基于Linux系統的5G通信技術在醫療服務的應用設計

楊靜 王文文 吳連威 王輕 葛繼成 肖小兵

摘 要：本文從智慧醫療服務談起，將5G技術應用于相應的科室，例如：麻醉科、婦產科、兒科等需要輸液的科室，致力于幫助緩解護士壓力，提高醫院治療效率；或將5G通信技術應用于遠程醫療中。介紹如何將5G通信技術應用到設計中，從而提升醫生診斷效率、改善患者就醫體驗、實現優質醫療資源遠程共享和實時信息交互，有效緩解醫療資源匱乏、醫護人員短缺、醫療水平分布不均等問題[1]。

關鍵詞：5G通信技術應用；智慧醫療；Linux

0 引言

目前全國已有超過600家醫院部署了5G室內數字化網絡[2]。由此可以看出，5G醫療在提升診療效率、提升醫療服務水平的同時也給醫院管理層帶來啟示，對于智慧醫療系統、智慧管理系統和智慧服務系統的建設起到了積極的促進作用。

1 總體方案設計

總體方案如圖1所示，主要由5G基帶模塊與SIM/ USIM卡接口、RS232調試串口、千兆以太網電路、復位電路、實時時鐘電路等組成。本設計利用LoRa進行傳輸，從站LoRa模塊給主站LoRa模塊發數據，再通過無線模塊與核心板的連接，將數據傳輸至Linux系統核心板。數據通過核心板處理傳至5G基帶模塊，最后上傳到云服務器，完成數據的傳輸。可實現實施監控多設備參數。例如：將無線模塊插入輸液泵中，那么數據就可以利用所設計的5G網關實時傳輸至云服務器，護士便可以靈活觀察多個輸液泵情況，合理安排時間，也可將次設計應用到遠程醫療中，具有高帶寬、低時延等優點。

2 系統硬件設計

2.1 Linux系統核心板

NXP QorIQ LS1028A應用處理器包括支持時間敏感網絡（TSN）的以太網交換機和以太網控制器，可支持融合的IT（信息技術）和OT（操作技術）網絡。兩個功能強大的64位Arm v8內核支持工業控制的實時處理，以及物聯網中邊緣計算的虛擬機。內置GPU和LCD控制器使人機接口（HMI）系統支持新一代接口。LS1028A處理器內置一個SerDes模塊，分為4個lane高速接口以支持各種協議，例如SGMII，QSGMII，PCIe 和SATA。集成可信架構帶有加密分流功能，可提供能夠加密通信的可信平臺，適用于安全的應用和服務。

Linux系統具有高效性和靈活性[3]，Linux核心板嵌入多核應用處理器，具有高集成小系統，板載以太網口，具有豐富的外設接口，可以滿足本方案的設計。

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模塊主要用來進行無線通信，要求其具有強大的擴展能力和豐富的接口。模塊的供電、開機、復位等功能都由Linux核心板來控制。移遠RM500Q-GL是標準的M.2 Key-B WWAN接口模塊，符合PCIe M.2接口規范，同時符合USB 3.1和USB 2.0規范。擁有（U） SIM接口、USB接口、PCIe接口、PCM接口等豐富的外設。可通過USB和PCIe兩種接口模式來與Linux核心板進行數據通信。RM500Q-GL支持Windows、Linux和Android等嵌入式系統。為工規級模塊，并支持GNSS多模定位功能和語音功能以滿足不同的應用場景需求[4]。

本設計中5G模塊與Linux核心板之間通過USB3.1接口模式進行數據通信。5G模塊包括電源管理、基帶、LPDDR4X SDRAM+NAND存儲器、射頻部分、M.2 Key-B接口等，其功能框圖如圖3所示。

2.3 以太網接口

LS1028A的serdes通道SD1_ TX1/RX1配置為了QSGMII，底板采用以太網收發芯片QCA8075引出4組網口至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，所以相關引腳保持懸空。千兆以太網PHY部分參考電路如圖4所示。

2.4 RS232 調試串口

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

2.5 復位電路

電路可設計復位鍵，按下后可關閉核心板上所有電源，實現給整板斷電復位的功能。如圖6復位電路所示。

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電源經過功率MOS管之后向核心板供電。核心板上電后會向底板輸出1V8信號，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，以防閂鎖效應的發生損壞CPU[5]。電路如圖7所示。

2.7 SIM卡接口電路

5G模塊內置雙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 檢測引腳支持高/低電平檢測。 SIM接口支持1.8 V和3 V SIM卡（電壓自適應），拔插請注意區分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無線技術具有遠距離、低功耗（電池壽命長）、抗干擾、多節點、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行遠距離通信，可以使用電池供電或者其他能量收集的方式供電；較低的數據速率也延長了電池壽命和增加了網絡的容量。LoRa信號對建筑的穿透力也很強。LoRa的這些技術特點更適合于低成本大規模的物聯網部署[6]。

由于LoRa模塊應用起來工作量比較大本次設計使用核心板的通用UART2串口對LoRa模塊的復位和收發等引腳進行控制。參考原理圖如下圖9所示。

3 軟件開發

3.1 編譯環境搭建

fl exbuild 是NXP 官方提供的QorIQLS系列的編譯環境，fl exbuild中提供了整個系統編譯需要的所有源碼，比如linux內核、uboot、fi rmware、app程序以及一個完整的文件系統。對于文件系統，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/文件簡介放到虛擬機內，3.設置環境變量。

3.2 全部編譯

第一次進行編譯時，使用全部編譯命令進行編譯，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，后續可以直接解壓到燒寫U盤中。

3.4 單獨編譯 Firmware

Ls 系列的芯片在啟動時需要加載一些固件，例如rcw（復位控制字），uboot等，如對上述文件進行了修改，就需要重新編譯并將這些文件打包成一個fi rmware鏡像文件，燒寫到啟動設備中。支持 EMMC、TF卡、XSPI啟動，需要將特定的Firmware燒寫到對應的介質中。

3.5 單獨編譯內核及模塊

將編譯好的內核、設備樹文件更新到 build/images目錄[7]。

3.6 單獨編譯app程序

packages/apps包含了平臺相關的上層應用層工具例如OpenSSL 如對這部分的源碼有所改動，需要單獨編譯。

4 驗證結果

將電路焊接完成，測試電路正常，燒寫程序，利用串口調試助手、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連接所設計的電路，將SIM卡插入電路中。電腦A通過串口助手，將數據從LoRa A發送至LoRa B，5G開發板通過數據處理程序從LoRa B中提取數據，然后把獲得的數據通過5G模塊發送到互聯網的TCP Server中，流程如圖10。

如果電腦B處于內網， 可通過內網穿透器將電腦B的TCP Server的地址端口映射到外網上.LoRa A通過電腦A的調試串口發送數據（圖11所示），電腦B可以實時接收，（圖12所示）。

5 結語

本項目充分利用了無線通信技術、集成電路單片機技術、以及嵌入式技術，設計了一款擁有高速率，低延遲，高帶寬的5G應用。本文從硬件、軟件角度細致講解出發，介紹了5G應用的各個模塊，使得讀者能夠全面了解5G應用的設計步驟。可以將Lora無線模塊放入各種各樣的醫療設備中，這樣可以通過此設計進行5G無線傳輸，將5G應用到醫療設備中。具有較強的實用性價值。

參考文獻：

[1] 李大燦.新冠肺炎疫情防控中5G智慧醫療服務體系的構建[J].中華急診醫學雜志，2020（07）：49-53.

[2] 李彤.衛生大事記[G].武漢衛生健康年鑒，2020.

[3] 陳逸非.基于大容量Flash的高效Linux文件系統改進和實現[D].上海：同濟大學，2007.

[4] 耿黃政.一種新能源汽車遠程監測平臺車載終端軟硬件設計[J].科技與創新，2019（10）：37-39.

[5] 饒偉.基于LORA無線通信技術和MQTT協議的電力環境監測系統的研究與設計[D].深圳：深圳大學，2020.

[6] 何進.物聯網燃氣表系統的設計與實現[J].電訊技術，2019（07）： 19-22.

[7] 張峰.Linux機載紅外偵察設備中的應用[J].紅外與激光工程，2007（05）：21-24.