推进发展中国家新生儿监护进程，Zephyr操作系统在行动
发布日期：2016-12-15
来源：EEFOCUS
在发展中国家，每年有4600万新生儿因为并发症需要特殊护理，300万新生儿因为抢救不及时而死亡，其中80%被世界卫生组织(WHO)认为是可预防或可治疗的。是什么原因使得发展中国家新生儿死亡率居高不下？据统计，在这些死亡案例中，34%是早产，24%是出生窒息，20%是感染，22%是其它原因。因此，在这些地区急需对新生儿提供高质量的医疗护理，而这些地区的医疗形式却十分严峻，医疗资源配置极低，医护人员和设备极度缺乏，患者数量众多，医院负担过重。为此，联合国可持续发展署制订了目标，到2030年，全面控制新生儿和5岁以下儿童可预防性死亡。
图1：发展中国造成新生儿死亡的三大原因
随着物联网技术的发展，可穿戴设备以其低成本、低功耗、可网且更容易实施并推广，成为有效的解决方案。特别针对医疗资源极度匮乏的地区，创新的科技为新生儿提供了第一步的健康保证。毕业于哥伦比亚大学生物医学工程的Teresa Cauvel女士设计开发了一款用于新生儿医疗监测的设备Neopenda，可以实时监测新生儿的心率、呼吸率、血氧饱和度和体温，同时该设备可以通过无线方式连接至平板电脑，医护人员可以实时观察每个新生儿的健康状态，当新生儿遇险会及时提醒监护人，以确保新生儿得到及时救治。
Neopenda设备的硬件采用Arduino开发板，软件采用Zephyr实时操作系统，配备测量各项指标所需要的传感器，如：脉搏传感器、LilyPad温度传感器和双LED光学传感器。Arduino以其成熟的设计方案让Neopenda降低设计风险，Zephyr操作系统以其内核小、可伸缩性和开源性帮助Neopenda快速实现各项新生儿生命体征的测量。Neopenda的早期原型采用Arduino主板及软件，目前接近商用化产品的设计包含Arduino 101 with Intel®Curie™, Zephyr内核及各种传感器。
英特尔居里模块的优势在于小体积、低成本、低功耗，板上设有12位AD转换器可以实现DSP精确测量；内置的蓝牙BLE、加速度计、陀螺仪传感器和模式匹配引擎，可用于可穿戴设备的二次开发。
Zephyr操作系统：小内核，低功耗，支持广泛的架构
Zephyr操作系统的一大特点就是内核很小，可在内存低至 8kB 的系统上运行，甚至可在 RAM 最小为 2KB 时运行，可以在内存受限的可穿戴设备上运行。Zephyr 内核能够将操作进程与裸机操作系统的其它进程进行分离，也称为微核和超微内核。超微内核负责所有基本操作任务，包括通过基于内部光纤的积压作业(backlog)执行任务。微核功能更强大，允许多任务处理和内存存储，但只在必要时使用，为复杂的传感器操作和通信提供多线程和中断服务。
作为开源系统，Zephyr操作系统支持多种架构，如ARC内核（DSP子系统）和X86主机芯片，其中X86芯片具有更大的RAM容量，满足复杂的BLE应用，提供丰富的驱动和传感器程序，如ADC、GPIO、I2C、SPI、UART、BLE等，全面支持Neopenda设备进行数据采集、数据处理和数据传输。
全面的代码支持，加速设计进程
Zephyr SDK为设计者提供工具链，可以用于DSP子系统和X86主处理器的编译，编译器和工具链可以快速安装，有助于设计者节省开发时间。GDB调试器与DSP子系统和主处理器协调工作，调试时，Eclipse IDE和GDB一起运行。除此之外，Zephyr还针对BLE应用提供多种代码，开发者可以直接采用，无需重复设计代码，加速设计进程。
基于Zephyr操作系统的Neopenda监测实例
结合peripheral_hr示例代码展示Neopenda设备实时监测新生儿的四个生命体征。
图2：Neopenda设备监测流程
如图2所示，监测流程如下：
监测设备从脉搏传感器、温度传感器、脉搏血氧传感器采集获得对应数据，ARC核传感器子系统应用ADC驱动测量模拟输入；支持X86主机芯片的Zephyr系统将经过处理的数据显示到对应的界面上，用户可以在APP端监测测量结果。
脉搏和血氧监测结果：
安卓系统监测界面：
尽管还有一些需要改进的地方，Neopenda设备已经在乌干达开始规划及试用研究，未来会扩展到东非以及全世界医护资源匮乏的发展中国家，Zephyr将会一直助力Neopenda项目的设计、改进、完善，为挽救新生儿生命做出贡献。