CN106100985A - 一种家庭健康监护网关装置 - Google Patents

Abstract

一种家庭健康监护网关装置以实现基于互联网的老人家庭远程健康监护问题。硬件通过在Samsung Exynos4412核心处理器周围拓展模块实现，软件通过在处理器上移植Android操作系统，并在应用层开发软件实现功能。本发明可以实现通过蓝牙方式接收智慧衣所采集的心电信号，心电信号经分析后通过3G网络或宽带为患者及家属提供心电预警服务；可以将心电信号传输至远程监护中心，供医生查验。本装置为患者提供触摸屏和HDMI数字电视遥控操作两种交互方式，满足老人的使用习惯。该装置一定程度上能减缓医院的接诊及监护压力，具有智能化、实时性及可拓展的特点。

Description

一种家庭健康监护网关装置

技术领域

本发明属于家庭健康监护领域，涉及一种基于Android嵌入式系统的健康监护网关装置及其使用方法。

背景技术

心脏病、高血压等慢性疾病已成为困扰老人健康生活的一大难题，这些慢性疾病也是我国城乡居民的主要死因。从我国医院的监护条件来看，三级医院的监护及治疗水平高，但是数量少；而社区等基层医院覆盖面广，但是监护条件和治疗水平有限。这导致了老人和慢性病群体无法得到全方位的监护，因而无法及时预防心血管疾病的发生，更不能满足患者的突发性救助需求。由此，老人的家庭远程健康监护显得非常重要。

健康监护网关是短距离传输网络和远距离传输网络的中枢，负责收集体域网信号，并将其传输到远程服务器。当前，健康物联网产业发展迅速，但针对远程医疗这一领域的相关标准和规范尚未出台，专门应用于医疗领域的网关产品尚未出炉。物联网技术的飞速发展催生了各式各样的网关装置，但是市场上出现的绝大多数网关产品均是针对智能家居的控制和环境的监测，而针对健康监护和远程医疗应用的网关，却没有完整的解决方案。

Android操作系统基于Linux内核，是Google公司推出的一款开放的、可自由定制的嵌入式操作系统，广泛应用在智能手机及数字电视机顶盒上。基于Android操作系统开发网关，目的在便于拓展现在市场上的Android数字电视机机顶盒，将其升级为多功能智能健康监护网关。

发明内容

本发明的目的在于提供一种家庭健康监护网关设计方案及装置，以解决家庭远程健康监护问题。其特征在于，可以通过蓝牙方式接收来自智慧衣所采集的心电信号，并对其进行实时监测及分析；可以通过Internet网将心电信号传输至远程服务器，供医生进行远程分析及存档；可通过网络与医生通讯联系，以及获取医生诊断信息。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种健康监护网关装置，其特征在于：

硬件包括核心处理器、电源模块、蓝牙4.0模块、无线网络连接模块、以太网接口、3G通讯模块、摄像头及音频模块、存储器、显示模块、红外接收模块、HDMI接口模块；蓝牙4.0模块用以接收来自智慧衣发来的心电数据，心电数据存储在存储器中，并在显示模块上显示波形及相关信息，无线网络连接模块和以太网接口提供接入Internet网的功能，在接收到来自智慧衣的信号后，网关装置通过Internet网定时将数据发送至远程服务器，亦可接收服务器推送来的医生诊断及分析信息；3G通讯模块提供患者状态提醒服务，摄像头及音频模块供患者同其家属或专治医生进行联系，红外接收模块及HDMI接口实现装置同数字电视机的连接，方便用户的交互；所述智慧衣能够采集心电数据以及加速度信息。

进一步，核心处理器采用ARM Cortex A9四核微处理器Exynos4412；处理器外接了16GB的EMMC存储以及S5M8767电源管理芯片，其中，S5M8767芯片以I2C方式同Exynos4412连接，负责根据各个模块的运行状态，将电源模块的5V电源转换为所需的配置电压；核心处理器外围还拓展了电平转换器，实现芯片为74ALVC164245。

进一步，设计了拨码开关，用于设置装置启动的方式，装置启动方式分为两种，即从EMMC存储启动和从SD卡启动，通过设置Exynos4412芯片的OM[5:1]引脚实现：当拨码开关置位为011，即XOM2断开，XOM3和XOM5导通时，系统从EMMC启动，当置位为100，即XOM2导通而XOM3和XOM5断开时，系统从SD卡启动。

进一步，蓝牙4.0模块选用内置8051控制器的CC2540，引脚VCC、GND、TXD和RXD同核心处理器的USB接口直接连接，通过串口实现蓝牙接收数据；无线网络连接模块使用RTL8188ETV作为WIFI智能芯片；以太网接口使用DM9000ME作为MAC控制芯片。

进一步，采用两种方式实现用户的交互，即HDMI数字电视及触摸显示屏，其特征在于：在HDMI接口电路中，PCA9306芯片用于模块的双向电平转换，RCLAMP0502为防静电二极管；核心处理器外接了红外接口，响应电视遥控器操作；触摸屏采用LVDS接口同核心处理器的PORTC的18—46引脚连接，同样采用PCA9306作为双向电平转换芯片，同电平转换芯片74ALVC164245的BUF_TP_IOCTL和BUF_XPWMTOUT1引脚连接；用户通过触摸屏或电视遥控器对装置进行控制，包括心电信号的采集、显示、历史心电记录及诊断信息查询、联系医生、查询慢病及用药知识等，实现人机交互。

进一步，核心处理器外接了摄像头及音频模块，摄像头同核心处理器的连接使用I2C方式，数据接口使用处理器PORTB的23—46引脚；音频同核心处理器的连接使用SPI方式，数据接口使用处理器PORTB的68—76引脚；

所述的网关装置的使用方法，其特征在于包括以下步骤：

1)患者使用医生所指定的用户名和密码进行网关登录；

2)网关装置首先判断网络连接状态，若处于连接状态，则将用户名及密码发送给远端服务器，若服务器判定用户名及密码正确，则返回登录成功信息，服务器端建立相应的心电数据存储文件夹，网关登入主界面；若网络未连接或判定失败，则提示离线使用或重新输入用户名及密码；离线使用时，服务器端会建立临时心电存储文件夹；

3)选择监护中心模块，此模块界面包含一个蓝牙开启MENU选项，以及设备连接按钮；

4)点击MENU选项开启蓝牙，点击智慧衣设备按钮，此时网关发送连接指令给智慧衣，判定成功后建立同智慧衣的蓝牙连接，进入实时心电绘图界面；

5)心电绘图界面包含四个MENU选项，一个心电绘图窗和一个心电分析结果窗：四个MENU选项分别为开始绘图、暂停绘图、开始传输、停止传输，单击后会在当前Activity得到相应的响应事件，心电绘图窗用于显示当前心电波形，心电分析结果窗用于显示当前心电信息，包括心率、RR间期、心率是否正常；

6)单击返回键，则心电停止绘图，返回主界面；

7)选择健康档案模块，此模块界面包含两个Activity，分别用于显示本地心电记录以及服务器端心电记录；每个Activity均包括三个组件：一个记录列表、一个历史心电波形窗、一个心电分析结果窗；选择联系医生模块，此模块界面包含一个医生列表、一个联系方式选择窗以及一个接收信息的面板；在列表中选择医生后，在联系方式选择窗中选择语音或视频的方式与医生联系，接收信息面板接收医生发来的信息。

选择系统设置模块，此模块界面包括网络设置、用户信息设置、软件帮助三个子模块，其中，网络设置模块用以选择网络连接的方式。

采用多线程的机制，共有主线程、蓝牙服务线程、HTML传输线程、R波检测及心率计算线程四条；其中，主线程负责响应用户操作及界面显示，蓝牙服务线程负责不间断的接收心电数据，HTML传输线程负责定时传输数据、R波检测及心率计算线程负责心电的实时自动分析。

本装置软件基于嵌入式Android操作系统，在应用层开发软件实现所需功能。软件分为六个功能模块，即监护中心、健康档案、联系医生、慢病科普、用药指南和系统设置。监护中心模块可控制装置接收智慧衣心电信号以及向远程(云端)服务器传输数据；健康档案模块提供本地心电波形显示及诊断信息；联系医生模块提供患者同医生的音、视频交互；慢病科普及用药指南模块为患者提供健康知识普及服务；系统设置模块可进行装置网络状态、患者信息的设置与查看。

本装置使用交流电源供电，通过电源适配器将输入电压转换为5V系统电源，通过电源电路将5V电压转换为所需要的电压，免去了锂电池充电的麻烦。

应用上述网关装置进行健康监护，其使用方法如下：

1)打开电源开关，启动监护应用；

2)选择系统设置模块，查看网络连接状态，确保装置已接入Internet网；

3)选择监护中心模块，进行心电监护。装置通过蓝牙接收请求，启动心电数据接收，此时显示部分开始显示实时心电波形及自动诊断信息；

4)选择健康档案模块，查看本地心电图或远程服务器心电图，同时可以查看本地心电图的自动诊断信息或服务器端医生进行的诊断与分析；

5)选择联系医生模块，患者可选择语音或视频方式与医生进行通话，其中，语音方式通过3G模块建立通话，视频方式通过SIP协议建立通话。

6)选择慢病科普或用药指南模块，了解慢病知识或查询常规药物使用指南。

以上步骤(除第1步外)，均可通过红外遥控器实现操作。

家庭健康监护网关位于家庭端，放置在数字电视机旁，负责采集、分析患者的心电信号，并将其传输至远程服务器。医生可随时通过浏览器访问服务器网页，读取服务器端的心电数据，进行后分析及诊断。该装置实现了患者通过电视遥控器进行操作以实现家庭健康监护的目的，具有智能化、实时性、可拓展性强以及操作简单等特点。

附图说明

图1：健康监护网关装置应用场景

图2：健康监护网关装置硬件结构框图

图3：蓝牙模块同网关的连接

图4：健康监护网关装置软件架构图

图5：网关登录过程

图6：网关心电监护流程

具体实施方式

本发明实施例的系统结构包括核心处理器、电源模块、蓝牙4.0模块、无线网络连接模块、以太网接口、3G通讯模块、摄像头及音频模块、红外接收模块、存储器、触摸显示模块、HDMI接口模块。

本发明实施例中，核心处理器部分由低功耗的ARM Cortex A9处理器Exynos4412外接16GB的EMMC存储以及S5M8767电源管理芯片构成。其中，S5M8767芯片以I2C方式同Exynos4412连接，负责根据各个模块的运行状态，将电源模块的5V电源转换为所需的配置电压，以达到低功耗效果。核心处理器外围还拓展了电平转换器，实现芯片为74ALVC164245。其作用在于，为需要1.8V和3.3V逻辑电平的以太网等模块提供电源支持。

本发明实施例中，设计了拨码开关，用于设置装置启动的方式。装置启动方式分为两种：从EMMC存储启动和从SD卡启动，通过设置4412芯片的OM[5:1]引脚实现。当拨码开关置位为011，即XOM2断开，XOM3和XOM5导通时，系统从EMMC启动，当置位为100，即XOM2导通而XOM3和XOM5断开时，系统从SD卡启动。

本发明实施例中，蓝牙4.0模块采用USB接口同核心处理器连接。装置在核心处理器外围拓展了3个USB接口，使用FE1.1S管理芯片实现，USB-HUB芯片FE1.1S同核心处理器PORTA进行连接。蓝牙4.0的芯片选用CC2540，该芯片内置8051微控制器，模块引出引脚为VCC、GND、TXD和RXD，引脚核心处理器USB接口直接连接，通过串口透传实现蓝牙接收数据，其连接图如图3所示。除外接蓝牙模块外，装置的USB接口还用于3G通讯模块的连接。

本发明的实施例中，无线网络连接模块使用RTL8188ETV作为WIFI智能芯片。以太网接口使用DM9000ME作为MAC控制芯片，根据其对电平的需求，设计其与电平转换器进行连接，模块接口以及同电平转换器的连接图如图7所示。无线网络连接模块和以太网接口模块为用户提供接入Internet网的方式，用于传输所采集的心电数据或与服务器的其他交互。

本发明的实施例中，核心处理器拓展了HDMI数字电视接口，用于连接数字电视，方便用户操作。HDMI模块同核心处理器的硬件电路中，PCA9306芯片用于模块的双向电平转换，RCLAMP0502为防静电二极管，在HDMI的高速数据传输线路中起保护作用。核心处理器外接了红外接口，响应电视遥控器操作。核心处理器还外接了触摸显示屏，用于显示界面，触摸屏采用LVDS接口同核心处理器的PORTC的18—46引脚连接，同样采用PCA9306作为双向电平转换芯片，同缓冲器的BUF_TP_IOCTL和BUF_XPWMTOUT1引脚连接。用户可通过触摸屏或电视遥控器对装置进行控制，包括心电信号的采集、显示、信息查询、联系医生、查询慢病及用药知识等，实现人机交互。

本发明的实施例中，核心处理器外接了摄像头和音频模块，用于患者与医生进行联系。同时也用于采集本地画面，发送给患者家属。摄像头同核心处理器的连接使用I2C方式，数据接口使用处理器PORTB的23—46引脚；音频同核心处理器的连接使用SPI方式，数据接口使用处理器PORTB的68—76引脚。

本发明的实施例中，电源采用交流供电，通过电源适配器将输入电压转换5V系统电源，通过电源电路将5V电压转换为所需要的电压，免去了锂电池充电的麻烦。存储模块采用SD卡，用于心电数据的本地存储。

本发明的实施例中，采用了嵌入式Android操作系统，这是一款开源、可裁剪、可定制的嵌入式操作系统。通过移植Bootloader引导程序、Linux内核以及Android文件系统，完成系统软件的定制及移植。应用层软件使用Java语言开发，实现业务和逻辑功能。软件包括监护中心、健康档案、联系医生、慢病科普、用药指南及系统设置六个模块。监护中心模块负责心电的监控及传输，健康档案模块提供本地和服务器心电记录及其诊断结果查询，联系医生模块负责患者同医生的语音及视频通话功能，慢病科普和用药指南模块为患者提供慢病知识和常规用药查询，系统设置负责网络状态查询与更换、用户信息管理等。应用层软件的使用方法及后台处理过程为：

1)患者使用医生所指定的用户名和密码进行网关登录；

2)网关装置首先判断网络连接状态，若处于连接状态，则将用户名及密码以JSON语句的形式打包发送给远端服务器，若服务器判定用户名及密码正确，则返回登录成功信息，服务器端建立相应的心电数据存储文件夹，网关登入主界面。若网络未连接或判定失败，则提示离线使用或重新输入用户名及密码。离线使用时，服务器端会建立临时心电存储文件夹。

3)选择监护中心模块，此模块界面包含一个蓝牙开启MENU选项，以及设备连接按钮。

4)点击MENU选项开启蓝牙，点击智慧衣设备按钮，此时网关发送连接指令给智慧衣，判定成功后建立同智慧衣的蓝牙连接，进入实时心电绘图界面。

5)心电绘图界面包含四个MENU选项，一个心电绘图窗和一个心电分析结果窗。四个MENU选项分别为开始绘图、暂停绘图、开始传输、停止传输，单击后会在当前Activity得到相应的响应事件。心电绘图窗用于显示当前心电波形，心电分析结果窗用于显示当前心电信息，包括心率、RR间期、心率是否正常。

6)单击返回键，则心电停止绘图，返回主界面。

7)选择健康档案模块。此模块包含两个Activity，分别用于显示本地心电记录以及服务器端心电记录。每个Activity均包括三个组件：一个记录列表、一个历史心电波形窗、一个心电分析结果窗。单击列表中的记录，可得到历史心电波形及其分析结果。

8)选择联系医生模块。此模块包含一个医生列表、一个联系方式选择窗以及一个接收信息的面板。在列表中选择医生后，可在联系方式选择窗中选择语音或视频的方式与医生联系。接收信息面板可接收医生发来的信息。

9)选择慢病科普或用药指南模块，用户可查询慢病知识或对常规用药进行查询。

10)选择系统设置模块。此模块包括网络设置、用户信息设置、软件帮助三个子模块，其中，网络设置模块用以选择网络连接的方式；用户信息设置可进行当前登录用户的信息管理、密码修改等；软件帮助提供软件的操作方法。

本发明的实施例中，软件实现采用多线程的机制，共有主线程、蓝牙服务线程、HTML传输线程、R波检测及心率计算线程四条。其中，主线程负责响应用户操作及界面显示，蓝牙服务线程负责不间断的接收心电数据，HTML传输线程负责定时传输数据、R波检测及心率计算线程负责心电的实时自动分析。

光纤入户的普及使得城乡、社区网络接入能力及水平有了很大提高，为家庭健康监护及网关装置的部署与实施提供了便利条件。本发明所述健康监护网关操作简单，便于推广，方便老年人群的操作，可以为患者提供长时间的监护服务，能够很大程度上减轻三级医院的接诊压力。

Claims (8)

1.一种健康监护网关装置，其特征在于：

硬件包括核心处理器、电源模块、蓝牙4.0模块、无线网络连接模块、以太网接口、3G通讯模块、摄像头及音频模块、存储器、显示模块、红外接收模块、HDMI接口模块；蓝牙4.0模块用以接收来自智慧衣发来的心电数据，心电数据存储在存储器中，并在显示模块上显示波形及相关信息，无线网络连接模块和以太网接口提供接入Internet网的功能，在接收到来自智慧衣的信号后，网关装置通过Internet网定时将数据发送至远程服务器，亦可接收服务器推送来的医生诊断及分析信息；3G通讯模块提供患者状态提醒服务，摄像头及音频模块供患者同其家属或专治医生进行联系，红外接收模块及HDMI接口实现装置同数字电视机的连接，方便用户的交互；所述智慧衣能够采集心电数据以及加速度信息。

2.根据权利要求1所述的网关装置，其特征在于：

核心处理器采用ARM Cortex A9四核微处理器Exynos4412；处理器外接了16GB的EMMC存储以及S5M8767电源管理芯片，其中，S5M8767芯片以I2C方式同Exynos4412连接，负责根据各个模块的运行状态，将电源模块的5V电源转换为所需的配置电压；核心处理器外围还拓展了电平转换器，实现芯片为74ALVC164245。

3.根据权利要求2所述的网关装置，其特征在于：

设计了拨码开关，用于设置装置启动的方式，装置启动方式分为两种，即从EMMC存储启动和从SD卡启动，通过设置Exynos4412芯片的OM[5:1]引脚实现：当拨码开关置位为011，即XOM2断开，XOM3和XOM5导通时，系统从EMMC启动，当置位为100，即XOM2导通而XOM3和XOM5断开时，系统从SD卡启动。

4.根据权利要求1所述的网关装置，其特征在于：

蓝牙4.0模块选用内置8051控制器的CC2540，引脚VCC、GND、TXD和RXD同核心处理器的USB接口直接连接，通过串口实现蓝牙接收数据；

无线网络连接模块使用RTL8188ETV作为WIFI智能芯片；以太网接口使用DM9000ME作为MAC控制芯片。

5.根据权利要求1所述的网关装置，采用两种方式实现用户的交互，即HDMI数字电视及触摸显示屏，其特征在于：

在HDMI接口电路中，PCA9306芯片用于模块的双向电平转换，RCLAMP0502 为防静电二极管；核心处理器外接了红外接口，响应电视遥控器操作；

触摸屏采用LVDS接口同核心处理器的PORTC的18—46引脚连接，同样采用PCA9306作为双向电平转换芯片，同电平转换芯片74ALVC164245的BUF_TP_IOCTL和BUF_XPWMTOUT1引脚连接；

用户通过触摸屏或电视遥控器对装置进行控制，包括心电信号的采集、显示、历史心电记录及诊断信息查询、联系医生、查询慢病及用药知识等，实现人机交互。

6.根据权利要求1所述的网关装置，其特征在于，

核心处理器外接了摄像头及音频模块，摄像头同核心处理器的连接使用I2C方式，数据接口使用处理器PORTB的23—46引脚；音频同核心处理器的连接使用SPI方式，数据接口使用处理器PORTB的68—76引脚。

7.使用权利要求1至5中任意一项所述的网关装置的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)患者使用医生所指定的用户名和密码进行网关登录；

2)网关装置首先判断网络连接状态，若处于连接状态，则将用户名及密码发送给远端服务器，若服务器判定用户名及密码正确，则返回登录成功信息，服务器端建立相应的心电数据存储文件夹，网关登入主界面；若网络未连接或判定失败，则提示离线使用或重新输入用户名及密码；离线使用时，服务器端会建立临时心电存储文件夹；

3)选择监护中心模块，此模块界面包含一个蓝牙开启MENU选项，以及设备连接按钮；

4)点击MENU选项开启蓝牙，点击智慧衣设备按钮，此时网关发送连接指令给智慧衣，判定成功后建立同智慧衣的蓝牙连接，进入实时心电绘图界面；

5)心电绘图界面包含四个MENU选项，一个心电绘图窗和一个心电分析结果窗：四个MENU选项分别为开始绘图、暂停绘图、开始传输、停止传输，单击后会在当前Activity得到相应的响应事件，心电绘图窗用于显示当前心电波形，心电分析结果窗用于显示当前心电信息，包括心率、RR间期、心率是否正常；

6)单击返回键，则心电停止绘图，返回主界面；

7)选择健康档案模块，此模块界面包含两个Activity，分别用于显示本地心电记录以及服务器端心电记录；每个Activity均包括三个组件：一个记录列表、一个历史心电波形窗、一个心电分析结果窗；选择联系医生模块，此模块界面包含一个 医生列表、一个联系方式选择窗以及一个接收信息的面板；在列表中选择医生后，在联系方式选择窗中选择语音或视频的方式与医生联系，接收信息面板接收医生发来的信息。

选择系统设置模块，此模块界面包括网络设置、用户信息设置、软件帮助三个子模块，其中，网络设置模块用以选择网络连接的方式。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：软件采用多线程的机制，共有主线程、蓝牙服务线程、HTML传输线程、R波检测及心率计算线程四条；其中，主线程负责响应用户操作及界面显示，蓝牙服务线程负责不间断的接收心电数据，HTML传输线程负责定时传输数据、R波检测及心率计算线程负责心电的实时自动分析。