CN109450904B - 健康监测物联网网关装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种健康监测物联网网关装置,其解决了现有物联网网关缺乏对健康监测专门支持的技术问题;设有健康监测物联网网关,健康监测物联网网关是感知设备层和应用层的中间层;感知设备层,用于识别健康主体、采集健康信息,实现健康信息由物理信号集W到数字信号集D的转换;健康监测物联网网关,用于实现数字信号集D到健康属性集P的转换,将健康属性集P与健康监测物联网网关的其他数据集O的合并生成健康监测物理信息集T;然后将健康监测物理信息集T转换为逻辑信息集L。本发明广泛应用于信息技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种物联网网关装置,特别是涉及一种健康监测物联网网关装置。
背景技术
随着我国生活水平的不断提高,人口老龄化程度的不断加深,人们越来越关注自身的健康问题,而物联网、大数据、云计算等技术的不断进步,也为新时代的健康监测提供了保证,物联网可以采集人体的原始生理数据,保证健康监测的实时性,大数据则可以帮助我们分析原始数据,进行高级数据融合,形成可信赖的健康信息,而用户则可以通过健康云得到可靠的、按需定制的、能全方位提供各种医疗资源的服务。
物联网网关是传感网络层和传输网络层的中间设备,在当前主流的健康信息监测系统数据采集构架中,都需要物联网网关发挥重要的承上启下作用,而现有物联网网关作为通用设备,缺乏对健康监测的专门支持。
发明内容
本发明针对现有物联网网关缺乏对健康监测专门支持的技术问题,提供一种对健康监测专门支持的健康监测物联网网关装置。
为此,本发明的技术方案是,设有健康监测物联网网关,健康监测物联网网关是感知设备层和应用层的中间层;
感知设备层,用于识别健康主体、采集健康信息,实现健康信息由物理信号集W到数字信号集D的转换;
健康监测物联网网关,用于实现数字信号集D到健康属性集P的转换,将健康属性集P与健康监测物联网网关的其他数据集O的合并生成健康监测物理信息集T;然后将健康监测物理信息集T转换为逻辑信息集L;将健康监测物理信息集T转换为逻辑信息集L,具体是,将健康监测物理信息集T经格式转换为新的信息集T’,后与新增的描述信息集M合并为逻辑信息集L;描述信息集M是用于将健康信息与个人关联起来的信息;健康监测物联网网关的软件系统,包括可信支撑模块;可信支撑模块,是基于可信芯片建立系统的安全模型,为健康监测物联网网关的软件系统提供安全保证;健康监测物联网网关的软件系统,还包括:数据采集模块、协议解析模块、数据存储与查询模块、因特网通信模块、QT前台和参数配置模块;
协议解析模块与数据采集模块连接,数据存储与查询模块与协议解析模块连接,QT前台与数据存储与查询模块连接,参数配置模块与QT前台连接,因特网通信模块分别与数据存储与查询模块、参数配置模块连接,可信支撑模块与因特网通信模块连接;数据采集模块,用于采集各类健康数据,并能在采集过程中进行数据滤波;
协议解析模块,用于对采集的各类数据进行解析,转换为标准格式,实现多通信协议的集成与转换;
数据存储与查询模块,用于将采集的数据缓存在历史数据文件中,从历史数据文件中提取历史数据;
因特网通信模块,用于接收应用层发来控制指令和查询指令;
QT前台,用于人机交互,为用户提供数据显示、数据采集、数据上报和参数配置;
参数配置模块,用于现场或远程设置运行参数,各类参数均保存在参数配置文件中,当对其参数进行配置时需要将操作记录保存在操作日志文件中;协议解析模块基于linux可加载模块,由一个虚拟通信对象提供标准的协议打包及解析接口,将虚拟通信对象与给出的对应实际通信模块映射,完成对应新协议的加载;
安全模型从下至上包括:
(1)硬件层:采用“核心板+外围板”的模式,设有ETPM可信硬件、嵌入式CPU、嵌入式内存和Flash;
(2)操作系统层:包括嵌入式可信操作系统内核、嵌入式可信Bootloader和ETPM驱动;ETPM驱动的主要功能是使用IIC协议的可信帧解析;
(3)驱动层:设有与TPM硬件相配套的支撑软件TSS、提供安全监控的操作系统接口层与系统进程;支撑软件TSS由多层多个软件协议组成,包括TCG设备驱动库、TSS核心服务层和TCG服务提供者,对外提供给用户管控TPM,对内操控TPM;硬件层的外围板,扩展有用于安全性支持的可信芯片AT97SC3204T;硬件层的外围板,还扩展有:
(1)LCD显示:7”多点触控电容屏;
(2)8路可配置开关量及4路AD;
(3)USB支持:可接摄像头;
(4)LoRa模块。
本发明的有益效果,针对健康监测传感设备的多样性,设计了一个虚拟通信对象,由其提供标准的协议打包及解析接口;对于不同的应用层通信协议,给出一个虚拟通信对象与实际通信模块的映射,在统一的通信模式构架下,实现了多协议的集成和转换;
设计了健康监测物联网网关的通用硬件体系结构,集成最新的嵌入式系统及物联网技术等技术,能有效地支持多种健康信息采集设备,采用核心板加外围板的双板模式,核心板构成嵌入式计算机最小系统,外围板可搭配各种模块,升级灵活,选择性强,适合健康监测领域特点;
将健康监测物联网网关作为智能设备,而不是传统的仪器仪表设计,拥有更为友好的可视化操作界面、可自动升级、根据需求进行功能定制,能够实时地根据用户健康情况给出对应方案;
本发明专用于健康监测领域,能方便地连接主流健康监测传感器,以标准的形式将人体的健康数据可靠传递到互联网,便于充分利用大数据和云计算的技术成果,为用户提供优良可靠的健康服务。
附图说明
图1是本发明的物联网网关软件系统构架;
图2是本发明的物联网网关硬件体系结构;
图3是本发明的物联网网关通信机制;
图4是本发明的物联网网关安全模型;
图5是服务器和网关通信测试的截图;
图6是网关与下位设备的通信测试的截图;
图7是服务器程序测试的截图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。
健康监测物联网网关是感知设备层和应用层的中间层。
感知设备层,用于识别健康主体、采集健康信息,实现健康信息由物理信号集W到数字信号集D的转换;
健康监测物联网网关,用于实现数字信号集D到健康属性集P的转换,将健康属性集P与健康监测物联网网关的其他数据集O的合并生成健康监测物理信息集T;然后将健康监测物理信息集T转换为逻辑信息集L。具体是,将健康监测物理信息集T经格式转换为新的信息集T’,后与新增的描述信息集M合并为逻辑信息集L。
描述信息集M是用于将健康信息与个人关联起来的信息,比如健康主体的姓名年龄性别等。
如果感知设备层产生的集合D中的信号需要经过通信网络的中转和传输才能到达智能设备层,感知设备层和健康监测物联网网关装置还设有传感网络层。
如图1所示,健康监测物联网网关软件系统结构包括:数据采集模块、协议解析模块、数据存储与查询模块、因特网通信模块、QT前台和参数配置模块和可信支撑模块,协议解析模块与数据采集模块连接,数据存储与查询模块与协议解析模块连接,QT前台与数据存储与查询模块连接,参数配置模块与QT前台连接,因特网通信模块与数据存储与查询模块、参数配置模块连接,可信支撑模块与因特网通信模块连接。
数据采集模块,用于采集各类健康数据,并能在采集过程中进行数据滤波;
协议解析模块,多通信协议集成,用于对采集的各类数据进行解析,转换为标准格式,有些特殊数据还需要进行二次处理,如通过心电波形得到心率数据,实现多通信协议集成与转换;
数据存储与查询模块,用于将采集的数据缓存在历史数据文件中,从历史数据文件中提取历史数据;
因特网通信模块,用于接收应用层发来控制指令和查询指令;
QT前台,用于人机交互,为用户提供数据显示、数据采集、数据上报和参数配置等功能;
参数配置模块,用于现场或远程设置运行参数,各类参数均保存在参数配置文件中,当对其参数进行配置时需要将操作记录保存在操作日志文件中;
可信支撑模块是基于可信芯片建立系统的安全模型。
健康监测多通信协议集成与转换:
物联网网关既要向下采集原始数据,又要向上传递物品信息,会涉及多种不同的感知设备,各有不同通信协议及数据标准,而向上传递的物品信息又需要统一的格式,这就涉及到多协议集成与转换的问题。
如图3所示,协议解析模块基于linux可加载模块,实现了一个虚拟通信对象以完成应用层的通信协议,由虚拟通信对象提供标准的协议打包及解析接口,将虚拟通信对象与给出的对应实际通信模块映射,完成对应新协议的加载。一个新类型的下层连入网关,只需要加载对应的模块,即可以完成协议转换。
同时,为适应多层次的协议嵌套,实际通信对象的输入除了可以直接与对应的通信底层相关联外,还可以为另一个实际通信对象。
通信机制过程可描述为:
(1)若应用Application有通信任务,则调用虚拟通信对象virtualcommunication object;
(2)virtual communication object选择一个定义好的通信序列,依次调用对应的实际通信对象actual communication object;
(3)最后一个actual communication object调用配置好的通信底层。
研究健康监测物联网网关安全模型,网关设备的安全性一直是焦点问题,本发明以网关内置的TPM可信芯片为基础,采用硬件提供安全保证,构建安全模型,基于TPM可信芯片底层支持,构造与其相适应的信任链,并针对健康监测物联网网关移植TCG协议栈,构建个性化的可信应用,给健康监测物联网网关软件系统提供安全保证。
如图4所示,健康监测物联网网关软件系统的安全保证由其下层的健康监测物联网网关安全模型提供,健康监测物联网网关安全模型从下至上包括:
(1)硬件层:采用“核心板+外围板”的模式,设有ETPM可信硬件、嵌入式CPU、嵌入式内存和Flash;
(2)操作系统层:包括嵌入式可信操作系统内核、嵌入式可信Bootloader和ETPM驱动;ETPM驱动的主要功能是使用IIC协议的可信帧解析;
(3)驱动层:设有与TPM硬件相配套的支撑软件TSS(TCG Software Stack)、提供安全监控的操作系统接口层与系统进程;支撑软件TSS由多层多个软件协议组成,包括TCG设备驱动库、TSS核心服务层和TCG服务提供者,对外提供给用户管控TPM,对内操控TPM。
如图2所示,本发明的健康监测物联网网关硬件是一个标准的嵌入式系统,依据其特性,硬件包含3个主要部分:
(1)接入互联网的上位通信部分
支持TCP/IP网络;有线接入由网络芯片支持,采用100M的DM9000,并含有wifi模块;
(2)支持有线和无线传感器网络的下位通信部分
支持有线RS485,TTL转485芯片采用MAX3485;还支持有线RS232,TTL转232芯片采用MAX3232,无线部分支持蓝牙及Lora;
(3)采用嵌入式计算机最小系统的嵌入式系统核心
包含CPU、内存、Flash等,CPU采用ARM Cortex-A9的iMX8。
硬件部分采用“核心板+外围板”的模式,其中(3)位于核心板,其余(1)和(2)都位于外围板上,外围上还扩展了一些其它硬件,包括:
(1)LCD显示:7”多点触控电容屏;
(2)8路可配置开关量及4路AD;
(3)USB支持:可接摄像头;
(4)安全性支持:可信芯片AT97SC3204T。
健康监测物联网网关的嵌入式主机板体系结构,基于最新的嵌入式系统硬件设计,有效地支持多种健康信息采集设备,采用灵活性好、便于升级的核心板加外围板模式,核心板构成了嵌入式计算机的最小系统,便于升级换代,适应嵌入式系统发展速度快的特点,外围板除了基本功能外,可选择搭配各种模块,以适应多种应用场合。
主机板针对多种健康传感信息的输入提供了支持,包括模拟传感信号的直接输入、串行传感模块的输入、蓝牙传感模块的输入、基于Lora无线传感器网络输入,还有USB口及TCP/IP网络的支持,主机板还带有显示和键盘支持,以及提供安全性支持的可信芯片。
本发明软件部分开发环境为Linux+QT,物联网网关的基本功能包括:
(1)参数配置
主要参数有:下位设备通信参数,如波特率等;上位设备通信参数,如IP、端口等;数据相关参数,如血压上下限等;软件相关参数,如缓冲区大小等。
配置方式主要包括下面几种:通过网络由上位机进行配置;通过本地串口进行配置;通过本地LCD进行配置;由于安全性问题,通过网络由上位机进行配置方式只提供部分参数的配置。
(2)采集数据
采集数据的过程是通过使用下位通信设备来完成的;如串行口,数据发送时是以帧为单位的,数据接收时要完成帧的合成。
(3)下位协议解析
一个完整数据帧被收到后,要进行解包,得到真正的物品数据;同时,如果需要向传感设备发送命令,如召测,还需要把要传送的命令打包成帧,这个打包和解包,也可以叫编码和解码,就是协议解析程序的功能。由于网关可能接多种不同的传感设备,因此可能需要提供多种不同的协议解析,同时为了便于增加新设备的支持,这个部分是可更新的。
(4)数据处理
由数据存储与查询模块实现,数据处理基本功能包括:工程量的转换、数值范围检查、进制转换、取绝对值、符号取反、计数、各种平均值与和的计算。
网关内部能存储一个星期的数据,还可选择集成一些更复杂的数据处理功能。
(5)可视界面
健康监测物联网网关具有可视界面,可显示实时健康数据曲线,由于网关中暂存了一部分的数据,历史数据曲线的显示及相关日志数据也同样可以可视化方式显示。
如果外接USB摄像头,LCD上也可显示采集到的视频。
(6)上位协议解析
上位协议采用modbus协议,或者AMQP协议。
(7)上传数据
数据上传是在Internet网上完成的,使用包而不是帧作为数据传输的基本单位,健康监测物联网网关内置网络芯片或wifi模块,网关可以作为网络client,去连接云端的server,也可以作为server,等待服务器中的程序采集数据。
本发明的运行测试:
健康监测物联网网关需要同服务器及下位设备联合运行,这里将运行测试分为三个层次。
(1)服务器与网关的通信
服务器程序能够接收来自网关的连接请求,并且服务器程序也能正常连接到网关程序,二者可以实现正常的消息通讯,测试截图如图5所示。
(2)网关与下位设备的通信
如图6所示,这部分的测试分为下位设备直接通过串口和使用LoRa连接到网关两部分。蓝牙可以视作串口,与串口的测试方法完全相同。
(3)服务器程序
如图7所示,服务器程序除了包括用户注册、用户登录、用户查看个人信息和用户修改个人信息等功能,还包括接收网关的连接请求、接收信息并进行处理和存储、查询数据记录和导出数据记录的功能。
本发明针对健康监测传感设备的多样性,设计了一个虚拟通信对象,由其提供标准的协议打包及解析接口;对于不同的应用层通信协议,给出一个虚拟通信对象与实际通信模块的映射,在统一的通信模式构架下,实现了多协议的集成和转换;
设计了健康监测物联网网关的通用硬件体系结构,集成最新的嵌入式系统及物联网技术等技术,能有效地支持多种健康信息采集设备,采用核心板加外围板的双板模式,核心板构成嵌入式计算机最小系统,外围板可搭配各种模块,升级灵活,选择性强,适合健康监测领域特点;
将健康监测物联网网关作为智能设备,而不是传统的仪器仪表设计,拥有更为友好的可视化操作界面、可自动升级、根据需求进行功能定制,能够实时地根据用户健康情况给出对应方案;
本发明专用于健康监测领域,能方便地连接主流健康监测传感器,以标准的形式将人体的健康数据可靠传递到互联网,便于充分利用大数据和云计算的技术成果,为用户提供优良可靠的健康服务。
惟以上者,仅为本发明的具体实施例而已,当不能以此限定本发明实施的范围,故其等同组件的置换,或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改,皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。
Claims (1)
1.一种健康监测物联网网关装置,其特征是,设有健康监测物联网网关,所述健康监测物联网网关是感知设备层和应用层的中间层;
所述感知设备层,用于识别健康主体、采集健康信息,实现健康信息由物理信号集W到数字信号集D的转换;
所述健康监测物联网网关,用于实现数字信号集D到健康属性集P的转换,将健康属性集P与健康监测物联网网关的其他数据集O的合并生成健康监测物理信息集T;然后将健康监测物理信息集T转换为逻辑信息集L;所述将健康监测物理信息集T转换为逻辑信息集L,具体是,将健康监测物理信息集T经格式转换为新的信息集T’,后与新增的描述信息集M合并为逻辑信息集L;所述描述信息集M是用于将健康信息与个人关联起来的信息;所述健康监测物联网网关的软件系统,包括可信支撑模块;所述可信支撑模块,是基于可信芯片建立系统的安全模型,为所述健康监测物联网网关的软件系统提供安全保证;所述健康监测物联网网关的软件系统,还包括:数据采集模块、协议解析模块、数据存储与查询模块、因特网通信模块、QT前台和参数配置模块;
所述协议解析模块与所述数据采集模块连接,所述数据存储与查询模块与所述协议解析模块连接,所述QT前台与所述数据存储与查询模块连接,所述参数配置模块与所述QT前台连接,所述因特网通信模块分别与所述数据存储与查询模块、参数配置模块连接,所述可信支撑模块与所述因特网通信模块连接;所述数据采集模块,用于采集各类健康数据,并能在采集过程中进行数据滤波;
所述协议解析模块,用于对采集的各类数据进行解析,转换为标准格式,实现多通信协议的集成与转换;
所述数据存储与查询模块,用于将采集的数据缓存在历史数据文件中,从历史数据文件中提取历史数据;
所述因特网通信模块,用于接收应用层发来控制指令和查询指令;
所述QT前台,用于人机交互,为用户提供数据显示、数据采集、数据上报和参数配置;
所述参数配置模块,用于现场或远程设置运行参数,各类参数均保存在参数配置文件中,当对其参数进行配置时需要将操作记录保存在操作日志文件中;所述协议解析模块基于linux可加载模块,由一个虚拟通信对象提供标准的协议打包及解析接口,将虚拟通信对象与给出的对应实际通信模块映射,完成对应新协议的加载;所述安全模型从下至上包括:
(1)硬件层:采用“核心板+外围板”的模式,设有ETPM可信硬件、嵌入式CPU、嵌入式内存和Flash,Lora;
(2)操作系统层:包括嵌入式可信操作系统内核、嵌入式可信Bootloader和ETPM驱动;ETPM驱动的主要功能是使用IIC协议的可信帧解析;
(3)驱动层:设有与TPM硬件相配套的支撑软件TSS、提供安全监控的操作系统接口层与系统进程;支撑软件TSS由多层多个软件协议组成,包括TCG设备驱动库、TSS核心服务层和TCG服务提供者,对外提供给用户管控TPM,对内操控TPM;
所述硬件层的外围板,扩展有用于安全性支持的可信芯片AT97SC3204T;
所述硬件层的外围板,还扩展有:
(1)LCD显示:7”多点触控电容屏;
(2)8路可配置开关量及4路AD;
(3)USB支持:可接摄像头;
(4)LoRa模块。
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"A General Architecture of IoT System";Weigong Lv等;《2017 IEEE International Conference on Computational Science and Engineering (CSE) and IEEE International Conference on Embedded and Ubiquitous Computing (EUC)》;20170818;第659-664页 * |
"Research on Unified Architecture of IoT System";Weigong Lv等;《2017 IEEE International Conference on Computational Science and Engineering (CSE) and IEEE International Conference on Embedded and Ubiquitous Computing (EUC)》;20170701;第345-352页 * |
"基于6LoWPAN的物联网应用平台研究与实现";何朝阳;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20120515(第05期);第I138-1257页 * |
"基于TPM的可信嵌入式平台的设计与实现";李然;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20140415(第04期);第I138-57页 * |
"基于物联网的TPM应用研究";温旭霞;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20170815(第08期);第I138-29页 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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CN109450904A (zh) | 2019-03-08 |
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