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

電路電源為直流 12 V，由 DC005 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

flexbuild 是 NXP 官方提供的 QorIQLS 系列的編譯環境，flexbuild 中提供了整個系統編譯需要的所有源碼 , 比如 linux 內核、uboot、firmware、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 flexbuild 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 firmware 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.

(注：本文轉載自《電子產品世界》雜志2022年8月期)