云服务器，并在我们所选择的物联网平台上显示，从而达到远程的效果。基于功能及云安全防护的考虑我们选择了阿里云的物联网平台。此平台的特点是无须进行内网穿透即可将设备的数据放置到公网上，方便对终端设备的数据进行二次处理。

2 终端模块设计

2.1 血压采集方案

血压数据的采集选用MKB0805血压心率传感器来完成。该传感器主要由 1 颗 YK1801 脉搏传感器芯片、1 颗 HR6707 脉搏芯片、1 颗 HR6816增益芯片和 1 颗SFB9712 算法芯片组成。共计实现心率血压采集计算、脉搏波和心电波形输出、人体佩戴状态识别、血压跟踪监测等人体健康指标的功能。在本设备的终端模块的设计中不需要使心电波形的输出。传感器采集血压的方案原理是主要通过 PPG 特征认知、跟踪对比监测用户的血压变化趋势。PPG信号是指利用光电容积脉搏波描记法检测到的脉搏波信号。光电容积脉搏波描记法利用光电转换原理检测人体血液容积的变化进而检测出脉搏波[3]。

采集的数据输出方式有两种：串口输出或 IIC输出。考虑到树莓派对传感器数据提取的简易程度，本设备将数据的输出方式定为串口输出。在相应代码中添加传感器设定好的波特率和校验位、停止位即可正常接收采集的数据。需要注意的是该传感器的数据输出格式为十六进制，树莓派直接接收的数据还不能用于物联网平台的显示，需要将十六进制格式的数据转换成十进制后再上传至物联网云平台。通信协议中的波特率等参数以及数据格式的转换将会在树莓派中进行。

2.2 数据通信方案

本设备使用树莓派3B+（Raspberry Pi 3B+）来对血压心率传感器所采集的数据进行处理。树莓派是一种为学生计算机编程教育而设计的卡片式电脑，其系统基于Linux。它的体积虽小，但功能齐全，具有本设备所需的串口通信功能以及无线网卡，使本设备无须使用网线就可以实现接入互联网的功能。对树莓派进行Wi-Fi配置，使其接入互联网并可以实现与本设备的物联网平台进行通信。

树莓派的无线通信配置：树莓派在首次连接无线网时需要使用putty或者Windows的远程桌面登录到树莓派中。或者也可以购买显示屏，将显示屏与树莓派相连接，对树莓派进行可视化配置。当远程登录成功后，在操作界面上输入sudo nano 指令加上该路径/etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf，在wpa_supplicant.conf文件的末尾可编辑配置需要连接的network信息。

树莓派的串口通信配置：因为血压传感器的数据输出方式为串口输出，所以需要对树莓派进行串口通信配置，以便于接收并处理传感器所采集的数据。首先禁用蓝牙设备，在boot文件夹中的config.txtw文件的最后一行添加dtoverlay=pi-miniuart-bt代码，将系统启动设置为串口自动登录，最后重启树莓派。树莓派共有两个串口：硬件串口、mini串口。为了更好地使用稳定可靠的硬件串口，须将树莓派的硬件串口与mini串口默认映射对换。须注意的是，上述步骤操作完成之后，树莓派还不能使用串口进行通信。因为树莓派的io口引出串口默认是用来做控制台的，也就是说串口的作用是用来对树莓派进行控制，而不是通信。因此，将树莓派的串口的控制台功能禁用即可。

2.3 模块总体运行分析

终端模块主要由树莓派3B+(Raspberry Pi 3B+)和传感器组成，终端模块实物图如图2所示。该模块的主要工作模式为利用血压心率传感器采集获取人体的血压和心率数据，并通过串口的输出方式将数据发送到树莓派上，树莓派会对传感器进行校准，校准成功后便会接收传感器发送过来的数据并存储在本地，等待阿里云物联网平台的指令再进行下一步操作。MKB0805血压心率传感器使用到了YK1801脉搏传感器芯片，YK1801芯片采用了光电容积脉搏波描记（PPG）的方式感应人体的脉搏信息并加以提取。树莓派则作为传感器与物联网平台之间的桥梁，承担着传感器与物联网平台之间的数据交互的任务并为传感器提供电源。终端模块原理图如图3所示。

图2 终端模块实物图

图3 终端模块原理图

3 物联网平台模块设计

基于综合考虑，本设备的云平台选择使用阿里云物联网平台。该物联网平台使用高性能IOT Hub实现设备与云端稳定通信。基于地理位置的原因，本设备物联网平台模块开发使用的是华东2（上海）地区的物联网平台。终端与物联网平台使用HTTPS协议进行连接通信，数据请求连接方式为POST。HTTPS 协议，也被称为安全超文本传输协议，是传统 http 的升级版，也被称为安全版，是指以安全为最终目标的 http 通道[4]。在网络通信中拥有较好的安全性，采用ssl加密传输协议，有效防止数据泄露。

具体实现步骤为，①在该平台的控制台处选择创建产品和设备，在所属品类处选择“自定义品类”，选择以WIFI的方式联网，传输的数据格式为ICA标准数据格式（Alink JSON）。②创建产品成功后再自定义一个物理模型，在模型中分别添加自定义的血压监测和心率监测功能。③物理模型定义完成后，再将此模型添加至之前所创建的产品下。④点击发布产品后会获得一个服务器为本设备提供的证书信息，如ProdcutKey、DeviceName和DeviceSecret。⑤设备请求与物联网平台建立连接时，物联网平台会进行设备身份认证。⑥当认证通过后，服务器会下发设备token。⑦当终端设备在向物联网平台上报数据时，会由终端发起HTTP请求，并在请求头中携带该token，阿里云的服务器根据该token进行设备验证，验证成功后会接收数据并进行页面渲染，最终将数据显示在页面上。物联网平台原理图如图4示。

图4 物联网平台原理图

4 结 语

本文主要阐述了远程医疗设备的设计与实现，从终端到树莓派再到物联网平台之间的信息传输。该系统主要由树莓派、传感器以及阿里云物联网平台组成，在实现远程功能上不同于以往使用的蓝牙或红外连接技术来进行数据传输的设计，本设备利用HTTPS无线通信技术，使得数据的传输交互可在公网上实现，同时也无须进行内网穿透，即可在任意地区收到该设备数据。这很好地打破了地域的限制，实现设备数据透明化。

血压传感器和树莓派之间使用UART串口连接，无须在传感器上安装多余的通信模块，此做法不仅降低了数据传输的时延性，而且增加了数据传输的稳定性。在设计上我们降低了终端设备与其他设备之间的联系，使得各设备相互独立，让传感器不只局限于血压心率传感器。

在后期的研究和学习中，设备的数据将不仅限于查看，还可实现设备数据的二次使用，即增强数据的可操作性。该设备能够从根本上解决医生对于高血压患者远程诊断不方便和不及时的难题，极大减少了高血压引起的心脑血管等疾病的死亡率，具有较高的应用价值。