基于LoRa技术的中医家庭医生服务系统设计

2023-01-05罗青青周正贵方银银

廊坊师范学院学报(自然科学版) 2022年4期

关键词：包率中继网关

罗青青,周正贵,方银银

（1.安徽商贸职业技术学院，安徽芜湖 241002；2.光电材料科学与技术安徽省重点实验室，安徽芜湖 241002）

0 引言

采用LoRa技术设计了一种中医家庭医生服务系统，该技术具有抗干扰、保密性强等特点，可应用于传输距离长、功率低的场合［1-3］，有利于提高知名中医门诊量，也方便为居民提供中医治病的服务［4］。

1 系统总体设计

中医家庭医生服务系统如图1所示。系统包括数据采集系统、数据传输系统和数据处理系统，数据采集系统由多个LoRa节点组成，LoRa节点采集用户的体温、脉搏等参数。数据传输系统由中继模块及网关模块组成，中继模块通过LoRa网络接收数据采集系统的数据再通过LoRa网络发送至网关模块，网关模块将数据汇总、处理。数据处理系统为云平台服务中心，通过以太网接收网关模块的信息，医生可通过手机、电脑终端等访问云平台服务中心查询用户的信息，并对用户的身体状况做出诊断，用户可通过访问云平台服务中心查询，实现中医家庭医生远程问诊服务，也可提供中医治病的服务。一个云平台服务中心可使用以太网通信的方式接入多个网关模块。

图1 系统设计总图

2 系统硬件设计

2.1 数据采集系统电路设计

本系统电路为LoRa节点的电路，主要包括电源模块、传感器模块、单片机模块、RS-485模块及LoRa模块，实现了将采集到的用户信息发送至中继模块。传感器模块包括脉搏检测模块、体温检测模块等，脉搏检测模块采用MAX30102，可测量出用户的脉搏血氧饱和度和脉搏，该传感器具有测量快速、实时等特点，在临床上被广泛使用；体温检测模块采用DS18B20，用于检测用户的体温，该芯片与单片机模块采用单总线的连接方式，该传感器具有容易组建传感器网络的特点。LoRa节点电路示意图如图2所示。

图2 LoRa节点电路示意图

LoRa模块采用无线模块LSD4RF-2F717N30，该模块是基于射频集成芯片SX127X的物联网无线收发器，芯片具有小体积、低功耗、强抗干扰能力、远距离传输等特点，能够实现将无线网络快速部署和数据的远程采集［5-6］，LSD4RF-2F717N30核心电路如图3所示。

图3 LSD4RF-2F717N30核心电路

单片机模块采用STM32F030C6T，主要用于接收传感器模块采集的信息并将信息通过Lo-Ra模块发送至中继模块。该芯片的工作电压为2.0～3.6V，内有64KB的SRAM和512KB的Flash等资源，可用于医疗、通信等领域，STM32F030C6T与LSD4RF-2F717N30芯片的连接电路如图4所示。

图4 STM32F030C6T与LSD4RF-2F717N30芯片连接电路图

RS-485电路采用芯片MAX3456，芯片通过RO及DI引脚分别与STM32F030C6T的U1_RX、U1_TX引脚相连接，用于采集传感器模块采集的信息。RS-485电路连接如图5所示。

图5 RS-485电路连接图

2.2 数据传输系统电路设计

数据传输系统电路设计包括中继模块电路设计和网关模块电路设计。网关模块包括单片机模块、电源模块、网络接口模块及LoRa模块，单片机模块采用STM32F030C6T，LoRa模块采用LSD4RF-2F717N30，网关模块示意图如图6所示。

图6 网关模块示意图

3 系统软件设计

3.1 LoRa节点软件设计

启动LoRa模块后，当接收到结束字节时，数据经添加帧头、帧尾后，通过LoRa网络将数据发送至中继模块，实现检测数据的发送，LoRa节点流程如图7所示。

图7 LoRa节点流程图

3.2 中继模块设计

启动LoRa模块后，当接收到结束字节时，数据经滤除帧头、帧尾后，再通过网关模块将数据传送给云平台服务中心，实现中继模块数据的发送。

4 系统测试及分析

4.1 功能检测

本设计是在每个LoRa节点都安装有传感器模块，在LoRa节点附近安装一个中继模块。中医家庭医生服务系统的实现过程是：LoRa节点将采集到的用户检测信息，如体温、脉搏、血糖、血压等参数发送至中继模块，组网后，中继模块通过LoRa网络将信息发送至网关模块，网关模块将数据汇总、处理后，将数据通过以太网发送至云平台服务中心，医生可通过手机、电脑等终端访问云平台服务中心查询当前用户身体情况的信息，网页显示检测信息，用户选择检测项目名称来查询数据。

4.2 系统测试

为了测试LoRa节点之间数据可传输距离，随机选取A、B两个节点，波特率设为9.6kbps。发送端发送数据的间隔为0.5s。当A、B两个节点同时匹配天线增益为5dBi，检测距离分别选取210m、430m、870m、1280m、1610m、1920m、2110m，连续收发2万个数据包时，统计LoRa网络的丢包率；当A、B两个节点同时匹配增益为3dBi，检测距离分别选取210m、430m、560m、590m、620m、640m、700m、940m时，统计LoRa网络的丢包率。测试数据如表1、表2所示。