面向医疗大数据平台的异构网络网关的设计

面向医疗大数据平台的异构网络网关的设计朴雪，等　面向医疗大数据平台的异构网络网关的设计　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＨｅｔｅｒＯｇｅｎｅＯｕｓ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｇａｔｅｗａｙ　ｆｏｒ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｍｅｇａ—ｄａｔａ　ＰｌａｔｆＯｒｍ　针　雪　主　俞　前　赵　琵　（徐州医学院医学信息学院，江苏徐州　２２１０００）　

摘要：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、以太网接人点、ＺｉｇＢｅｅ网络接人点、ＷｉＦｉ网络接人点、蓝牙网络接人点　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，设计接人点的驱动电路；　其次，住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。　关键词：ＳＴＭ３２异构网络综合接入网关任务调度差错处理医疗大数据　中图分类号：ＴＰ２１２；ＴＰ３９１　文献标志码：Ａ　ＤＯＩ：１０．１６０８６／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎｌ０００—０３８０．２０１５０９０１０　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｏｆ　ｍｅｄｉｃａｌ　ｍｅｇａ—ｄａｔａ。ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｄａｔａ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ，ｄａｔａ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　Ｉ　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　Ｉ　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　ｅｌＴｏｒ　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．　Ｋｅｙｗｏｒ４ｓ：ＳＴＭ３２　Ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ　ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ａｃｃｅｓｓ　ｇａｔｅｗａｙ　Ｔａｓｋ　ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ　Ｅｒｒｏｒ　ｈａｎｄｌｉｎｇ　Ｍｅｄｉｃａｌ　ｍａｇｅ－ｄａｔａ　

０　引言　近年米，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　。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　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）。　修改稿收到日期：２０１５—０５—１５。　第一作者朴雪（１９７９一），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．．　￥５ＰＶ２１０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，没计了医　用综合接入网关。　ｌ系统整体架构　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　，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，然后由接人点　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　

４２　ＰＲＯＣＥＳＳ　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ　ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ　Ｖｏ１．３６　Ｎｏ．９　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ　２０１５　面向医疗大数据平台的异构网络网关的设计朴雪，等　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。　／　蓝牙网络Ｚ－Ｗａｖｅ￣络　ＺｉｇＢｅｅ￣络Ｗｉ－Ｆｉ￣络　图１　系统整体架构　Ｆｉｇ．１　Ｏｖｅｒａｌｌ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　２　网关硬件设计　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ｓＴＭ３２Ｆ１０３ＶＥ　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。　电源管理模块ＩＩ指示灯ｌＩ按键¨晶振／复位　ＪＴＡＧ卜—　ｌ　ＳＤ　ｌｌ　ＵＳＢ　ＩＩ　ＲＳ－２３２　ＩＩ　ＳＤＲＡＭ　ＨＬＫ．ＲＭ０４　ＷｉＦｉ模块　蓝牙模块　驱动电路　Ｆｌａｓｈ　ｌ　图２网关硬件框架　Ｆｉｇ．２　Ｈａｒｄｗａｒｅ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　ｏｆ　ｇａｔｅｗａｙ　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　《自动化仪表》第３６卷第９期２０１５年９月　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　Ａ，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　。　

电源管理电路　０　蓝　阻　抗　牙　＝＝＝＝：：　＝｛ｌ　ｊ　蓝牙芯片ｃｃ２５４０　。　＋卜＋　匹　竹　印通信接口｝叫ｌ　配　制电　天　

路　线　

图３蓝牙模块硬件框架　Ｆｉｇ．３　Ｈａｒｄｗａｒｅ￣ａｍｅｗｏｒｋ　ｏｆ　Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　ｍｏｄｕｌｅ　

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　ＩｘＦ的　电容来实现。预留所有Ｐｎ、Ｐ　、Ｐ　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ｚ　．与蓝牙芯片的输入阻抗　可以表示为：　ＺＬ＝ＲＬ＋ｊＸＬ　（１）　Ｚ　＝Ｒｓ—ｊＸｓ　（２）　式中：Ｒ　为蓝牙印制天线阻抗实部，ｊ　为虚部；Ｒ　为　蓝牙芯片阻抗实部，ｊ　为虚部。　蓝牙天线的输入阻抗ｚ　．可以看作是天线的输入　

电压　与天线的输入电流　之比，可以表示为：　ＺＬ＝Ｕｉ／Ｉｉ　（３）　根据最大功率传输理论，当Ｚ　＝Ｚｓ　时，可以实现　射频电路的阻抗匹配，以实现最大功率传输　“　，其　中　为ｚｓ的共轭。在实际工程设计中，应该保证所　设计的蓝牙印制天线的阻抗实部Ｒ　接近５０　Ｑ，而阻　抗虚部ｊ　接近０　ｎ，此时天线的输入阻抗约为５０　Ｑ。　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