医用物联网理论课程实训平台建设实践探究

王颖 李胜旭 张翠萍

摘要：针对医学院校的专业性特征，福建中医药大学的物联网实训平台从嵌入式基础实验平台、医用物联网应用场景平台两方面进行教学和实践。福建中医药大学在已开设的医用物联网理论课程基础上，新增了结合嵌入式技术、传感器技术、射频技术和网络技术的实训平台，有助于提高医用物联网课程的理论教学和实践教学水平，循序渐进培养学生医用物联网的实践开发技能。

关键词：医用物联网；实训平台建设；实践教学

中图分类号：TP315      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）34-0105-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

物联网是指基于互联网、电信网等信息载体，把任何物品通过信息传感设备与网络相连接，物体按照约定的协议进行信息交换和通信，可以实现智能化识别、监控、跟踪和管理等功能[1]。将物联网技术应用于中医药领域、中医诊疗、中医理疗护理、临床实践等领域，能够使医学治疗、医学服务与医学管理更加智能化。因此，实现医学技术与物联网技术交叉应用以及应用创新[2]，对于福建中医药大学建设医用物联网实训平台有着现实意义。

物联网从技术架构上分为三层：感知层、网络层和应用层[3]，物联网的整理框架如图1所示。

感知层位于物联网三层结构中的最底层，是采集信息的来源，它的主要功能是识别和采集信息[4]。感知层由各种传感器设备构成，包括光敏传感器、二维码标签、射频识别标签和读写器、气体浓度传感器、全球定位传感器等感知终端[1]。

网络层负责传递和处理感知层获取的信息，是物联网的中间层，主要解决感知层与上位机之间长距离数据传输的问题[5]。其由互联网、有线通信网、无线通信网和各种私有网络等不同的网络连接形式组成[6]。云计算平台作为海量感知数据的存储、分析平台，通过网络层传输接收到各种感知信息，并实现信息的交互共享和有效处理，实现两个终端系统之间的数据透明传送。

应用层是物联网和用户的接口，是感知层和网络层的具体体现，它与行业需求相结合，提供了丰富的智能应用。

根据物联网系统这三种层次的划分方式，福建中医药大学结合医药院校的特色，在物联网实验室建设和实验教学方面进行规划设计。

1 福建中医药大学医用物联网课程建设存在的问题

福建中医药大学信息管理与信息系统专业融合新工科、新文科、新医科建设理念，专业定位于培养具有医药特色、掌握信息管理和信息系统开发技能的跨学科专业人才。即培养具备良好信息管理与分析能力、丰富信息技术专业知识及计算机应用技能，掌握医药信息系统的分析、设计、开发、实施和管理。在课程建设中，福建中医药大学开设了医用物联网相关的课程，通过物联网技术的学习，使学生具有智能医学应用方案设计、智能医疗治疗系统搭建以及系统测试等综合能力[7]。但因为缺乏物联网实训平台，教师授课只能进行理论教学。然而，物联网技术是通过各种硬件设备进行支撑的，因此，物联网实训平台对提高福建中医药大学医用物联网课程的理论及实践教学水平、提高学生的综合实践能力起到极大的作用。

2 物联网实训平台设备配置的规划建设

实训平台规划从基础实验和综合应用场景实验两个方向分别配置实验设备。基础实验包括掌握嵌入式微处理器的各个接口及功能模块应用、传感器信息采集、RFID射频识别以及多种嵌入式网络通信模块的使用，为物联网技术基础研究及应用创新提供信息平台支持[8]。医用物联网应用场景实验包括医疗应用和医疗管理两方面，将物联网的感知层、网络层和应用层形成一个连贯的知识体系应用在每个实际场景实验中，综合硬件终端、软件系统进行物联网应用场景设计的研究和学习。图2为物联网实训平台建设方案。

2.1 基础实验建设

物聯网基础实验系统的主控芯片选用意法半导体公司的STM32F4微控制器STM32F429IGT6型号，这是款高性能、低成本、低功耗的为嵌入式应用设计的ARM CortexM3内核微控制器，采用176引脚LQFP封装，频率高达180MHz，内置1024KB的闪存，256KB的SRAM，140个GPIO接口，24通道的12位ADC接口，12位DAC通用DMA，10个通用计时器、两个高级控制计时器和两个基本计时器。

由于本校信息管理与信息系统专业特点，实验无须让学生详细掌握微控制器的所有接口驱动操作和编程技能，只须让学生掌握如何使用微控制器获取数据，并通过有线或无线的通信方式传输至上层应用软件，使用上层应用软件对数据进行处理、分析等应用。基础实验包括片上基础资源的实验、外接传感器模块的数据采集实验、RFID射频卡识别实验以及无线通信实验这四部分实验。

其中，微处理器芯片的基础实验内容如表1所示，片上基础资源的实验包括GPIO接口输入输出实验，时钟系统和SysTick定时器实验，UART串口通信实验，SPI总线接口实验以及PWM输出实验。通过基础实验，使学生对物联网设备有形象的认识和真实的体验感，并将学到的理论知识应用于实际的实验操作。比如，通过第一个实验：GPIO接口输出实验的LED跑马灯，学生可以学会使用KEIL软件编译环境和ST-LINK下载器烧写程序或在线调试，学会查看简单的电路原理图，通过查看STM32数据手册的IO口定义设置寄存器来控制数据的流向。

传感器模块实验，主要有温度传感器、湿度传感器、红外传感器、重量传感器、声音传感器、光强传感器、气体传感器等基础功能传感器模块的应用[9]。通过各类传感器模块的学习，学生可以掌握STM32微处理器的常用总线接口使用，部分传感器模块如表2所示。

STM32微处理器的软件编程，主要使用汇编语言和C语言，学生只须掌握C语言的应用。实验使用模块化编程，各个接口的驱动程序已封装在库函数里，学生无须从零开始学习接口驱动编程，只须学会如何通过查找手册使用相应的接口函数对数据进行发送接收、设置与获取，并对数据进行进一步的处理。

2.2 醫用物联网场景实验的建设

医用物联网应用平台的建设，选用典型的物联网应用案例为参考模型[5]，自建模拟的医用物联网应用场景，使用STM32微处理器或树莓派4B为主控器，使用C语言和Python编程，通过医疗、管理两个方面建设应用场景，如图3所示。

通过医用物联网综合应用实验，学生可以学会人体生理参数传感器模块的知识和应用；学会将基础实验的传感器模块综合应用于实际医疗场景或改进管理效率；学会智能控制的相关基础知识，如路径规划自动导航、雷达扫描动态避障、电机控制车轮移动、方向控制、机械臂控制，建图导航、激光雷达扫描建图、路径规划、视觉识别目标追踪、人机语音交互控制、跨平台互联操纵以及AI深度学习等。学生通过了解如何将多个传感器或硬件功能组合起来，可以实现智能联动控制和监测的系统。医用物联网应用平台能够提高学生对物联网的认知度，增强学生的动手能力和创新能力。

每个场景实验项目，按照物联网的三层结构：感知层、网络层和应用层进行构建。学生可以结合理论知识，实际动手搭建医疗场景设备并进行软硬件编程开发，掌握物联网应用的基本操作。比如，图4所示的人体生理参数检测系统架构，系统由感知层、网络层和应用层三层组成。感知层的单片机设备负责采集病患的生理指标信息，检测内容感知模块有：体温传感器、血氧传感器、心率传感器、红外脉搏传感器、呼吸波传感器、血压传感器、心电传感器。网络层采用有线通信或无线通信两种方式进行数据传输。有线连接采用RS232串口通信进行数据传输；无线连接采用4G模块通过MQTT协议的发布/订阅体系架构进行数据传输，可满足分布式通信需求。感知层设备采集到的信息以发布的方式传输给上位机，并通过订阅的方式接收上位机发送的采集或阈值设置等控制指令。应用层采用电脑终端的可视化显示界面，显示采集到的生理指标信息，进行数据分析展示和设置预警监测。

3 结束语

福建中医药大学信息管理与信息系统专业是医学与计算机类专业的交叉学科，其在物联网技术的教学定位与计算机专业有所区别。医用物联网课程相比计算机专业，物联网的硬件设计基础和传感器原理等专业知识的授课深度会稍微浅显些，更侧重物联网医学方面的综合应用。课程通过提升学生动手实践操作的能力，使学生能够有效地将物联网技术应用在医学技术上，激发学生的创造力去解决医学诊疗、服务和管理中遇到的问题。同时，物联网实验平台也给学生提供了一个系统学习嵌入式技术的实践开发平台，可以让学生循序渐进从嵌入式软硬件基础知识入门，再深入掌握嵌入式在物联网中的综合应用，以满足企业对嵌入式研发工程师人才的需求，增加学生就业岗位的选择和提升学生的就业竞争力。

参考文献：

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【通联编辑：谢媛媛】