東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院 尤 明 高 飛 高 鵬

1.引言

為了降低醫(yī)療護(hù)理領(lǐng)域的投入，提高醫(yī)療監(jiān)護(hù)的質(zhì)量，方便慢性病患者、手術(shù)后的病人、老年人、孕婦、嬰幼兒等其他需要接受長期的醫(yī)療監(jiān)護(hù)的特殊群體，需要在醫(yī)療監(jiān)護(hù)中引入新的監(jiān)護(hù)模式。穿戴式生理檢測技術(shù)克服了傳統(tǒng)有線醫(yī)療檢測技術(shù)的局限，具有體積小、重量輕、成本低、佩戴方便等特點。

本系統(tǒng)采用基于ANT協(xié)議的無線通信技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)基本通信架構(gòu)。ANT協(xié)議簡單、成本低廉、應(yīng)用方便，它采用超低功耗設(shè)計，具有靈活性、可靠性等特點。其典型應(yīng)用場景包括傳感器網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等，并且在健康、運動、醫(yī)療領(lǐng)域取得了巨大的成功。本系統(tǒng)可實現(xiàn)對個人健康進(jìn)行一些評估診斷和監(jiān)控，主要用于家庭小區(qū)、養(yǎng)老院等社區(qū)內(nèi)的病人、老年人的醫(yī)療監(jiān)護(hù)，也可用于井下礦工的生理數(shù)據(jù)采集與監(jiān)護(hù)。

2.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 系統(tǒng)的硬件組成

系統(tǒng)由傳感器節(jié)點、路由節(jié)點、基站以及醫(yī)療中心服務(wù)器組成。其中傳感器節(jié)點和路由節(jié)點穿戴在使用者得身上，基站置于家庭小區(qū)、養(yǎng)老院等社區(qū)內(nèi)。節(jié)點和基站都有一個基于ANT協(xié)議的無線收發(fā)模塊，通過無線數(shù)據(jù)的收發(fā)，實現(xiàn)一個小型的無線智能網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)的工作流程為：節(jié)點中的MCU通過串口對無線收發(fā)模塊進(jìn)行信道參數(shù)配置，所有節(jié)點在空中實現(xiàn)配對，之后通過空中接口完成數(shù)據(jù)信息包的發(fā)送與接收，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。圖1為系統(tǒng)總體框架。

2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了保證了節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕鰪?qiáng)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性，并降低了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度和成本，系統(tǒng)采用混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。路由節(jié)點和傳感器節(jié)點距離很近，可以直接通信，所以路由節(jié)點和傳感器節(jié)點采用簡單的星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。路由節(jié)點和基站直接的距離較遠(yuǎn)，可能會超過ANT協(xié)議支持的通信距離，為了保證數(shù)據(jù)的正常傳輸，可能需要采用多跳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式。所以路由節(jié)點和基站采用復(fù)雜的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.3 系統(tǒng)節(jié)點地址分配

醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，考慮對每個節(jié)點編排唯一的地址以便于區(qū)分，方便根據(jù)節(jié)點地址判斷節(jié)點的分布及類型等，對節(jié)點地址劃分字段并分別賦予一定的含義。本課題中，為每個節(jié)點分配了一個2字節(jié)的地址。地址分配方式如下：

圖1 基于ANT協(xié)議穿戴式醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)框架

表1 系統(tǒng)節(jié)點地址分配

“用戶號”用于區(qū)分不同的用戶。對于同一個用戶來說，所有節(jié)點的用戶號都是相同的。為“用戶號”分配12bit?！霸O(shè)備號”用于區(qū)分節(jié)點的類型，對于所有相同功能節(jié)點來說，它們的設(shè)備號都是相同的。例如將分類號0用于路由節(jié)點，1用于采集體溫的傳感器節(jié)點等，2用于采集脈搏的傳感器節(jié)點等。用戶號、設(shè)備號為全l（即節(jié)點地址為全1）的地址保留作為新設(shè)備的入網(wǎng)初始地址。而用戶號、設(shè)備號為全0（即節(jié)點地址為全0）的地址保留給設(shè)備地址查詢時使用。

2.4 系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)包格式

①幀頭：固定為0xA4。

②目的地址：它表示了本數(shù)據(jù)包的最終目標(biāo)節(jié)點。接收節(jié)點根據(jù)此判斷該數(shù)據(jù)包的流向。

③源地址：它表示了本數(shù)據(jù)包的來源節(jié)點。接收節(jié)點根據(jù)此判斷該數(shù)據(jù)包的來源。

圖2 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

圖3 路由節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

表2 系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

圖4 基站結(jié)構(gòu)框圖

圖5 系統(tǒng)初始化程序流程圖

圖6 ANT協(xié)議通信流程圖

④數(shù)據(jù)包長度指示：它表示了整個數(shù)據(jù)包的長度，最大允許長度設(shè)定。

⑤消息ID：表明消息的類型和消息的來源。

⑥用戶數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)0～數(shù)據(jù)7。

⑦校驗和字段為數(shù)據(jù)幀中自幀頭開始直至用戶數(shù)據(jù)的所有字節(jié)的異或和。

表2為數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于ANT協(xié)議的穿戴式醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)硬件部分分為傳感器節(jié)點、路由節(jié)點、基站三個部分。傳感器節(jié)點負(fù)責(zé)對使用者的體溫、脈搏等生理數(shù)據(jù)進(jìn)行測量并發(fā)送給路由節(jié)點。路由節(jié)點建立簡單星型ANT網(wǎng)絡(luò)，并接收從各個傳感器節(jié)點傳輸過來的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)打包之后發(fā)送給基站，同時也負(fù)責(zé)接收基站發(fā)送過來的指令?；窘⒕W(wǎng)狀A(yù)NT網(wǎng)絡(luò)，并負(fù)責(zé)接收路由節(jié)點發(fā)送來的生理數(shù)據(jù)，初步處理并后發(fā)送至醫(yī)療中心服務(wù)器。

圖7 醫(yī)療中心服務(wù)器軟件結(jié)構(gòu)框圖

3.1 傳感器節(jié)點：由生命體征傳感器、微控制器、ANT射頻模塊構(gòu)成。微控制器選用STC系列的STC11L08單片機(jī)，用于節(jié)點設(shè)備的控制、任務(wù)調(diào)度以及功能協(xié)調(diào)。無線收發(fā)模塊則選用nRF24AP2，用于節(jié)點間的數(shù)據(jù)收發(fā)，nRF24AP2與MCU之間通過異步串口方式實現(xiàn)通信，其工作電壓為3V，由CR2032鋰離子電池提供。

nRF24AP2包含異步串行接口UART、時鐘模塊、ANT協(xié)議機(jī)和1Mb/s的射頻收發(fā)信機(jī)等4個模塊。nRF24AP2可通過簡單的同步或異步串口實現(xiàn)與外部主機(jī)的通信，也可將nRF24AP2看作一個黑盒的無線解決方案，無需深入理解物理層和協(xié)議，僅需通過串口配置信道參數(shù)，就可發(fā)送或接收數(shù)據(jù)消息。nRF24AP2執(zhí)行配置任務(wù)，并通過空中接口完成與其他設(shè)備間的消息包的發(fā)送與接收。圖2為傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖。

3.2 路由節(jié)點：由聲光報警電路、微控制器、ANT射頻模塊構(gòu)成。微控制器選用自帶EEPROM的STC11L08XE單片機(jī)，無線收發(fā)模塊則選用具有八通道的nRF24AP2-8CH，圖3為路由節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖。

3.3 基站：由按鍵輸入和液晶顯示電路、微控制器、ANT射頻模塊、GPRS模塊構(gòu)成。微控制器選用高速雙串口的STC12C5A60S2單片機(jī)，無線收發(fā)模塊則選用具有八通道的nRF24AP2-8CH，GPRS單元選用SIMCOM公司的SIM300模塊，液晶顯示采用LCD12864，按鍵采用獨立輸入方式。圖4為基站的結(jié)構(gòu)框圖。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)在初始化過程中主要完成以下任務(wù)：

①根據(jù)硬件連接設(shè)置單片機(jī)各I/O端口為所需的輸入輸出狀態(tài)。

②使能單片機(jī)各的外部中斷0并設(shè)置為下降沿觸發(fā)方式。

③使能單片機(jī)串口并設(shè)置為異步工作模式，設(shè)置波特率為9600kbps。

④利用單片機(jī)的I/O端口設(shè)置nRF24AP2的工作模式。

圖5為系統(tǒng)初始化程序流程圖。

4.2 ANT協(xié)議通信流程

nRF24AP2芯片內(nèi)部集成了ANT協(xié)議機(jī)，簡化了通信過程中MCU的控制負(fù)擔(dān)。在ANT節(jié)點實現(xiàn)通信之前，必須對信道參數(shù)進(jìn)行配置，這些參數(shù)包括網(wǎng)絡(luò)號、射頻頻率、信道ID(生產(chǎn)商ID/設(shè)備類型/設(shè)備號)、信道類型和信道周期。MCU通過串口對信道參數(shù)進(jìn)行配置，配置及通信過程以及如圖6所示。

4.3 服務(wù)器用戶程序

醫(yī)療中心服務(wù)器負(fù)責(zé)將基站發(fā)送來的生理數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析、處理以及動態(tài)顯示。服務(wù)器會將最新采集到的病人的生理參數(shù)信息與其以往的生理數(shù)據(jù)以及正常的生理數(shù)據(jù)做對比。根據(jù)數(shù)據(jù)的分析處理結(jié)果，命令基站進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。此外，采集到的生理數(shù)據(jù)信息往往會因為受到干擾而變得不準(zhǔn)確，所以編寫相應(yīng)的算法程序以排除干擾準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù)。以心率測量為例，由于傳感器輸出信號存在較大的噪聲干擾（如呼吸對心跳信號的干擾），則基于心跳信號的頻率為1-2Hz呼吸信號為0.3Hz左右的事實，在中心服務(wù)器上設(shè)計相應(yīng)的濾波算法處理心跳加速度數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)精確心率檢測。軟件結(jié)構(gòu)框圖見圖7。

5.結(jié)語

本設(shè)計利用nRF24AP2自帶的無線收發(fā)引擎，基本實現(xiàn)了穿戴式的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計。經(jīng)過對硬件程序的測試，可實現(xiàn)傳感器節(jié)點、路由節(jié)點、基站的在超低功耗下的數(shù)據(jù)采集、無線組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)认鄳?yīng)功能。不過在整個設(shè)計研究過程中有些技術(shù)還有待提高，如表面貼片封裝天線的設(shè)計，如何進(jìn)一步減少節(jié)點體積和功耗并提高無線傳輸效率的。這些問題只有在以后的工作中，不斷學(xué)習(xí)、總結(jié)經(jīng)驗，才能將系統(tǒng)更完善。

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