朴 雪 张 立 俞 啸 赵 强
(徐州医学院医学信息学院,江苏 徐州 221000)
面向医疗大数据平台的异构网络网关的设计
朴 雪 张 立 俞 啸 赵 强
(徐州医学院医学信息学院,江苏 徐州 221000)
在医疗大数据背景下,为了解决医院中传感器网络和其他异构网络之间数据交互、融合、统一处理的问题,设计了面向医疗大数据平台的异构网络网关。网关系统由数据交汇处理中心、以太网接入点、ZigBee网络接入点、WiFi网络接入点、蓝牙网络接入点等构成。以STM32F103VET6为主处理器,对网关节点进行硬软件设计。首先,根据各异构网络信号的特点,设计接入点的驱动电路;其次,在各异构网络协议标准的基础上,设计网关节点的软件,通过任务调度算法实时获取与转发数据;最后,为提高系统的鲁棒性,采用差错处理机制。测试结果表明,网关系统稳定、数据处理能力强。
STM32 异构网络 综合接入网关 任务调度 差错处理 医疗大数据
近年来,随着医院信息化进程的不断推进,医院中出现了各种有线、无线的网络,包括WiFi、以太网、蓝牙、Z-Wave、ZigBee等无线自组织网络[1-2]。在这种情况下,要实现异构网络之间安全、高效地协同工作,需要支持统一数据标准的网关接入平台。
芯片技术、通信技术的不断发展为网关的研发提供了技术支撑,文献[3]设计了一种基于以太网和移动通信系统的智能家居综合接入网关;文献[4]阐述了一种基于ZigBee与GPRS交互通信的网关;文献[5]开发了基于ZigBee-WiFi技术的农林业信息采集系统网关;文献[6]提出了一种基于STM32处理器的面向建筑能源系统的网关;文献[7]设计了一种以S5PV210为主处理器,矿井专用的综合接入网关。本文结合芯片技术、软件设计技术、通信技术,设计了医用综合接入网关。
综合接入网关主要由数据交汇处理中心、以太网接入点、ZigBee网络接入点、WiFi网络接入点、蓝牙网络接入点、Z-Wave网络接入点等构成。网关的整体架构如图1所示。其中,数据交汇处理中心选用意法半导体公司的STM32F103VET6作为主处理器[8],该款处理器采用ARM架构的Cortex-M3内核,具有数据处理能力强、综合性能优越、低成本、低功耗等特点。当ZigBee网络、WiFi网络等的终端节点需要与异构网络进行数据交互时,会通过有线或无线的方式先将数据转发到本网络在综合网关上的接入点,然后由接入点将数据推送给综合接入网关数据交汇中心,数据交汇中心在对数据进行解析、处理后将数据转发到指定的网络中。
系统架构中,综合接入网关数据交汇中心是信息传输枢纽。一方面,它能够实现对各异构网络数据的汇聚、处理、转发功能,形成异构网络统一的数据中转标准;另一方面,作为异构网络的管理平台,它还能起到监管异构网络、保障网络数据传输畅通的作用。
图1 系统整体架构
综合考虑网关的处理能力、存储能力、通信方式等要求,网关的硬件结构如图2所示,其主要包括各网络接入模块、存储器模块、电源管理模块、指示模块、调试模块等。主处理器STM32F103VET6定时采集各网络接入模块转发的数据,在接收到数据包后,对数据进行分析、处理,并将其转发到数据源指定的网络终端。STM32F103VET6主频可达72 MHz,可在其平台下进行嵌入式操作系统的移植。存储器模块包括2片Samsung公司生产的K4S561632D-TC/L75 SDRAM,以及NOR Flash存储器,能够满足系统对存取速度和存储容量的要求。此外,综合接入网关也可以响应按键事件,以达到对网关进行配置和调试的目的。
图2 网关硬件框架
2.1 蓝牙网络接入点设计
蓝牙网络接入点以CC2540为核心处理部分,包括:晶振电路、蓝牙阻抗匹配电路、蓝牙印制天线、电源电路以及通信接口电路等,系统框图如图3所示。CC2540是德州仪器最近推出的符合蓝牙4.0标准的单模芯片,CC2540芯片的载波频率范围是2 400~2 483.6 MHz的ISM频段。CC2540芯片还具有固件实时更新功能,数据可片上存储高达+97 dB的长距离通信链路预算。CC2540芯片运行时具有3种低功耗电源模式,模式3的功耗仅0.4 μA,芯片适用于从2 V低电压到3.6 V高电压的宽范围,能保障芯片工作稳定[9]。
图3 蓝牙模块硬件框架
2.1.1 电源部分与时钟电路设计
CC2540芯片需要设计两个时钟电路,其中一个时钟电路采用1个工作频率为32 MHz的石英晶振和2个电容实现,石英晶振接芯片管脚22和23;另一个时钟电路由1个工作频率为32.768 kHz的石英晶振和2个电容实现,32.768 kHz的石英晶振接接芯片管脚32和33。CC2540芯片的数字电源管脚与模拟电源管脚应就近接滤波电容。CC2540芯片片内有1.8 V稳压器,可为所需电路提供稳定的电压。该稳压器需连接一个去耦电容以提高电源工作的稳定性,具体在电路设计中可以通过CC2540芯片管脚40接一个1 μF的电容来实现。预留所有P0、P1、P2口信号管脚、电源信号管脚以及复位信号管脚,方便扩展。
2.1.2 蓝牙射频阻抗匹配电路设计
蓝牙天线的输入阻抗ZL与蓝牙芯片的输入阻抗ZS可以表示为:
ZL=RL+jXL
(1)
ZS=RS-jXS
(2)
式中:RL为蓝牙印制天线阻抗实部,jXL为虚部;RS为蓝牙芯片阻抗实部,jXS为虚部。
蓝牙天线的输入阻抗ZL可以看作是天线的输入电压Ui与天线的输入电流Ii之比,可以表示为:
ZL=Ui/Ii
(3)
网关中蓝牙模块阻抗匹配电路的设计采用电容和电感等分立元件,实现蓝牙射频信号的阻抗匹配。图4是阻抗匹配电路原理图,其中电抗器件等分立器件组成巴伦电路,以实现与射频输出信号的最佳传输功能。U与J分别是印制倒F天线和迷你SMA接口,当使用印制倒F天线时,可用贴片器件R252实现;若想使用增益较高的外接鞭状单极子天线,可在印制电路板用贴片R251器件实现,此时R252焊盘不能焊接器件[12]。由于电路在工作时对蓝牙电磁性能的影响极其复杂,不可能保证所设计的天线在实际工作时阻抗虚部jXL接近0 Ω,因此实际工作中的2个0 Ω电阻(R251、R252)可根据现场情况接入适当的高频电抗器件,实现电路调试时的阻抗匹配。
图4 阻抗匹配电路原理图
2.2 ZigBee、WiFi、Z-Wave网络接入点设计
ZigBee网络接入点采用TI公司的CC2530核心射频板,网关上的CC2530核心射频模块配置成协调器节点,并在Z-Stack协议栈的基础上组建ZigBee无线传感器网络。TI公司的CC2530核心射频模块具备2.4 GHz IEEE 802.15.4 的RF收发器,拥有极高的接收灵敏度和抗干扰性能,可编程的输出功率高达4.5 dBm,只需极少的外接元件即可满足网状网络系统的需要[13-14]。WiFi网络接入点采用HLK-RM04支持全透明双向数据传输的WiFi模块,并配置为AP模式。该模块集成10/100 M自适应以太网口,串口通信最高波特率可达230.4 kbit/s、TLL串口速率最高500 bit/s,具备通用的WiFi加密方式和算法,支持TCP/UDP/ARP/ICMP/HTTP/DNS/DHCP等网络协议,Z-Wave网络接入点采用ZM3102核心射频模块,将其配置成控制节点,ZM3102核心射频模块具有数据传输可靠、低功耗、组网简单灵活等特点,能够组建稳定的Z-Wave无线网络。
网关节点的工作流程如图5所示。在给网关节点供电后,各异构网络的接入点首先进行硬件电路的初始化,主要包括各异构网络接入点电源管理部分电压的转换,启动时钟电路,主处理器的外驱动电路的初始化;然后执行各自的网络初始化任务,初始化网络配置,组建或者加入各自的网络;在各网络的接入点完成初始化网络的任务后,主处理器STM32F103VET6就开始执行任务调度算法,定时处理各网络模块的数据,对从不同网络获取的数据包进行解析,解析出数据包的源节点、数据内容和目的节点并进行转发。为增强节点的鲁棒性,同时提高节点的使用性与可用性,在进行网关节点的软件设计时,采用了差错处理机制。
图5 网关节点软件工作流程图
在实验室环境中对异构网络网关的性能进行测试。首先,测试ZigBee网络节点间距离与信号强度的关系,通过分析测试结果可知,当节点之间的距离在30 m以内时,ZigBee网络信号强且稳定,这可为在复杂的医院环境中合理部署网关提供参考;然后,通过本文设计的网关采集异构网络的数据,利用数据分析软件处理所得数据,经对比、分析发现,网关的平均丢包率在5%以内,平均数据误差率在0.2%以下。测试结果表明,本文设计的网关系统稳定,容错能力与数据转发能力强。
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Design of Heterogeneous Network Gateway for Medical Mega-data Platform
Under the background of medical mega-data, in order to solve the problems of data interaction, data integration, and unified data processing among sensor network and other heterogeneous network in hospital, the heterogeneous network gateway for medical mage-data platform has been designed. The gateway system is composed of data intersection center, Ethernet access point, ZigBee network access point, WiFi network access point and Bluetooth access point, etc. The design of hardware and software for the gateway nodes are accomplished with STM32F103VET6 as the main processor. Firstly, in accordance with the characteristics of various heterogeneous network signals, the drive circuits of access point are designed; then on the basis of various protocol standard of heterogeneous network, the software of gateway nodes is designed; the real time data are acquired and forwarded through task scheduling algorithm, and the error handling mechanism is adopted to enhance robustness of the system. The test results show that the gateway system is stable with strong data processing capability.
STM32 Heterogeneous network Integrated access gateway Task scheduling Error handling Medical mage-data
江苏省产学研联合创新基金资助项目(编号:BY2014033);
徐州市科技计划基金资助项目(编号:XM13B021);
徐州市科技计划基金资助项目(编号:XM12B077)。
朴雪(1979-),女,2006年毕业于辽宁师范大学教育技术学专业,获硕士学位,讲师;主要从事计算机基础教学与计算机应用方面的研究。
TP212; TP391
A
10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509010
修改稿收到日期:2015-05-15。