摘 要：提出并設(shè)計(jì)了一種用于多功能監(jiān)護(hù)儀的無(wú)線(xiàn)通訊系統(tǒng)，通過(guò)星型網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)把一個(gè)房間內(nèi)的監(jiān)護(hù)儀的信號(hào)送入公司的局域網(wǎng)，使監(jiān)護(hù)儀擺脫了電纜的限制，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化。在不改變?cè)搩x器的基礎(chǔ)上通過(guò)自定的協(xié)議和虛擬通道，實(shí)現(xiàn)了該儀器與網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)的透明傳輸。同時(shí)與其他設(shè)計(jì)方案做了對(duì)比，說(shuō)明了本設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：STR912FW44;nRF24L01;多功能監(jiān)護(hù)儀;無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò);ZigBee

中圖分類(lèi)號(hào)：TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0306702

A Wireless Communication System for Multifunction Monitor

YANG Ying，XU Zhao，WANG Wenming，LI li

(College of Information and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，221116，China)

Abstract：This paper describes a wireless communication system for multifunction monitor.Based on no altering of the instrument，it sends the monitor signal of one room to the company′s local area network through star network and a wireless gateway.Thought the protocol that own made and virtual channels，it implements the data transparent transmission between the instrument and network.And it compares to other design alternative and indicates this design′s superiority.

Keywords：STR912FW44;nRF24L01;multifunction monitor;wireless network;ZigBee

1 引 言

多功能監(jiān)護(hù)儀是一種常用的臨床醫(yī)療器械，他可以把病人的心電(ECG)、呼吸(RESP)、血氧飽和度(SPO2)、血壓(BP)等參數(shù)顯示出來(lái)，通過(guò)24小時(shí)對(duì)病人各種生理參數(shù)的監(jiān)測(cè)及分析，在某一生理機(jī)能參數(shù)超出規(guī)定數(shù)值時(shí)便發(fā)出警報(bào)，提醒醫(yī)護(hù)人員及病人家屬進(jìn)行搶救的一種監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，是醫(yī)護(hù)人員診斷、治療及搶救的重要器械。

傳統(tǒng)的監(jiān)護(hù)儀一般通過(guò)串口與主監(jiān)護(hù)室相連，布線(xiàn)不方便而且僅局限于手術(shù)過(guò)程和ICU病房的監(jiān)護(hù)，限制了其使用價(jià)值，不能滿(mǎn)足所有臨床科室的使用。本文設(shè)計(jì)了一套無(wú)線(xiàn)通訊系統(tǒng)，通過(guò)星型網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)把一個(gè)房間內(nèi)的監(jiān)護(hù)儀的信號(hào)送入公司的局域網(wǎng)，使監(jiān)護(hù)儀擺脫了電纜的限制，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，同時(shí)通過(guò)內(nèi)置的電池，可以放在任何臨床病人需要的場(chǎng)合。

2 系統(tǒng)描述

本系統(tǒng)不需要改動(dòng)原監(jiān)護(hù)儀的任何軟件，最大限度地保護(hù)原有的設(shè)計(jì)投入。本系統(tǒng)只是在監(jiān)護(hù)儀與醫(yī)院的局域網(wǎng)之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，建立起上行與下行的兩個(gè)虛擬通道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。該系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)頻率選擇在2.4 GHz的ISM頻段，由1臺(tái)主機(jī)與6臺(tái)分機(jī)構(gòu)成。由于原來(lái)設(shè)計(jì)的串口通訊速度一般為19 200 b/s，在6臺(tái)分機(jī)同時(shí)需要傳輸數(shù)據(jù)的情況下，主機(jī)的速度會(huì)達(dá)到19 200*6 b/s，再加上協(xié)議的開(kāi)銷(xiāo)，因此對(duì)主機(jī)的處理能力和無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)乃俣忍岢隽撕芨叩囊?，同時(shí)還要處理與局域網(wǎng)連接的TCP/IP協(xié)議，一般的8位單片機(jī)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)采用了ST的STR912FW44作為主機(jī)的控制器，而從機(jī)由于只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)，采用了相對(duì)簡(jiǎn)單的8位機(jī)ATmega8作為控制器，無(wú)線(xiàn)芯片采用nRF的nRF24L01，2 Mb/s無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路，可以確保系統(tǒng)對(duì)速度的要求。另外，nRF24L01集成了自動(dòng)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包、發(fā)送和應(yīng)答信號(hào)、檢測(cè)和重發(fā)丟失數(shù)據(jù)包、存儲(chǔ)沒(méi)有收到應(yīng)答信號(hào)的數(shù)據(jù)包等功能，所以可以自動(dòng)重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包，從而確保用戶(hù)終端的可靠性。詳細(xì)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

3 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的主機(jī)，采用了ST公司的STR912FW44。STR912FW44是ST 最新ARM9單片工業(yè)級(jí)微控制器 STR91x系列之一，基于ARM966E—S內(nèi)核，片內(nèi)自帶FLASH，USB，CAN，SPI，以太網(wǎng)等外設(shè)。具有緊密耦合的512 kB的 FLASH存儲(chǔ)器，以及96 kB的SRAM，由于本系統(tǒng)不涉及到復(fù)雜的應(yīng)用程序，所以不需要外擴(kuò)存儲(chǔ)器。STR912FW44內(nèi)部已經(jīng)包括了以太網(wǎng)的MAC和MII接口，在他與已太網(wǎng)相連時(shí)，僅需要添加一個(gè)以太網(wǎng)的物理層芯片(PHY)RTL8201BL。STR912FW44具有一個(gè)可以工作在主從模式下的SPI接口，通過(guò)該接口與nRF24L011進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在本應(yīng)用中，SPI工作于主模式下。射頻部分采用nRF的nRF24L01芯片，nRF24L01具有高達(dá)2 Mb/s的傳輸速度，縮短了數(shù)據(jù)在空中的延遲時(shí)間，對(duì)于多從模式下的數(shù)據(jù)傳輸，可以減少數(shù)據(jù)碰撞的機(jī)會(huì)。詳細(xì)的主機(jī)硬件框圖如圖2所示。

圖2 主機(jī)硬件框圖

對(duì)于本設(shè)計(jì)的射頻部分，希望傳送盡可能遠(yuǎn)的距離，由于nRF24L01的輸出功率只有幾dBm，不符合要求，因此外加了SiGa的PA2423L做功率放大。采用一個(gè)射頻模擬開(kāi)關(guān)UPG2214來(lái)切換nRF24L01的工作狀態(tài)，即發(fā)射狀態(tài)或接收狀態(tài)，使發(fā)射功率可以達(dá)到20 dBm，在空曠地，傳輸距離可以超過(guò)500 m。

對(duì)于從機(jī)，采用了相對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。控制器為ATMEL公司的AVR系列中的一款:ATmega8，射頻部分與主機(jī)相同，同樣通過(guò)SPI接口與ATmega8交換數(shù)據(jù)。一方面，ATmega8接收從UART傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，打包后通過(guò)射頻部分發(fā)射出去，同時(shí)，通過(guò)SPI接口接收從nRF24L01傳來(lái)的數(shù)據(jù)，去除協(xié)議部分，然后交給UART。

由于本系統(tǒng)中包括混合的電路系統(tǒng)，對(duì)PCB的設(shè)計(jì)提出了很高的要求，本設(shè)計(jì)使用普通的FR4板材，要注意以下幾點(diǎn)：

(1) 將PCB分成獨(dú)立的模擬部分和數(shù)字部分。

(2) 合適的零件布局，注意電源的濾波。

(3) 布線(xiàn)的時(shí)候盡量減少環(huán)路的面積，以降低感應(yīng)噪聲。

(4) 電源線(xiàn)與地線(xiàn)要盡量粗，除了可以減小壓降外，更重要的是可以降低耦合噪聲。

4 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性具有很高的要求，必須仔細(xì)計(jì)算與調(diào)整協(xié)議的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)和數(shù)據(jù)包的大小。鑒于nRF24L01內(nèi)部已經(jīng)具有了簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)鏈路層和32 B FIFO，并且包括CRC校驗(yàn)和出錯(cuò)重傳機(jī)制，故可以在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)鏈路層。

圖3 主機(jī)程序流程圖

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為1臺(tái)主機(jī)，6臺(tái)從機(jī)，采用簡(jiǎn)單的輪詢(xún)機(jī)制。首先主機(jī)根據(jù)不同的從機(jī)地址，向其中的一臺(tái)從機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求，在一段確定的時(shí)間之內(nèi)，如果沒(méi)有得到回傳的數(shù)據(jù)，就可以判斷為超時(shí)。如果得到的數(shù)據(jù)有錯(cuò)誤，nRF24L01會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)錯(cuò)誤重傳機(jī)制。由于經(jīng)過(guò)了CRC校驗(yàn)，可以確認(rèn)上層得到的數(shù)據(jù)就是正確的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)鏈路層，由于上行(數(shù)據(jù)由從機(jī)到主機(jī))和下行(數(shù)據(jù)由主機(jī)到從機(jī))的數(shù)據(jù)量不同，上行的數(shù)據(jù)量較大，是主要的數(shù)據(jù)通道，下行的數(shù)據(jù)量很小，只有一些控制信號(hào)，所以上行的數(shù)據(jù)包采用32 B/包，而下行的數(shù)據(jù)包采用8 B/包。按照從機(jī)的UART接收的數(shù)據(jù)速率為19 200 b/s，每秒的數(shù)據(jù)量約為19 200/8 B，即2 400 B/s。按照32 B/包計(jì)算，每秒需要傳輸2 400/32包，即75包。從機(jī)使用的控制器只負(fù)責(zé)存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)，ATmega8具有1 000 B的SRAM，可以開(kāi)辟出320 B，即10個(gè)數(shù)據(jù)包的上行緩沖區(qū)，在每個(gè)輪詢(xún)周期，每臺(tái)從機(jī)傳送320 B的數(shù)據(jù)。所以把輪詢(xún)周期設(shè)為10 ms，在每個(gè)輪詢(xún)周期內(nèi)，

主機(jī)分別與6臺(tái)從機(jī)交換一次數(shù)據(jù)，每秒可以有大于10個(gè)輪詢(xún)周期，射頻部分收發(fā)狀態(tài)的切換時(shí)間，只有幾個(gè)μs，可以忽略?？鄢齋PI通訊中協(xié)議的開(kāi)銷(xiāo)，每秒上行通道可以傳送大于3 200 B的數(shù)據(jù)，這個(gè)速度超過(guò)從機(jī)從UART接收數(shù)據(jù)的速度，可以保證不丟數(shù)據(jù)。至于下行數(shù)據(jù)鏈路，由于數(shù)據(jù)量很小，可以忽略不計(jì)。

5 本設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)

為什么不用藍(lán)牙： 藍(lán)牙具有完善的協(xié)議層，可以保證不同手持設(shè)備之間數(shù)據(jù)的自由交換，但藍(lán)牙為了確?；Q性而形成的協(xié)議包結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，這不僅導(dǎo)致了其硬件的復(fù)雜性，也大幅度增加了處理量和同步處理需求，導(dǎo)致電池消耗迅速增加。

為什么不用WiFi：不可否認(rèn)WiFi具有更好的通用性、更快的數(shù)據(jù)速率，但同樣對(duì)接口的硬件具有相當(dāng)高的性能要求，無(wú)法與普通的單片機(jī)相連。如果采用更高性能的處理器，會(huì)增加硬件的復(fù)雜度和軟件的成本，同時(shí)WiFi的高功耗也不適合使用電池供電的多功能監(jiān)護(hù)儀。

為什么不使用ZigBee：ZigBee也是一種近距離低速率數(shù)據(jù)交換的可選設(shè)計(jì)，但ZigBee的傳輸速率只有250 k/s，不能滿(mǎn)足本系統(tǒng)的需求。ZigBee協(xié)議復(fù)雜、開(kāi)發(fā)難度大、周期長(zhǎng)，這進(jìn)一步限制了中小廠商的使用。

6 結(jié) 語(yǔ)

本嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該以系統(tǒng)本身的需求為中心，而不能把一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)生搬硬套到另外，一個(gè)系統(tǒng)上。另外一個(gè)優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)還要兼顧硬件、軟件、功耗、應(yīng)用環(huán)境等各種因素。

參考文獻(xiàn)

[1]STMicroelectronics STR91xF ARM9—based Microcontroller Family Reference manual.

[2]Nordic Semiconductor nRF24L01_rev_1_1 Datasheet.

[3]NordicSemiconductorDesign in with RF Circuits.

作者簡(jiǎn)介 楊 瑩 女，1981年出生，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)05級(jí)研究生，現(xiàn)在臺(tái)康資訊有限公司北京研發(fā)中心實(shí)習(xí)。研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。