王 巍

（平頂山學(xué)院，平頂山467000）

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用研究

王 巍

（平頂山學(xué)院，平頂山467000）

遠(yuǎn)程血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要利用傳感器、Zigbee等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)使用無創(chuàng)式血糖值傳感器采集血糖數(shù)據(jù)，通過CC2430完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，通過Zigbee技術(shù)完成無線數(shù)據(jù)的傳輸，最終將數(shù)據(jù)顯示在智能終端，并通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)结t(yī)院或親屬的智能終端設(shè)備上，完成對(duì)病人或親屬血糖的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)功能。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)患者實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程、互聯(lián)的信息化管理，讓醫(yī)院、患者、家屬在院內(nèi)院外全天候無縫對(duì)接。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；血糖監(jiān)測(cè)；傳感器；Zigbee技術(shù)；互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

1 引言

糖尿病是人們熟悉的慢性病之一，根據(jù)“IDF全球糖尿病概覽”，至2035年糖尿病患者的數(shù)量將達(dá)到1.43億。隨著糖尿病發(fā)病率的逐年增加，有效控制糖尿病已引起廣泛重視，糖尿病的病情監(jiān)測(cè)是糖尿病防治的一個(gè)非常重要環(huán)節(jié)[1]。如果患者都在醫(yī)院進(jìn)行檢測(cè)，這將會(huì)給資源緊張的醫(yī)院帶來沉重壓力，這就促使了遠(yuǎn)程血糖檢測(cè)系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為醫(yī)療器械智能化提供了新的解決方案。論文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程智能血糖監(jiān)控系統(tǒng)采用LPC2220作為主控制器，外部配備有液晶顯示器，簡(jiǎn)單易用的鍵盤輸入模塊，可調(diào)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，語音提示模塊為患者和血糖儀之間搭建了友好橋梁；而Zigbee無線傳輸模塊可將存儲(chǔ)在FLASH里的血糖數(shù)據(jù)定期上傳到PC機(jī)或手機(jī)端上，為進(jìn)一步分析做準(zhǔn)備。同時(shí)，本系統(tǒng)將專家系統(tǒng)和知識(shí)庫系統(tǒng)固化在系統(tǒng)中，用戶可以根據(jù)測(cè)出的血糖值所處的范圍，得到專家系統(tǒng)的健康提示。

2 血糖檢測(cè)系統(tǒng)硬件主要功能模塊設(shè)計(jì)

血糖檢測(cè)系統(tǒng)是以電生物化學(xué)原理（施加一定電壓于經(jīng)酶反應(yīng)后的血液產(chǎn)生的電流會(huì)隨血液中血糖濃度的增加而增加）為依據(jù)，用處理器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，用Flash對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，用電子液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)的一種儀器設(shè)備。該系統(tǒng)的硬件功能模塊包括LPC2220、時(shí)鐘模塊、調(diào)試模塊、液晶顯示器、輸入輸出模塊、傳感器模塊、Zigbee無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)萚2]。該血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)的原理圖如圖1所示。

血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心器控制件采用NXP公司的LPC2220作為主控制器，它是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入跟蹤的32/16位ARM7TDMI-S內(nèi)核的微處理器，相比其他以單片機(jī)為核心的血糖監(jiān)測(cè)儀具有功耗低、擴(kuò)展性良好和處理冗余的優(yōu)勢(shì)。LPC2220資源非常豐富:64KB片內(nèi)靜態(tài)RAM、2個(gè)可編程SPI接口、2個(gè)32位可編程定時(shí)器、8路10位AD轉(zhuǎn)換器、PWM模塊、空閑和掉電兩個(gè)低功耗模式以及多達(dá)9個(gè)外部中斷管腳、多達(dá)76個(gè)通用I/O口等，可實(shí)現(xiàn)最大75MHz的CPU操作頻率等。LPC2220支持雙電源操作，CPU操作電壓范圍：1.65-1.95V，I/O操作電壓范圍：3.0-3.6V，工作電流在1.8V/+25℃時(shí)50mA左右，當(dāng)處于掉電模式，1.8V/+25℃時(shí)，工作電流為 10uA[3]。

圖1 硬件實(shí)現(xiàn)原理圖

2.1 處理器模塊

主控制器LPC2220具備外部存儲(chǔ)器接口，該系統(tǒng)將外部存儲(chǔ)器控制（EMC）擴(kuò)展為4個(gè)memory bank的存儲(chǔ)器組（Bank0～Bank3），每個(gè)存儲(chǔ)器組的存儲(chǔ)空間大小為16M字節(jié)，總線寬度采用16位設(shè)置，因?yàn)槭褂?6位總線寬度的存儲(chǔ)器具有較高的性價(jià)比[4]。

由于LPC2220芯片內(nèi)部不含F(xiàn)LASH，所以系統(tǒng)將外部存儲(chǔ)器接口擴(kuò)展一片1M×16bit FLASH用來存儲(chǔ)程序代碼和字庫，擴(kuò)展4M×16bit SRAM用做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以上構(gòu)成處理器模塊的存儲(chǔ)器系統(tǒng)。

在血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，將存儲(chǔ)器組配置成16位總線寬度，因此不需要使用地址線A0，如圖2所示。其中，“a_b”表示地址總線的最高位地址線，“a_m”表示存儲(chǔ)器芯片的最高位地址線[5]。倘若存儲(chǔ)器組配置成32位寬度，則地址線A0和A1無用；若配置成8位寬度，則需要使用最低位地址線A0。

圖2 存儲(chǔ)器組設(shè)計(jì)圖

由于應(yīng)用程序代碼需要固化在FLASH中，而LPC2220的引導(dǎo)存儲(chǔ)體是由CS0片選信號(hào)決定的。所以，在血糖儀中，LPC2220的CS0與CS1通過一個(gè)跳線器可以分別和FLASH或SRAM相連接。調(diào)試時(shí)，通常將CS0與SRAM的片選引腳相連，應(yīng)用程序代碼下載到SRAM中運(yùn)行調(diào)試，但掉電即失。調(diào)試成功后，需要將CS0切換到與FLASH的片選引腳相連，這樣固化在FLASH中的應(yīng)用程序就可以正常啟動(dòng)。

2.2 輸出顯示設(shè)備

本系統(tǒng)的輸出顯示設(shè)備采用以ST7529為控制器的32級(jí)灰度點(diǎn)陣STN型液晶顯示器，如圖3所示。它的最大分辨率為255×160點(diǎn)陣，每一個(gè)點(diǎn)陣占用5bit數(shù)據(jù)。將微處理器LPC2220與STN7529連接，A1是數(shù)據(jù)/指令選擇信號(hào)，CS3是片選信號(hào),所以命令操作地址為0x83000000,數(shù)據(jù)操作地址為0x83000002[6]。由于微處理器LPC2220芯片與STN-7529的管腳電平相兼容，供電電平都是3.3V，所以，兩者相連接時(shí)無需電平轉(zhuǎn)換芯片即可保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，采用16位總線方式。

由于在液晶內(nèi)部，存在電壓轉(zhuǎn)換電路、電壓調(diào)整電路和電壓跟隨電路，所以需要將外部的供電電壓3.3V作為基準(zhǔn)電壓，采用5倍壓的方式提供給液晶內(nèi)部的這三種電路。

圖3 輸出設(shè)備原理圖

2.3 按鍵輸入設(shè)備

考慮到操作血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的易操作性，鍵盤輸入電路只有5個(gè)按鍵，分別定義為“上”、“下”、“左”、“右”和“確定/返回”五項(xiàng)功能。為了節(jié)約LPC2220外部中斷管腳，系統(tǒng)使用5個(gè)按鍵和1個(gè)與門芯片，實(shí)現(xiàn)Y=A&B&C&D&E邏輯，只要輸出口Y連接在LPC2220外部中斷接口上，其他5個(gè)按鍵只需要一般的I/O口即可。系統(tǒng)運(yùn)行中只要有任何一個(gè)按鍵按下就可以向CPU發(fā)送中斷信號(hào)，中斷服務(wù)程序只需判斷是哪一個(gè)按鍵按下即可。系統(tǒng)設(shè)置中斷為邊沿觸發(fā)方式。系統(tǒng)中，鍵盤中斷入口為L(zhǎng)PC2220的EINT3。

2.4 Zigbee無線通信模塊

Zigbee模塊的主要功能是將存儲(chǔ)在FLASH中監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過無線信號(hào)傳輸?shù)綉?yīng)用終端軟件中。Zigbee模塊選用CC2530F256作為控制器，用戶可通過串口指令軟件修改，2405MHz～2480MHz,步進(jìn)5M，共16個(gè)信道，占用LPC2220外部存儲(chǔ)模組的Bank2，其數(shù)據(jù)地址為0x82000000，命令地址為0x82000001。

3 硬件功耗設(shè)計(jì)

因血糖監(jiān)測(cè)需要隨時(shí)隨地進(jìn)行，在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)如果能降低硬件功耗，將會(huì)大大提升血糖監(jiān)測(cè)的使用效率。硬件設(shè)計(jì)降低功耗主要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行，選擇合適的集成電路器件，設(shè)計(jì)合理的電源管理方案和集成電路板。

3.1 集成電路器件選擇

由于器件功率與工作電壓的平方成正比，所以降低功耗最直接的方法就是降低芯片的工作電壓。CMOS電路具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)能力大的優(yōu)點(diǎn)，所以該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能選擇低電壓、低功耗的CMOS器件[7]。

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，CPU頻繁操作的就是存儲(chǔ)器、液晶顯示器兩大部件，因此選擇合適的存儲(chǔ)器芯片和液晶驅(qū)動(dòng)芯片也是降低功耗的主要途徑之一。LPC2220的供電電壓是3.3V，而系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的內(nèi)核供電只需1.8V即可。SST39VF1601本身就是一個(gè)CMOS多功能FLASH器件，而且工作電壓范圍為2.7～3.6V，IS61LV25616AL也是一個(gè)高速同步CMOS靜態(tài)RAM器件，工作電壓為3.3V。

液晶顯示器內(nèi)部需要倍壓供給不同的模塊，但是也是3.3V的供電電壓，升壓模塊在液晶驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，這樣也能在一定程度上減少系統(tǒng)元器件的數(shù)量，降低功耗。

3.2 電源管理的設(shè)計(jì)

LPC2220微控制器需要使用兩組電源，I/O供電電源為3.3V，內(nèi)核及片內(nèi)外設(shè)供電電源均為1.8V，系統(tǒng)其他外圍設(shè)備的芯片從節(jié)約功耗的角度考慮都選用了3.3V供電芯片，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)為3.3V應(yīng)用系統(tǒng)[8]。系統(tǒng)脫機(jī)運(yùn)行時(shí)，通常采用電池供電。從工作電壓范圍、電流消耗、重量及尺寸等方面考慮，系統(tǒng)選擇鋰金屬電池供電。

系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，通過特制轉(zhuǎn)接頭，可接5V開關(guān)電源，系統(tǒng)通過兩個(gè)LDO芯片（SPX1117-1.8和SPX1117-3.3）將 5V電壓轉(zhuǎn)換成 3.3V和 1.8V。SPX1117系列的LDO芯片輸出電流可達(dá)800mA，輸出電壓的精度在1%以內(nèi)，還具有電流限制和熱保護(hù)功能。與軟件相結(jié)合，采用動(dòng)態(tài)供電的方式也是降低功耗的有效途徑。對(duì)于不是一直處于工作狀態(tài)的功能模塊，只要根據(jù)其工作時(shí)段提供工作電壓就可以節(jié)省功耗。同時(shí)，對(duì)于可編程器件，可由軟件操作控制器件進(jìn)入空閑或掉電等低功耗模式來降低系統(tǒng)功耗。

4 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，首先啟動(dòng)代碼將根據(jù)目標(biāo)板上外部存儲(chǔ)模塊的配置情況，初始化外部總線控制器，這部分任務(wù)主要由Startup.S中的ResetInit代碼段完成。由于系統(tǒng)主要使用C語言進(jìn)行開發(fā)和移植，因此，在使用C代碼之前，必須分配堆棧。然后，系統(tǒng)初始化存儲(chǔ)器重映射方式，初始化系統(tǒng)的PLL時(shí)鐘寄存器，使能中斷向量控制器（VIC），初始化所有的中斷為IRQ類型。最后，系統(tǒng)進(jìn)入main函數(shù)，即血糖儀主應(yīng)用程序。

當(dāng)血糖儀加電后，進(jìn)入主界面，用戶可以通過鍵盤自由選擇測(cè)量血糖的模式。如果在設(shè)定時(shí)間內(nèi)沒有用戶輸入，那么系統(tǒng)將進(jìn)入掉電模式以節(jié)省功耗，系統(tǒng)主程序運(yùn)行流程圖如圖4所示。

5 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)系統(tǒng)的功能和性能進(jìn)行測(cè)試。在ADS中對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行編譯，編譯成功后生成二進(jìn)制文件，然后將該文件燒入到系統(tǒng)NOR FLASH中，啟動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)啟動(dòng)后，出現(xiàn)運(yùn)行速度過緩的問題。經(jīng)查找原因，發(fā)現(xiàn)是地址重映射寄存器 MEMMAP被設(shè)置為 0x3，PC指針從0x00000000中取數(shù)就等于從0x80000000中取數(shù)，而NOR FLASH的讀寫速度本身就很慢，所以造成 了系統(tǒng)運(yùn)行緩慢。

圖4 程序運(yùn)行流程圖

經(jīng)過改進(jìn)，將NOR FLASH中的程序代碼搬移到系統(tǒng)的外部SRAM中運(yùn)行，這樣就大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度。首先編寫系統(tǒng)啟動(dòng)代碼bootloader，并將bootloader燒寫到NOR FLASH的起始位置；然后保持系統(tǒng)的應(yīng)用程序代碼存儲(chǔ)在NOR FLASH中，bootloader之后；bootloader的任務(wù)就是拷貝應(yīng)用程序代碼至SRAM中，然后PC指針跳轉(zhuǎn)到SRAM中應(yīng)用程序代碼的起始位置開始執(zhí)行。這樣就避免了應(yīng)用程序在NOR FLASH中運(yùn)行帶來的速度過緩問題。

6 結(jié)束語

論文主要介紹遠(yuǎn)程血糖監(jiān)控系統(tǒng)在軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)的若干關(guān)鍵技術(shù)。首先介紹了該系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)時(shí)處理器、輸出顯示設(shè)備、輸入顯示設(shè)備、Zigbee無線通信模塊的設(shè)計(jì)方式和功耗控制。然后分析系統(tǒng)的軟件開發(fā)流程，給出軟件降低系統(tǒng)功耗的方法。通過測(cè)試，找到了系統(tǒng)運(yùn)行速度較慢的原因，通過調(diào)整軟件代碼的位置提高了系統(tǒng)運(yùn)行速率。該方案嵌入了專家系統(tǒng)，能夠?yàn)榛颊咛峁┯押玫模诵曰脑\斷服務(wù)，操作簡(jiǎn)便，功耗低，可移植性好，滿足了遠(yuǎn)程監(jiān)控需求。

[1] 閆慧文.無線便攜式血糖儀的研制[D].沈陽：中國(guó)科學(xué)院研究生院，2014.Yan Huiwen,Research on Wireless Portable Blood Glucose Meter[D].Shenyang University of Chinese Academy of Sciences 2014.

[2] 劉琦.排爆機(jī)器人無線數(shù)據(jù)通信與監(jiān)控平臺(tái)的研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.LiuQi，Study on the wireless communication and monitor platform of the explosive or dnance disposal robot[D].Shanghai Shanghai Jiao Tong University 2008.

[3] 馮利軍.基于ARM和C8051F206的PPLN電光濾波器控制系統(tǒng)[D].天津：天津大學(xué)，2007.Feng Lijun.The PPLN Photovoltaic Filter Control System Based on ARM and C8051F206[D].Tianjin:Tianjin University,2007.

[4] 羅三強(qiáng),郁建平.基于ARM7TDMI-S的交流電動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2005(2):81-84.LUO san-qiang,YU jian-ping.Design of AC Motor Remote Control System Base on ARM7TDMI-S[J],Jiangsu Machine Building&Automation,2005(2):81-84.

[5] 溫昕煜.基于EM200的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué),2010.WEN Xi-yu,Design of the Wireless Data Transmission System Based on EM200[D].XiAn:Xidian University,2010.

[6] 張愛雪,顧惠芬,方勇.基于ARM7嵌入式系統(tǒng)中GUI的設(shè)計(jì)研究[J].儀表技術(shù),2006(2):7-9.ZHANG A i-xue,GU H ui-fen,FANG Yong.Design and Research of the Embedded GUI Based on ARM 7[J].Instrumentation Technology,2006(2):7-9.

[7] 邱憲波,袁景淇,唐日泉.智能儀器低功耗設(shè)計(jì)在便攜式血糖儀中的應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)療器械雜志,2004(3):176-179.QIU Xian-bo;YUAN Jing-qi.APPlieations of Intelligent Instruments with Low Power-ConsumPtion Techniques in Portable Blood Glucose Meters[J].Chinese Journal of Medical Instrumentation,2004(3):176-179.

[8] 丁磊.基于ARM的嵌入式人體健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2006.Dinglei.The Design of the embedded system based on arm for monitoring humn healh [D].Lanzhou:Lanzhou University,2006.

Application Research of Remote Blood Glucose Monitoring System Based on Internet of Things

Wang Wei
（Pingdingshan University，Pingdingshan 467000，China）

The remote blood glucose monitoring system uses Internet of things technology such as sensor and Zigbee implements，and uses noninvasive blood glucose values sensor for glucose data，the CC2430 for Digital-to-Analogue Conversion and the Zigbee technology for wireless data transmission，finally displays the data in the intelligent terminal.Then the data are transmitted by Internet to the intelligent terminal equipment of the hospital or relatives to complete function of blood glucose remote monitoring for the patients or the relatives.The system will implement remote management in realtime，remote and interconnection for patients and achieve all-weather seamless connecting between the hospital，the patients and the families.

Internet Technology；Remote monitoring；Blood glucose monitoring；Sensor；Zigbee technology；Internet technology

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.03.015

TP368

A

1002-2279-（2017）03-0071-04

王?。?965-），男，河南省南陽市人，教授，碩士研究生，主研方向：信息處理。

2016-10-14