基于Linux系统的5G通信技术在医疗服务的应用设计

杨静 王文文 吴连威 王轻 葛继成 肖小兵

摘 要：本文从智慧医疗服务谈起，将5G技术应用于相应的科室，例如：麻醉科、妇产科、儿科等需要输液的科室，致力于帮助缓解护士压力，提高医院治疗效率；或将5G通信技术应用于远程医疗中。介绍如何将5G通信技术应用到设计中，从而提升医生诊断效率、改善患者就医体验、实现优质医疗资源远程共享和实时信息交互，有效缓解医疗资源匮乏、医护人员短缺、医疗水平分布不均等问题[1]。

关键词：5G通信技术应用；智慧医疗；Linux

0 引言

目前全国已有超过600家医院部署了5G室内数字化网络[2]。由此可以看出，5G医疗在提升诊疗效率、提升医疗服务水平的同时也给医院管理层带来启示，对于智慧医疗系统、智慧管理系统和智慧服务系统的建设起到了积极的促进作用。

1 总体方案设计

总体方案如图1所示，主要由5G基带模块与SIM/ USIM卡接口、RS232调试串口、千兆以太网电路、复位电路、实时时钟电路等组成。本设计利用LoRa进行传输，从站LoRa模块给主站LoRa模块发数据，再通过无线模块与核心板的连接，将数据传输至Linux系统核心板。数据通过核心板处理传至5G基带模块，最后上传到云服务器，完成数据的传输。可实现实施监控多设备参数。例如：将无线模块插入输液泵中，那么数据就可以利用所设计的5G网关实时传输至云服务器，护士便可以灵活观察多个输液泵情况，合理安排时间，也可将次设计应用到远程医疗中，具有高带宽、低时延等优点。

2 系统硬件设计

2.1 Linux系统核心板

NXP QorIQ LS1028A应用处理器包括支持时间敏感网络（TSN）的以太网交换机和以太网控制器，可支持融合的IT（信息技术）和OT（操作技术）网络。两个功能强大的64位Arm v8内核支持工业控制的实时处理，以及物联网中边缘计算的虚拟机。内置GPU和LCD控制器使人机接口（HMI）系统支持新一代接口。LS1028A处理器内置一个SerDes模块，分为4个lane高速接口以支持各种协议，例如SGMII，QSGMII，PCIe 和SATA。集成可信架构带有加密分流功能，可提供能够加密通信的可信平台，适用于安全的应用和服务。

Linux系统具有高效性和灵活性[3]，Linux核心板嵌入多核应用处理器，具有高集成小系统，板载以太网口，具有丰富的外设接口，可以满足本方案的设计。

如图2所示，为FET1028A-C系列核心板接口管脚定义，核心板含有大量的接口资源，共160个管脚，用不到的管脚做悬空或加上下拉电阻处理。

2.2 5G基带模块

5G模块主要用来进行无线通信，要求其具有强大的扩展能力和丰富的接口。模块的供电、开机、复位等功能都由Linux核心板来控制。移远RM500Q-GL是标准的M.2 Key-B WWAN接口模块，符合PCIe M.2接口规范，同时符合USB 3.1和USB 2.0规范。拥有（U） SIM接口、USB接口、PCIe接口、PCM接口等丰富的外设。可通过USB和PCIe两种接口模式来与Linux核心板进行数据通信。RM500Q-GL支持Windows、Linux和Android等嵌入式系统。为工规级模块，并支持GNSS多模定位功能和语音功能以满足不同的应用场景需求[4]。

本设计中5G模块与Linux核心板之间通过USB3.1接口模式进行数据通信。5G模块包括电源管理、基带、LPDDR4X SDRAM+NAND存储器、射频部分、M.2 Key-B接口等，其功能框图如图3所示。

2.3 以太網接口

LS1028A的serdes通道SD1_ TX1/RX1配置为了QSGMII，底板采用以太网收发芯片QCA8075引出4组网口至RJ45插座。QCA8075被配置为QSGMII+SGMII模式，但是其中的SGMII引脚没有使用到，所以相关引脚保持悬空。千兆以太网PHY部分参考电路如图4所示。

2.4 RS232 调试串口

Linux核心板引出的UART1是调试串口，1.8 V电平。经过电平转换芯片LSF0204RUTR转换为3.3 V电平，再经RS232芯片MAX3232ID转换为RS232电平。其中3.3 V电平调试串口由XH-2.54 mm白色端子引出；RS-232电平调试串口通过标准DB9公头座子引出，波特率115200。串口调试参考电路如图5所示。

2.5 复位电路

电路可设计复位键，按下后可关闭核心板上所有电源，实现给整板断电复位的功能。如图6复位电路所示。

2.6 电源模块

电路电源为直流12 V，由DC-005插座引入。该直流12 V电源经过功率MOS管之后向核心板供电。核心板上电后会向底板输出1V8信号，1V8控制底板VCC 5 V上电。此部分电路是为了保证核心板先上电，底板后上电，以防闩锁效应的发生损坏CPU[5]。电路如图7所示。

2.7 SIM卡接口电路

5G模块内置双USIM接口，支持双卡单待功能，模块可支持（U）SIM卡热插拔功能。（U）SIM 检测引脚支持高/低电平检测。 SIM接口支持1.8 V和3 V SIM卡（电压自适应），拔插请注意区分SIM卡正反面。5G用的microSIM卡座接口电路如图8所示。

2.8 LoRa无线模块

LoRa无线技术具有远距离、低功耗（电池寿命长）、抗干扰、多节点、低成本的特性[5。LoRa基于Sub-GHz的频段使其更易以较低功耗进行远距离通信，可以使用电池供电或者其他能量收集的方式供电；较低的数据速率也延长了电池寿命和增加了网络的容量。LoRa信号对建筑的穿透力也很强。LoRa的这些技术特点更适合于低成本大规模的物联网部署[6]。

由于LoRa模块应用起来工作量比较大本次设计使用核心板的通用UART2串口对LoRa模块的复位和收发等引脚进行控制。参考原理图如下图9所示。

3 软件开发

3.1 编译环境搭建

fl exbuild 是NXP 官方提供的QorIQLS系列的编译环境，fl exbuild中提供了整个系统编译需要的所有源码，比如linux内核、uboot、fi rmware、app程序以及一个完整的文件系统。对于文件系统，用户可直接使用。步骤分三步：1.下载fl exbuild包并解压，注意编译过程中使用root用户操作，2.将主要目录/文件简介放到虚拟机内，3.设置环境变量。

3.2 全部编译

第一次进行编译时，使用全部编译命令进行编译，只需要一条命令就可以编译出所有需要的文件。生成的文件位于build/images目录。

3.3 打包烧写镜像

将在linux-fs目录生成images.tar.bz2，后续可以直接解压到烧写U盘中。

3.4 单独编译 Firmware

Ls 系列的芯片在启动时需要加载一些固件，例如rcw（复位控制字），uboot等，如对上述文件进行了修改，就需要重新编译并将这些文件打包成一个fi rmware镜像文件，烧写到启动设备中。支持 EMMC、TF卡、XSPI启动，需要将特定的Firmware烧写到对应的介质中。

3.5 单独编译内核及模块

将编译好的内核、设备树文件更新到 build/images目录[7]。

3.6 单独编译app程序

packages/apps包含了平台相关的上層应用层工具例如OpenSSL 如对这部分的源码有所改动，需要单独编译。

4 验证结果

将电路焊接完成，测试电路正常，烧写程序，利用串口调试助手、电脑A与电脑B等工具。

将无线模块LoRa A连接电脑A，无线模块LoRa B连接所设计的电路，将SIM卡插入电路中。电脑A通过串口助手，将数据从LoRa A发送至LoRa B，5G开发板通过数据处理程序从LoRa B中提取数据，然后把获得的数据通过5G模块发送到互联网的TCP Server中，流程如图10。

如果电脑B处于内网， 可通过内网穿透器将电脑B的TCP Server的地址端口映射到外网上.LoRa A通过电脑A的调试串口发送数据（图11所示），电脑B可以实时接收，（图12所示）。

5 结语

本项目充分利用了无线通信技术、集成电路单片机技术、以及嵌入式技术，设计了一款拥有高速率，低延迟，高带宽的5G应用。本文从硬件、软件角度细致讲解出发，介绍了5G应用的各个模块，使得读者能够全面了解5G应用的设计步骤。可以将Lora无线模块放入各种各样的医疗设备中，这样可以通过此设计进行5G无线传输，将5G应用到医疗设备中。具有较强的实用性价值。

参考文献：

[1] 李大灿.新冠肺炎疫情防控中5G智慧医疗服务体系的构建[J].中华急诊医学杂志，2020（07）：49-53.

[2] 李彤.卫生大事记[G].武汉卫生健康年鉴，2020.

[3] 陈逸非.基于大容量Flash的高效Linux文件系统改进和实现[D].上海：同济大学，2007.

[4] 耿黄政.一种新能源汽车远程监测平台车载终端软硬件设计[J].科技与创新，2019（10）：37-39.

[5] 饶伟.基于LORA无线通信技术和MQTT协议的电力环境监测系统的研究与设计[D].深圳：深圳大学，2020.

[6] 何进.物联网燃气表系统的设计与实现[J].电讯技术，2019（07）： 19-22.

[7] 张峰.Linux机载红外侦察设备中的应用[J].红外与激光工程，2007（05）：21-24.