基于Linux系統(tǒng)的5G通信技術(shù)在醫(yī)療服務(wù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

楊靜 王文文 吳連威 王輕 葛繼成 肖小兵

摘 要：本文從智慧醫(yī)療服務(wù)談起，將5G技術(shù)應(yīng)用于相應(yīng)的科室，例如：麻醉科、婦產(chǎn)科、兒科等需要輸液的科室，致力于幫助緩解護(hù)士壓力，提高醫(yī)院治療效率；或?qū)?G通信技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程醫(yī)療中。介紹如何將5G通信技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計(jì)中，從而提升醫(yī)生診斷效率、改善患者就醫(yī)體驗(yàn)、實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源遠(yuǎn)程共享和實(shí)時(shí)信息交互，有效緩解醫(yī)療資源匱乏、醫(yī)護(hù)人員短缺、醫(yī)療水平分布不均等問題[1]。

關(guān)鍵詞：5G通信技術(shù)應(yīng)用；智慧醫(yī)療；Linux

0 引言

目前全國(guó)已有超過600家醫(yī)院部署了5G室內(nèi)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)[2]。由此可以看出，5G醫(yī)療在提升診療效率、提升醫(yī)療服務(wù)水平的同時(shí)也給醫(yī)院管理層帶來啟示，對(duì)于智慧醫(yī)療系統(tǒng)、智慧管理系統(tǒng)和智慧服務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)起到了積極的促進(jìn)作用。

1 總體方案設(shè)計(jì)

總體方案如圖1所示，主要由5G基帶模塊與SIM/ USIM卡接口、RS232調(diào)試串口、千兆以太網(wǎng)電路、復(fù)位電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路等組成。本設(shè)計(jì)利用LoRa進(jìn)行傳輸，從站LoRa模塊給主站LoRa模塊發(fā)數(shù)據(jù)，再通過無線模塊與核心板的連接，將數(shù)據(jù)傳輸至Linux系統(tǒng)核心板。數(shù)據(jù)通過核心板處理傳至5G基帶模塊，最后上傳到云服務(wù)器，完成數(shù)據(jù)的傳輸?？蓪?shí)現(xiàn)實(shí)施監(jiān)控多設(shè)備參數(shù)。例如：將無線模塊插入輸液泵中，那么數(shù)據(jù)就可以利用所設(shè)計(jì)的5G網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)傳輸至云服務(wù)器，護(hù)士便可以靈活觀察多個(gè)輸液泵情況，合理安排時(shí)間，也可將次設(shè)計(jì)應(yīng)用到遠(yuǎn)程醫(yī)療中，具有高帶寬、低時(shí)延等優(yōu)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 Linux系統(tǒng)核心板

NXP QorIQ LS1028A應(yīng)用處理器包括支持時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）的以太網(wǎng)交換機(jī)和以太網(wǎng)控制器，可支持融合的IT（信息技術(shù)）和OT（操作技術(shù)）網(wǎng)絡(luò)。兩個(gè)功能強(qiáng)大的64位Arm v8內(nèi)核支持工業(yè)控制的實(shí)時(shí)處理，以及物聯(lián)網(wǎng)中邊緣計(jì)算的虛擬機(jī)。內(nèi)置GPU和LCD控制器使人機(jī)接口（HMI）系統(tǒng)支持新一代接口。LS1028A處理器內(nèi)置一個(gè)SerDes模塊，分為4個(gè)lane高速接口以支持各種協(xié)議，例如SGMII，QSGMII，PCIe 和SATA。集成可信架構(gòu)帶有加密分流功能，可提供能夠加密通信的可信平臺(tái)，適用于安全的應(yīng)用和服務(wù)。

Linux系統(tǒng)具有高效性和靈活性[3]，Linux核心板嵌入多核應(yīng)用處理器，具有高集成小系統(tǒng)，板載以太網(wǎng)口，具有豐富的外設(shè)接口，可以滿足本方案的設(shè)計(jì)。

如圖2所示，為FET1028A-C系列核心板接口管腳定義，核心板含有大量的接口資源，共160個(gè)管腳，用不到的管腳做懸空或加上下拉電阻處理。

2.2 5G基帶模塊

5G模塊主要用來進(jìn)行無線通信，要求其具有強(qiáng)大的擴(kuò)展能力和豐富的接口。模塊的供電、開機(jī)、復(fù)位等功能都由Linux核心板來控制。移遠(yuǎn)RM500Q-GL是標(biāo)準(zhǔn)的M.2 Key-B WWAN接口模塊，符合PCIe M.2接口規(guī)范，同時(shí)符合USB 3.1和USB 2.0規(guī)范。擁有（U） SIM接口、USB接口、PCIe接口、PCM接口等豐富的外設(shè)?？赏ㄟ^USB和PCIe兩種接口模式來與Linux核心板進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。RM500Q-GL支持Windows、Linux和Android等嵌入式系統(tǒng)。為工規(guī)級(jí)模塊，并支持GNSS多模定位功能和語音功能以滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)景需求[4]。

本設(shè)計(jì)中5G模塊與Linux核心板之間通過USB3.1接口模式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。5G模塊包括電源管理、基帶、LPDDR4X SDRAM+NAND存儲(chǔ)器、射頻部分、M.2 Key-B接口等，其功能框圖如圖3所示。

2.3 以太網(wǎng)接口

LS1028A的serdes通道SD1_ TX1/RX1配置為了QSGMII，底板采用以太網(wǎng)收發(fā)芯片QCA8075引出4組網(wǎng)口至RJ45插座。QCA8075被配置為QSGMII+SGMII模式，但是其中的SGMII引腳沒有使用到，所以相關(guān)引腳保持懸空。千兆以太網(wǎng)PHY部分參考電路如圖4所示。

2.4 RS232 調(diào)試串口

Linux核心板引出的UART1是調(diào)試串口，1.8 V電平。經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片LSF0204RUTR轉(zhuǎn)換為3.3 V電平，再經(jīng)RS232芯片MAX3232ID轉(zhuǎn)換為RS232電平。其中3.3 V電平調(diào)試串口由XH-2.54 mm白色端子引出；RS-232電平調(diào)試串口通過標(biāo)準(zhǔn)DB9公頭座子引出，波特率115200。串口調(diào)試參考電路如圖5所示。

2.5 復(fù)位電路

電路可設(shè)計(jì)復(fù)位鍵，按下后可關(guān)閉核心板上所有電源，實(shí)現(xiàn)給整板斷電復(fù)位的功能。如圖6復(fù)位電路所示。

2.6 電源模塊

電路電源為直流12 V，由DC-005插座引入。該直流12 V電源經(jīng)過功率MOS管之后向核心板供電。核心板上電后會(huì)向底板輸出1V8信號(hào)，1V8控制底板VCC 5 V上電。此部分電路是為了保證核心板先上電，底板后上電，以防閂鎖效應(yīng)的發(fā)生損壞CPU[5]。電路如圖7所示。

2.7 SIM卡接口電路

5G模塊內(nèi)置雙USIM接口，支持雙卡單待功能，模塊可支持（U）SIM卡熱插拔功能。（U）SIM 檢測(cè)引腳支持高/低電平檢測(cè)。 SIM接口支持1.8 V和3 V SIM卡（電壓自適應(yīng)），拔插請(qǐng)注意區(qū)分SIM卡正反面。5G用的microSIM卡座接口電路如圖8所示。

2.8 LoRa無線模塊

LoRa無線技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、低功耗（電池壽命長(zhǎng)）、抗干擾、多節(jié)點(diǎn)、低成本的特性[5。LoRa基于Sub-GHz的頻段使其更易以較低功耗進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，可以使用電池供電或者其他能量收集的方式供電；較低的數(shù)據(jù)速率也延長(zhǎng)了電池壽命和增加了網(wǎng)絡(luò)的容量。LoRa信號(hào)對(duì)建筑的穿透力也很強(qiáng)。LoRa的這些技術(shù)特點(diǎn)更適合于低成本大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)部署[6]。

由于LoRa模塊應(yīng)用起來工作量比較大本次設(shè)計(jì)使用核心板的通用UART2串口對(duì)LoRa模塊的復(fù)位和收發(fā)等引腳進(jìn)行控制。參考原理圖如下圖9所示。

3 軟件開發(fā)

3.1 編譯環(huán)境搭建

fl exbuild 是NXP 官方提供的QorIQLS系列的編譯環(huán)境，fl exbuild中提供了整個(gè)系統(tǒng)編譯需要的所有源碼，比如linux內(nèi)核、uboot、fi rmware、app程序以及一個(gè)完整的文件系統(tǒng)。對(duì)于文件系統(tǒng)，用戶可直接使用。步驟分三步：1.下載fl exbuild包并解壓，注意編譯過程中使用root用戶操作，2.將主要目錄/文件簡(jiǎn)介放到虛擬機(jī)內(nèi)，3.設(shè)置環(huán)境變量。

3.2 全部編譯

第一次進(jìn)行編譯時(shí)，使用全部編譯命令進(jìn)行編譯，只需要一條命令就可以編譯出所有需要的文件。生成的文件位于build/images目錄。

3.3 打包燒寫鏡像

將在linux-fs目錄生成images.tar.bz2，后續(xù)可以直接解壓到燒寫U盤中。

3.4 單獨(dú)編譯 Firmware

Ls 系列的芯片在啟動(dòng)時(shí)需要加載一些固件，例如rcw（復(fù)位控制字），uboot等，如對(duì)上述文件進(jìn)行了修改，就需要重新編譯并將這些文件打包成一個(gè)fi rmware鏡像文件，燒寫到啟動(dòng)設(shè)備中。支持 EMMC、TF卡、XSPI啟動(dòng)，需要將特定的Firmware燒寫到對(duì)應(yīng)的介質(zhì)中。

3.5 單獨(dú)編譯內(nèi)核及模塊

將編譯好的內(nèi)核、設(shè)備樹文件更新到 build/images目錄[7]。

3.6 單獨(dú)編譯app程序

packages/apps包含了平臺(tái)相關(guān)的上層應(yīng)用層工具例如OpenSSL 如對(duì)這部分的源碼有所改動(dòng)，需要單獨(dú)編譯。

4 驗(yàn)證結(jié)果

將電路焊接完成，測(cè)試電路正常，燒寫程序，利用串口調(diào)試助手、電腦A與電腦B等工具。

將無線模塊LoRa A連接電腦A，無線模塊LoRa B連接所設(shè)計(jì)的電路，將SIM卡插入電路中。電腦A通過串口助手，將數(shù)據(jù)從LoRa A發(fā)送至LoRa B，5G開發(fā)板通過數(shù)據(jù)處理程序從LoRa B中提取數(shù)據(jù)，然后把獲得的數(shù)據(jù)通過5G模塊發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)的TCP Server中，流程如圖10。

如果電腦B處于內(nèi)網(wǎng)， 可通過內(nèi)網(wǎng)穿透器將電腦B的TCP Server的地址端口映射到外網(wǎng)上.LoRa A通過電腦A的調(diào)試串口發(fā)送數(shù)據(jù)（圖11所示），電腦B可以實(shí)時(shí)接收，（圖12所示）。

5 結(jié)語

本項(xiàng)目充分利用了無線通信技術(shù)、集成電路單片機(jī)技術(shù)、以及嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款擁有高速率，低延遲，高帶寬的5G應(yīng)用。本文從硬件、軟件角度細(xì)致講解出發(fā)，介紹了5G應(yīng)用的各個(gè)模塊，使得讀者能夠全面了解5G應(yīng)用的設(shè)計(jì)步驟。可以將Lora無線模塊放入各種各樣的醫(yī)療設(shè)備中，這樣可以通過此設(shè)計(jì)進(jìn)行5G無線傳輸，將5G應(yīng)用到醫(yī)療設(shè)備中。具有較強(qiáng)的實(shí)用性價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李大燦.新冠肺炎疫情防控中5G智慧醫(yī)療服務(wù)體系的構(gòu)建[J].中華急診醫(yī)學(xué)雜志，2020（07）：49-53.

[2] 李彤.衛(wèi)生大事記[G].武漢衛(wèi)生健康年鑒，2020.

[3] 陳逸非.基于大容量Flash的高效Linux文件系統(tǒng)改進(jìn)和實(shí)現(xiàn)[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

[4] 耿黃政.一種新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)車載終端軟硬件設(shè)計(jì)[J].科技與創(chuàng)新，2019（10）：37-39.

[5] 饒偉.基于LORA無線通信技術(shù)和MQTT協(xié)議的電力環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].深圳：深圳大學(xué)，2020.

[6] 何進(jìn).物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電訊技術(shù)，2019（07）： 19-22.

[7] 張峰.Linux機(jī)載紅外偵察設(shè)備中的應(yīng)用[J].紅外與激光工程，2007（05）：21-24.