李禎，陳廣飛，應(yīng)俊，喬喬

中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院　生物醫(yī)學(xué)工程研究室，北京　100853

基于RFID的無(wú)線生理參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李禎，陳廣飛，應(yīng)俊，喬喬

中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院生物醫(yī)學(xué)工程研究室，北京100853

0　前言

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信技術(shù)，以前所未有的方式改變著人類的生活[1]。與此同時(shí)，我們不僅滿足于人與人之間的通信，更希望能夠在物品與物品之間、人與物品之間，甚至人與現(xiàn)實(shí)環(huán)境之間實(shí)現(xiàn)高效的信息交互，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而生。1999年美國(guó)麻省理工學(xué)院建立了自動(dòng)識(shí)別中心，提出了網(wǎng)絡(luò)無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)射頻識(shí)別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了智能化識(shí)別管理[2]。射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）是一種通信技術(shù)，可通過(guò)無(wú)線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)各類物體或設(shè)備在不同狀態(tài)下的自動(dòng)識(shí)別和管理[3]，具有操作簡(jiǎn)便，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大，可適應(yīng)惡劣條件等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有讀寫認(rèn)證以及加密機(jī)制，保障系統(tǒng)安全。

盡管經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)演變?yōu)榛赗FI D的紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)等多種信息傳感設(shè)備，并按照約定的協(xié)議，將物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化管理的網(wǎng)絡(luò)，但是RFI D作為物聯(lián)網(wǎng)的重要載體，依然具有廣闊的應(yīng)用空間。

在臨床生理參數(shù)采集工作中，護(hù)士通常將測(cè)量后的生理參數(shù)手動(dòng)抄寫下來(lái)、再錄入到護(hù)士站系統(tǒng)中，或采用手動(dòng)輸入P D A后再將數(shù)據(jù)上傳。對(duì)于一個(gè)30張床位的病區(qū)來(lái)說(shuō)，完成1次對(duì)全體患者血壓和脈搏地采集工作需要花費(fèi)1名護(hù)士40min左右的時(shí)間，且每天重復(fù)多次。這不僅占用護(hù)理人員大量工作時(shí)間、增加運(yùn)營(yíng)成本，而且容易出現(xiàn)由于字跡模糊、抄寫錯(cuò)誤以及涂改污損造成對(duì)患者生理參數(shù)錄入錯(cuò)誤的現(xiàn)象。

本方案中的RFI D讀寫器可將患者的個(gè)人信息寫入腕帶，在每次采集生理參數(shù)之前先讀取患者ID，待采集完畢將測(cè)量結(jié)果與ID綁定，通過(guò)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至護(hù)士站。Wi-Fi模塊采用Marvell公司的88W8686芯片，支持802.11a/b/g模式，另外還可將本次測(cè)量結(jié)果以及日期等相關(guān)信息存儲(chǔ)在腕帶中，待下次測(cè)量前查看。本研究將生理參數(shù)采集工作與醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)有效結(jié)合，在簡(jiǎn)化臨床護(hù)理工作的同時(shí)也推進(jìn)了醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

1　硬件系統(tǒng)組成

本方案采用P N532芯片作為RFI D主芯片，采集標(biāo)簽中存儲(chǔ)的信息，并通過(guò)高速串口發(fā)送給處理器STM32；處理器再將標(biāo)簽信息整合，顯示于LCD屏幕，并通過(guò)SPI轉(zhuǎn)發(fā)給Wi-Fi模塊再上傳至院內(nèi)無(wú)線網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入。硬件系統(tǒng)組成，見圖1。

圖1　硬件系統(tǒng)組成

1.1微處理器

STM32系列是專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARMCortex-M3內(nèi)核。按性能分成2個(gè)不同的系列：STM32F103“增強(qiáng)型”系列和STM32F101“基本型”系列?？紤]到移植協(xié)議棧需要較大存儲(chǔ)空間，本方案采用“增強(qiáng)型”STM32F103RE內(nèi)核，它具有72MH z主頻、512kBFlash以及64kBSRAM。

1.2RFID讀寫芯片與標(biāo)簽

PN532是一款高度集成的非接觸式傳輸模塊，工作頻率在13.56MH z，內(nèi)部包含1個(gè)80C51處理器，40KbROM，以及1KbRAM。它可以兼容多種工作在13.56MHz的非接觸式通信協(xié)議，提供給物理層的調(diào)制解調(diào)模塊，并支持I2C 、SPI、HSU等3種接口[4]。

PN532傳輸模塊支持6種工作模式：讀寫器模式，支持ISO/IEC14443A/ MIFARE機(jī)制、FeliCa機(jī)制以及ISO/ IEC14443B機(jī)制；卡操作模式，支持ISO14443A/ MIFARE機(jī)制、FeliCa機(jī)制；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，支持ISO/IEC18092，ECM340。本研究選擇MIFARE讀寫器模式；標(biāo)簽選擇PHILIPS的MIFA REo neIC卡，工作頻率為13.56MH z，自帶8KbitEE PRO M存儲(chǔ)空間。

1.388W8686芯片

8W8686芯片的物理層采用一個(gè)802.11a/b/g基帶，可實(shí)現(xiàn)多種調(diào)制技術(shù)，如DSS S、OFDM、DBPSK、DQPSK、CCK和QAM等，并且可在2.4GHz和5GHz雙頻無(wú)線收發(fā)，兼容性強(qiáng)；MAC層定義了2種介質(zhì)訪問(wèn)控制方式：基本訪問(wèn)機(jī)制和集中控制訪問(wèn)機(jī)制。本方案中采用基本訪問(wèn)機(jī)制中的載波偵聽多路訪問(wèn)/沖突避免（CSMA/CA）來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線工作站點(diǎn)和接入點(diǎn)之間的媒介共享。同時(shí)，該芯片還提供了電源管理和數(shù)據(jù)加密功能。以上所有的功能模塊由其內(nèi)部自帶的ARM處理器來(lái)管理協(xié)調(diào)[5]。

1.4SD卡與SPIFlash芯片

若以點(diǎn)陣方式存儲(chǔ)漢字以實(shí)現(xiàn)顯示功能需要浪費(fèi)大量存儲(chǔ)空間。本方案采用S D卡存儲(chǔ)GBK內(nèi)碼字庫(kù)文件，上電后通過(guò)S D卡將字庫(kù)文件拷貝至SPIFlash芯片—W25X16中，于是W25X16便可作為字庫(kù)芯片供ARM來(lái)查找點(diǎn)陣信息。其原理，見圖2。

圖2　SD卡與Flash芯片接口

由于LCD占用管腳資源過(guò)多，這里采用SD卡與Flash芯片公用SPI1與ARM通信。其中SDCS與FCS兩個(gè)外設(shè)的片選信號(hào)通過(guò)不同的管腳控制以實(shí)現(xiàn)復(fù)用。

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1字庫(kù)加載

2.1.1FAT32文件系統(tǒng)

在SD卡中采用FAT32文件系統(tǒng)來(lái)管理文件，并通過(guò)該文件系統(tǒng)找到所需的字庫(kù)文件。在SD卡中，F(xiàn)AT32文件系統(tǒng)主要包含MBR、DRB、FAT文件分配表和數(shù)據(jù)區(qū)。

其中MBR為主引導(dǎo)記錄區(qū)，該區(qū)域位于SD卡的扇區(qū)0，存儲(chǔ)SD卡分區(qū)表，其中包含了DBR的位置信息；DBR為操作系統(tǒng)引導(dǎo)記錄區(qū)，包括每個(gè)簇的扇區(qū)數(shù)，每個(gè)扇區(qū)的字節(jié)數(shù)以及FAT表份數(shù)等重要信息；FAT文件分派表描述簇的分配狀態(tài)，標(biāo)明文件或目錄的下一簇簇號(hào)；數(shù)據(jù)區(qū)分為根文件目錄表和真正的用戶數(shù)據(jù)，根文件目錄表中記錄用戶文件的文件名、屬性、創(chuàng)建和訪問(wèn)時(shí)間以及文件起始簇號(hào)等[6]。

通過(guò)以上描述可知，若要訪問(wèn)字庫(kù)文件就要在該文件的目錄項(xiàng)中找到文件的起始簇號(hào)，然后在F A T文件分配表中找到該簇的下一簇，依次讀取簇便可將字庫(kù)文件讀取出來(lái)。FAT32文件系統(tǒng)在S D卡中存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖3　存儲(chǔ)器分區(qū)結(jié)構(gòu)圖

2.1.2字庫(kù)更新

將制作好的字庫(kù)文件放入SD卡中，ARM初始化FAT32文件系統(tǒng)后，首先找到存放字庫(kù)文件的文件夾，根據(jù)返回的簇號(hào)查找字體文件；然后將字體文件打開后讀取第一扇區(qū)的512字節(jié)；最后通過(guò)SPI口將讀取的512字節(jié)信息寫入W25X 16中。循環(huán)讀取寫入的過(guò)程就完成了字庫(kù)文件的復(fù)制，成功后返回0，并在屏幕輸出Font Update Successed（字體更新成功）信息。

2.2PN532驅(qū)動(dòng)

2.2.1硬件接口驅(qū)動(dòng)

本方案中，控制器與RFI D讀寫芯片（下稱PN532）通過(guò)串口通信，并通過(guò)PN532的IRQ管腳產(chǎn)生喚醒信號(hào)。具體連接方式，見圖4。

圖4　RFID與控制器硬件接口

這里采用8bit數(shù)據(jù)位、無(wú)校驗(yàn)，1bit停止位、波特率為115200，數(shù)據(jù)傳輸方式為L(zhǎng)SB在前。當(dāng)控制器向PN532發(fā)送了初始化指令且并沒(méi)有檢測(cè)到外部無(wú)線電場(chǎng)時(shí)，PN532將進(jìn)入休眠模式。此時(shí)，若控制器也進(jìn)入休眠模式且PN532又被外部無(wú)線電場(chǎng)激活，則需要通過(guò)P70_IRQ管腳產(chǎn)生的喚醒信號(hào)，通知控制器從休眠模式中被喚醒，并隨后發(fā)送響應(yīng)信息。

2.2.2PN532初始化

PN532在工作過(guò)程中存在6種不同的操作模式，在這些模式下，芯片完成的具體操作不同，所需要的功耗也不同，其內(nèi)部的Firmware可以根據(jù)接收到的控制命令自動(dòng)調(diào)整芯片的操作模式，以實(shí)現(xiàn)在不同功耗需求之間的調(diào)度。在芯片初始化過(guò)程中使用到的工作模式為低電壓模式與正常模式。

當(dāng)PN532上電或重啟之后首先進(jìn)入低電壓模式。此時(shí)芯片在系統(tǒng)功能上處于軟件掉電模式，功耗僅為20μA，且P70_IRQ端口不能產(chǎn)生中斷信號(hào)。若要改變操作模式需要滿足3個(gè)條件：首先要滿足與控制器接口電壓PVDD3V；其次，控制器需通過(guò)串口發(fā)送頭部為“55550000000000FF”的喚醒指令，喚醒成功后，控制器需要發(fā)送指令“1401”使P N532進(jìn)入正常模式。其具體工作流程[7]，見圖5。

2.2.3命令收發(fā)

PN532通過(guò)HSU_RX端口接收控制器發(fā)送來(lái)的命令，通過(guò)HSU_TX端口確認(rèn)以及響應(yīng)并返回給控制器。正常的通信流程，見圖6。

圖5　PN532初始化流程

圖6　命令交互順序

控制器通過(guò)向P N532發(fā)送命令并接收返回信息來(lái)實(shí)現(xiàn)喚醒、掃描、標(biāo)簽認(rèn)證、讀寫以及停止等一系列功能。這些命令與返回信息組成基本數(shù)據(jù)庫(kù)幀在控制器與P N532之間傳輸。其數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)[8]，見圖7。

圖7　數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

2.3工作流程

由于在本方案中P N532工作在MIFARE讀寫器模式，下面以一個(gè)完整的MIFARE讀寫流程來(lái)總結(jié)以上各項(xiàng)敘述。

（1）首先控制器發(fā)送以“55550000…”為開頭的初始化指令將芯片初始化。

（2）等待初始化成功后，設(shè)置掃面模式，搜索當(dāng)前環(huán)境中的RFID標(biāo)簽。在本方案中同一時(shí)間只掃描1個(gè)標(biāo)簽。

（3）掃描成功后，PN532返回標(biāo)簽ID，利用這個(gè)ID加上密鑰組成認(rèn)證指令，對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行身份驗(yàn)證。

（4）驗(yàn)證成功后， PN532與標(biāo)簽之間的連接便建立起來(lái)，就可通過(guò)發(fā)送讀命令或?qū)懨顏?lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的讀寫。具體工作流程[9]，見圖8。

3　結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，本系統(tǒng)可以迅速完成標(biāo)簽檢測(cè)、讀取以及顯示等功能。同時(shí)與Wi-Fi模塊相連接，可將標(biāo)簽內(nèi)的信息發(fā)送至局域網(wǎng)乃至互聯(lián)網(wǎng)。這使得物聯(lián)網(wǎng)采集信息以及接入Internet變得更加方便。

圖8　RFID通信流程

在醫(yī)院內(nèi)部物聯(lián)網(wǎng)中，本方案結(jié)合體溫、脈搏、血壓等采集模塊用于患者生理參數(shù)采集終端設(shè)備，能夠自動(dòng)完成日常的生理參數(shù)采集、記錄、上傳等工作，提高了護(hù)理人員的工作效率。另外，在家庭醫(yī)療系統(tǒng)中，RFI D技術(shù)已經(jīng)成為未來(lái)開發(fā)的重點(diǎn)。為了應(yīng)對(duì)人口老齡化，未來(lái)的醫(yī)療系統(tǒng)可能會(huì)采用家庭監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)防，如記錄老人服藥時(shí)間和次數(shù)，或監(jiān)測(cè)老人是否摔倒，若出現(xiàn)危險(xiǎn)情況可通過(guò)Wi-Fi模塊或GSM/GPRS模塊給老人的家屬發(fā)送信息[10]。

RFID是物聯(lián)網(wǎng)概念中的一個(gè)重要載體，而Wi-F i技術(shù)具有普及性、標(biāo)準(zhǔn)化程度高，以及便于安裝、管理等一系列優(yōu)點(diǎn)。這兩種關(guān)鍵技術(shù)的融合，讓醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)與I n ter net的融合變得簡(jiǎn)單，能夠更好地發(fā)揮其自身的巨大優(yōu)勢(shì)。

[參考文獻(xiàn)]

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[9] NXP Semiconductors.PN532User Manual[EB/OL].(2007-11-15)[2012-08-29].http://www.cn.nxp.com.

[10] 羅旋,盧錦.物聯(lián)網(wǎng)在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備, 2012,27(5):52-54.

作者郵箱：lizhen_301@163.com

[中圖分類號(hào)]R319

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2014.02.010

[文章編號(hào)]1674-1633(2014)02-0040-04

收稿日期：2013-10-16修回日期：2013-11-23

基金項(xiàng)目：解放軍醫(yī)學(xué)院科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2012FC-TSYS-4009）。

Design and Implementation of RFID-based Wireless Physiological Parameter Collection Node

LI Zhen, CHEN Guang-fei,YING Jun, QIAO Qiao
Research Roomof Biomedical Engineering, General Hospital of PLA, Beijing 100853, China

[摘要]目的設(shè)計(jì)一種低功耗物聯(lián)網(wǎng)射頻識(shí)別（RFI D）接入方案實(shí)現(xiàn)生理參數(shù)與醫(yī)院信息系統(tǒng)（HIS）融合。方法采用低功耗ARM作為主控芯片、驅(qū)動(dòng)P N532芯片作為RFI D讀寫芯片來(lái)讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)，再通過(guò)查找S D卡中的漢字庫(kù)，將患者的信息顯示于L CD液晶屏上，最后通過(guò)Wi-F i模塊將所有數(shù)據(jù)傳至護(hù)士站 。結(jié)果經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)可準(zhǔn)確采集腕帶中的患者信息，并清晰顯示于L CD屏幕上，數(shù)據(jù)經(jīng)綁定后快速連接Wi-F i網(wǎng)絡(luò)。結(jié)論本系統(tǒng)具有準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定以及低功耗等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案中，具有廣闊的發(fā)展空間。

[關(guān)鍵詞]射頻識(shí)別技術(shù)；物聯(lián)網(wǎng)；紅外感應(yīng)器；Wi-F i網(wǎng)絡(luò)

Abstract：ObjectiveTo realize integration between physiological parameters of patients and HIS by designing a RFID-based low-power solution accessing to TOI (Things of Internet).MethodsAfter reading the target information by low-power ARM(master chip) and drive PN532chip (RFID reader and writer chip), the patients information would be displayed on the LCD screen through searching Chinese font in SD. Then all data was uploaded to nurse station by Wi-Fi module.ResultsThe test result showed that this systemcan capture patients information accurately fromwristbands, and display it clearly on LCD screen. Then these bound data was quickly connected to Wi-Fi.ConclusionThis systemhas advantages of fast, accurate, stable and low-power which is very suitable for sensor node and will enjoy wide development space in the future.

Key words：radio frequency identif i cation technology; things of Internet; infrared sensors; Wi-Fi Internet