【作 者】王國(guó)靜，王衛(wèi)東，昂清，孫聰聰

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

0 引言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展與人們對(duì)保健質(zhì)量要求的提高，使醫(yī)療保健日益朝著移動(dòng)、無(wú)線和便利方向發(fā)展。特別是社會(huì)老齡化問(wèn)題的出現(xiàn)，使人們對(duì)遠(yuǎn)程醫(yī)療的關(guān)注度越來(lái)越強(qiáng)[1]。在跟蹤治療、移動(dòng)觀察、遠(yuǎn)程醫(yī)療和患者數(shù)據(jù)管理等方面，無(wú)線技術(shù)發(fā)揮了重要作用。但是在目前的無(wú)線醫(yī)療設(shè)備中，一方面很多設(shè)計(jì)只是單一的生理參數(shù)的采集監(jiān)測(cè)，不利于比較全面的觀察患者的生理狀態(tài)；另一方面多數(shù)設(shè)備只是完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并沒(méi)有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的存儲(chǔ)，不利于后期的重復(fù)使用和分析。因此，實(shí)現(xiàn)多種生理參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和有效存儲(chǔ)，有重要意義。

1 ZigBee無(wú)線技術(shù)

Zigbee是一種采用成熟無(wú)線通信技術(shù)的全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的、開(kāi)放的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。它以IEEE802.15.4協(xié)議為基礎(chǔ)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信[2]，致力于實(shí)現(xiàn)一種適用于固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用的低復(fù)雜度、低成本、低功耗、低速率的短距離雙向無(wú)線通信協(xié)議[3]。Zigbee技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小、速率比較低的傳輸系統(tǒng)。Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分為FFD和RFD兩種設(shè)備，其中FFD 設(shè)備可作為協(xié)調(diào)器使用。RFD與FFD只是網(wǎng)絡(luò)層不一樣，硬件結(jié)構(gòu)完全相同；協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)組織者，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組建和信息路由。ZigBee的這些優(yōu)點(diǎn)，決定了它在醫(yī)療領(lǐng)域使用的巨大潛力[4]。

本文主要介紹了協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)采集節(jié)點(diǎn)無(wú)線快速組網(wǎng)和生理數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的功能，該系統(tǒng)主要應(yīng)用于醫(yī)療護(hù)理領(lǐng)域，極大地方便了醫(yī)護(hù)工作人員。

該系統(tǒng)的采集節(jié)點(diǎn)是基于CC2530單片機(jī)和采集模塊設(shè)計(jì)的，實(shí)現(xiàn)了多種生理信號(hào)的采集和發(fā)送。協(xié)調(diào)器是基于CC2530單片機(jī)和MicroSD卡設(shè)計(jì)的，實(shí)現(xiàn)了生理信號(hào)的接收和分類存儲(chǔ)功能。

2 生理信號(hào)采集和存儲(chǔ)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由TI公司的CC2530單片機(jī)及其外圍器件、2G的金士頓MicroSD卡和電源模塊組成。采集節(jié)點(diǎn)由各種采集模塊、CC2530單片機(jī)和電源模塊組成。圖1是系統(tǒng)的總體框圖。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 System block diagram

CC2530是TI公司新推出的 ZigBee按IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)級(jí)芯片。它集成了一個(gè)優(yōu)化的低功耗的 8051 微控制器內(nèi)核和一個(gè)高性能的 RF收發(fā)器，8 KB 的 RAM，以及強(qiáng)大的支持功能和外設(shè)，支持系統(tǒng)編程，允許芯片無(wú)線下載。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件主要實(shí)現(xiàn)MicroSD卡與CC2530單片機(jī)的連接。Micro SD卡和SD卡傳輸原理、針腳定義完全相同，只是外形尺寸不一樣，Micro SD卡的外形尺寸很小，應(yīng)用在手機(jī)、MP3等小體積的系統(tǒng)中。Micro SD卡的接口支持SPI模式。SPI模式是Motorola公司提出的一種同步串行外設(shè)接口，允許CPU與各種外圍接口器件以串行方式進(jìn)行通信和交換信息。它使用4條線：串行時(shí)鐘線(SCL)、主機(jī)輸入／從機(jī)輸出線(MISO)、主機(jī)輸出／從機(jī)輸入線(MOSI)、低電平有效的使能信號(hào)線(CS)[5]。CC2530單片機(jī)同樣支持串口通信的SPI模式。如圖2所示，實(shí)現(xiàn)了CC2530單片機(jī)和MicroSD卡的串口連接。

圖2 CC2530與MicroSD卡電路連接圖Fig.2 The circuit of CC2530 and MicroSD card

3.2 采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

本文要求實(shí)現(xiàn)多種生理信號(hào)的采集，包括心電、體溫和血壓。采集模塊將所采集的模擬數(shù)據(jù)輸入到CC2530單片機(jī)的內(nèi)置ADC的輸入接口。在CC2530單片機(jī)內(nèi)置ADC支持14位模數(shù)轉(zhuǎn)換，其中有效位為12位。此ADC包括一個(gè)模擬多路傳輸裝置，有8個(gè)單獨(dú)配置的通道和一個(gè)參考電壓產(chǎn)生器。模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果可以通過(guò)DMA寫(xiě)入內(nèi)存。圖3為三個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的硬件電路圖。

圖3 采集節(jié)點(diǎn)硬件電路圖Fig.3 The circuit of acquisition nodes

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)完成多種生理信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)的快速組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸，MicroSD卡植入文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，配合硬件實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行。

CC2530低功耗是通過(guò)五種不同電源模式的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這五種電源模式是：活動(dòng)模式、空閑模式、PM1、PM2和PM3。其中活動(dòng)模式時(shí)接收電流為24mA，發(fā)送電流為29 mA，PM1的電流為0.2 mA，PM2的電流為1 uA，PM3的電流為0.4 uA。系統(tǒng)采用間歇工作方式，大部分時(shí)間處于PM3低功耗狀態(tài)。

4.1 生理參數(shù)采集部分

將生理參數(shù)采集模塊的模擬輸出連接到CC2530單片機(jī)的內(nèi)置ADC輸入P0.1口，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換成功后，將數(shù)據(jù)封裝，通過(guò)ZigBee無(wú)線發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。圖4為數(shù)據(jù)采集流程圖。

圖5 快速組網(wǎng)流程圖Fig.5 Fast network fl ow chart

4.2 ZigBee快速組網(wǎng)部分

ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即星狀、樹(shù)狀和網(wǎng)狀拓?fù)鋄6]。本系統(tǒng)采用的協(xié)議棧為T(mén)I協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)星狀網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序流程圖如圖5(a)所示，首先是CC2530各種硬件驅(qū)動(dòng)的初始化，然后初始化協(xié)議棧，再確定網(wǎng)絡(luò)ID、選擇頻道并產(chǎn)生信標(biāo)。監(jiān)測(cè)空氣中是否有ZigBee信號(hào)，如果有節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器給節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)短地址。如果采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的是采集的生理參數(shù)值，則接收數(shù)據(jù)并存入MicroSD卡中。

采集節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖5（b）所示，同上述網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)一樣，程序首先進(jìn)行CC2530各種硬件驅(qū)動(dòng)的初始化和協(xié)議棧的初始化。然后發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，等待協(xié)調(diào)器響應(yīng)，如果加入網(wǎng)絡(luò)成功，傳感器進(jìn)入休眠狀態(tài)，如果不成功，就繼續(xù)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)。

4.3 Micro SD卡的初始化和讀寫(xiě)部分

Micro SD 卡只由上電和軟件復(fù)位命令CMD0實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位，CMD0的響應(yīng)值是0x01。如果響應(yīng)值正確，說(shuō)明復(fù)位成功，上電后進(jìn)入idle(空閑)模式；Micro SD 卡在選擇進(jìn)入SPI模式后，重新上電前不能返回SD模式。此后用CMD1實(shí)現(xiàn)Micro SD卡初始化，CMD1的響應(yīng)值是0x00，如果響應(yīng)值正確，說(shuō)明初始化成功。

寫(xiě)命令CMD24的響應(yīng)為0x00，如果響應(yīng)值正確，說(shuō)明命令寫(xiě)入成功，可以寫(xiě)入數(shù)據(jù)。寫(xiě)完數(shù)據(jù)，查看響應(yīng)值，如果是應(yīng)答命令值為5，說(shuō)明數(shù)據(jù)已經(jīng)寫(xiě)入到SD卡中。讀命令CMD17的響應(yīng)值是0x00，如果響應(yīng)值正確，說(shuō)明可以讀取數(shù)據(jù)。讀取命令寫(xiě)入成功后，一直讀取，直讀到0xFE，說(shuō)明從此處之后就是所要讀取的數(shù)據(jù)。

在SD卡讀寫(xiě)過(guò)程中，應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：如果SD卡在接收復(fù)位命令過(guò)程中CS低電平有效，則進(jìn)入SPI模式，否則工作在SD總線模式；在初始化階段用于設(shè)置SPI接口的時(shí)鐘頻率小于400 KHz；初始化后SD卡的SPI接口的時(shí)鐘頻率一般不允許超過(guò)25 MHz；在寫(xiě)CMD0時(shí)，在向SD卡發(fā)送以前需要向SD卡發(fā)送74+個(gè)時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)與SD卡同步，保證CMD0操作順利進(jìn)行。

4.4 文件系統(tǒng)植入部分

文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中負(fù)責(zé)管理和存儲(chǔ)文件信息的軟件機(jī)構(gòu)。文件系統(tǒng)由文件管理有關(guān)軟件、被管理文件和實(shí)施文件管理所需數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)三個(gè)部分組成，它負(fù)責(zé)為用戶建立文件，存入、讀出、修改、轉(zhuǎn)儲(chǔ)文件，控制文件的存取等。本設(shè)計(jì)中選用2G的MicroSD卡，采用的是FAT32文件系統(tǒng)。可以實(shí)現(xiàn)以下功能：打開(kāi)SD下的根目錄；打開(kāi)SD深層目錄下的文件；生成文件并寫(xiě)入數(shù)據(jù)；讀取文件數(shù)據(jù)；關(guān)閉文件。圖6是文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的流程圖。

在實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)過(guò)程中，新建文檔的路徑是可選的，可以直接在根目錄下建立TXT文檔，也可以新建多層目錄的文檔。在再次進(jìn)行數(shù)據(jù)寫(xiě)入時(shí)，如果已存在寫(xiě)入數(shù)據(jù)的目標(biāo)文檔的話，就可以不用再重復(fù)建立，只要直接打開(kāi)已有文檔，寫(xiě)入數(shù)據(jù)即可。寫(xiě)入數(shù)據(jù)失敗，有可能是存儲(chǔ)設(shè)備已經(jīng)沒(méi)有空間了，也就是找不到空閑簇了。在本設(shè)計(jì)中，多種生理參數(shù)的存儲(chǔ)可以以患者為單位存儲(chǔ)，也可以以單個(gè)生理參數(shù)為單位存儲(chǔ)，可以靈活的根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類存儲(chǔ)。

圖6 文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程圖Fig.6 File system implementation fl ow chart

5 結(jié)論

該系統(tǒng)基于CC2530單片機(jī)和MicroSD卡，實(shí)現(xiàn)了人體生理參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的快速組網(wǎng)，并成功地實(shí)現(xiàn)了生理數(shù)據(jù)的分類存儲(chǔ)。整個(gè)系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計(jì)，電池使用壽命長(zhǎng)。大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡可用于長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)。本系統(tǒng)目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了星狀網(wǎng)絡(luò)以及仿真數(shù)據(jù)的傳輸和存儲(chǔ)。如圖7為利用溫度傳感器采集的空氣中的溫度值，通過(guò)ZigBee無(wú)線技術(shù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到MicroSD卡的文檔中。

圖7 空氣溫度存儲(chǔ)Fig.7 The storage of temperature

本系統(tǒng)具有擴(kuò)展性：一方面，可以增加采集不同生理參數(shù)的節(jié)點(diǎn)來(lái)提高其在臨床應(yīng)用方面的廣泛性和全面性；另一方面，協(xié)調(diào)器硬件擴(kuò)展后，可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌愋偷慕K端設(shè)備或者互聯(lián)網(wǎng)上，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程使用。

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