祝小蜜，溫琦霖

（廣州商學院，廣東廣州，511363）

0 引言

近年來，我國老齡化越來越嚴重，高血壓、糖尿病等慢性疾病越來越多，再加上現(xiàn)在不健康的飲食和生活方式使得各種疾病越來越常見。遠程的家庭醫(yī)生在社會上需求越來越大。同時，現(xiàn)在市場上出現(xiàn)了一些常見的家庭用的藍牙醫(yī)療設備，如血壓計、血糖儀、電子聽診器等?；谶h程家庭醫(yī)生的構想，可以做一套基于現(xiàn)有設備的遠程家庭醫(yī)生系統(tǒng)。常見的藍牙設備網關都采用帶系統(tǒng)的嵌入式，軟件開發(fā)難度相對較大，本文設計并實現(xiàn)了一種基于單片機的藍牙網關的軟件，設計不需要考慮藍牙協(xié)議、WIFI協(xié)議和4G通信協(xié)議的底層，可以快速的構建藍牙數(shù)據(jù)到云端的通信，將這些常用的藍牙醫(yī)療設備的數(shù)據(jù)上傳至云服務器，為實現(xiàn)遠程醫(yī)療打通了設備到云端的數(shù)據(jù)通信路徑。

藍牙網關的作用示意圖如圖1所示。

圖1 藍牙網關作用示意圖

1 硬件平臺

本設計的網關功能是實現(xiàn)與四臺藍牙醫(yī)療設備的藍牙自動連接和數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)網關通過WIFI模塊或4G模塊與云服務器雙向通信。另外考慮到可推廣性和可用性，設計WIFI賬戶和密碼、服務器IP和端口號等信息的修改功能，和設備連接狀態(tài)的指示等，這部分功能用按鍵和顯示屏實現(xiàn)。同時設計掉電記憶功能，用于掉電保存每個用戶修改后的WIFI的名稱、密碼和服務器的IP地址、端口號，保證本設計的網關修改過上述信息后，掉電再開機時，網關能連接上WIFI和服務器。

本設計的硬件框圖如圖2所示。其中主控單片機型號是STM32F103RCT6，串口擴展電路使用WK2114芯片，藍牙模塊1、2、3使用低功耗藍牙模塊HLK-B40，用于連接血糖儀和兩個血壓儀藍牙，模塊4使用經典藍牙模塊HC-05，用于連接聽診器，WIFI模塊使用ESP-12E，4G模塊使用銀爾達公司生產的Core-Air724 AT固件版本，按鍵使用三個普通的獨立按鍵，顯示屏使用常見的1.44寸IIC總線的TFT-LCD顯示屏，掉電記憶使用EEPROM，型號是AT24C02 。

圖2 硬件平臺系統(tǒng)框圖

2 軟件設計

■ 2.1 軟件整體功能設計

整個軟件功能是首先進行初始化，使網關能夠同時與4個藍牙模塊和WIFI模塊或4G模塊建立通信并使WIFI模塊或4G模塊能連接到服務器。初始化時要從AT24C02中讀取待聯(lián)網的WIFI的名稱、密碼和服務器的IP地址、端口號。初始化后網關處于空閑狀態(tài)下，該狀態(tài)網關服務器發(fā)送心跳包，服務器會回復心跳。當服務器下發(fā)上傳數(shù)據(jù)的命令時，網關退出空閑狀態(tài)，此時如果對應的藍牙設備有數(shù)據(jù)產生則給服務器上傳數(shù)據(jù)，每0.5秒上傳一次數(shù)據(jù)包，每次上傳后服務器都會發(fā)送確認數(shù)據(jù)包。當服務器發(fā)送停止上傳命令時，網關再次進入空閑狀態(tài)。空閑狀態(tài)下即使接收到藍牙設備發(fā)送的數(shù)據(jù)，也不會將數(shù)據(jù)上傳到服務器。當網關在3秒內收不到服務器的心跳或確認信號，或者初始化階段WIFI模塊不能聯(lián)網，則認為當前WIFI模塊與服務器之間的連接中斷，此時啟動4G模塊初始化，使4G模塊替代WIFI模塊與服務器之間建立連接并繼續(xù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。如果4G模塊斷網了，則提醒用戶聯(lián)網失敗請重啟。另外顯示屏上可實時查看與藍牙設備以及服務器的連接狀態(tài)，通過按鍵可以進入修改界面，并修改WIFI賬戶和密碼以及服務器的IP地址和端口號，并將修改后的值在AT24C02中保存起來。

軟件整體分為初始化、用戶交互、與服務器之間的心跳和命令處理、數(shù)據(jù)上傳和利用外部中斷接收藍牙數(shù)據(jù)等幾個模塊，其中用戶交互包括按鍵檢測和處理、連接狀態(tài)檢測和顯示。

注意，本文對于STM32單片機的外設的使用、按鍵、顯示、IIC時序、EEPROM使用等常用的設計不展開說明，主要說明幾個模塊的配置過程以及整體代碼的邏輯設計。

圖3 整體軟件框架和流程

■ 2.2 初始化設計

初始化分為兩個部分，一部分是單片機本身的外設的初始化，包括對IO口，串口，定時器，外部中斷的初始化；另一部分是指對功能模塊的初始化，目的是做好底層調用函數(shù)和使相應的模塊能正常工作，包括顯示屏和EEPROM用的IIC總線，WK2114串口擴展芯片的使用，各個藍牙模塊、WIFI模塊、4G模塊的AT指令配置等。

2.2.1 單片機外設初始化

單片機本身外設的初始化具體步驟不展開說明，只說明設置時要考慮的參數(shù)。對于定時器來說，系統(tǒng)用到了0.5秒計時、5秒計時等多個計時，對于多個計時，并不需要很多個定時器，只需要取所有計時的最大公約數(shù)的時間作為定時器中斷時間，同時記錄進中斷次數(shù)，然后可以用進中斷次數(shù)來判斷多個計時時間是否達到。所以定時器中斷周期設置為0.5秒，中斷次數(shù)10次即為5秒。串口初始化的目的是建立單片機與各個模塊之間的串口通信，之后才能設置模塊的功能并接收數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)一共使用了單片機的三個串口，分別連接擴展芯片的主串口、WIFI模塊和4G模塊的串口?？紤]到數(shù)據(jù)傳輸速度至少要滿足電子聽診器12KB/s的傳輸速度，結合三種串口模塊能達到的串口最大速度，這三個串口的速度都設置為460800，這樣既能滿足設計需要，又不至于速度太高引起傳輸出錯率增加。外部中斷是為了從WK2114上讀取藍牙設備傳來的數(shù)據(jù)。為了不丟失數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)需要盡快反應，所以使用中斷的方式從WK2114的FIFO中讀數(shù)據(jù)，并把該中斷優(yōu)先級設置為最高。

2.2.2 串口擴展芯片初始化

WK2114串口擴展芯片初始化時先拉低RST引腳10ms，實現(xiàn)對WK2114串口擴展芯片的復位，然后再拉高進入到工作狀態(tài)。然后進行主串口波特率的自動匹配，方法是給主串口發(fā)送匹配碼0x55，WK2114 可以自動測得此時MCU的波特率并把主接口UART的波特率鎖定，以后就以此波特率進行通信；如果主接口需要再次更換波特率，需要對芯片硬件復位，然后再次進行波特率測試和鎖定。匹配成功后，對每個子串口進行初始化，包括使能子串口的時鐘、軟件復位子串口、使能子串口總中斷、使能子串口接收觸點中斷和超時中斷、初始化FIFO和設置固定中斷觸點、使能子串口的發(fā)送和接收使能，設置子串口波特率等。本設計使用外部中斷來處理各個子串口之間的數(shù)據(jù)接收。

使能了WK2112的子串口中斷來讀取FIFO中的數(shù)據(jù)，每個子串口的中斷方式都設置為64觸點中斷和超時中斷，即當任意一個子串口的FIFO中有64個字節(jié)數(shù)據(jù)或者在接收數(shù)據(jù)過程中有連續(xù)4個字節(jié)的時間內沒有收到數(shù)據(jù)，則觸發(fā)中斷。

為了保證子串口同時收到的數(shù)據(jù)都能被主串口及時讀出，那么主串口的傳輸速度要大于所有子串口的數(shù)據(jù)接收速度之和。本設計只有經典藍牙模塊產生的數(shù)據(jù)速度快，要預留大于16KB/是的速度，所以對應經典藍牙模塊的子串口波特率設置為460800，其他三個藍牙產生數(shù)據(jù)的速度要小很多，所以另外三個子串口波特率設置為115200。

2.2.3 經典藍牙模塊初始化

首先讓模塊的復位引腳在高電平狀態(tài)下，連續(xù)拉低兩次50ms，讓藍牙模塊進入到AT指令模式。然后通過以下AT指令和步驟進行配置：

AT+UART=460800,0,0：修改模塊的串口波特率；

AT+ROLE=1：設置為主機模式；

AT+BIND=藍牙地址：綁定藍牙地址NAP：UAP：LAP（十六進制）綁定指令只有在指定藍牙地址連接模式時有效；

AT+LINK =藍牙地址：連接從機的配對地址；

AT+RESET：重啟模塊。

之后將藍牙RST引腳拉低，將保存這些AT指令配置并將進入到運行模式。

2.2.4 低功耗藍牙模塊初始化

當MCU每次復位時，通過對藍牙模塊復位引腳的重新配置，復位引腳在高電平狀態(tài)下拉低電平一秒鐘，讓藍牙模塊進入到AT指令模式。然后通過以下AT指令和步驟進行配置：

AT+BAND=115200：修改模塊的串口波特率；

AT+UUIDS=0000FFF000001000800000805F9B34 FB：藍牙模塊透傳服務默認值UUIDS；

AT+UUIDR=0000FFF400001000800000805F9B34 FB：透傳服務中的Read特征默認值UUIDR；

AT+UUIDW=0000FFF100001000800000805F9B34 FB：透傳服務中的Write特征默認值UUIDW；

AT+ROLE=2：設置為主機模式；

AT+PINCODE=000000：設置配對碼；

AT+PEERMAC=藍牙的MAC地址：連接從機的配對地址；

AT+REBOOT=1：重啟模塊。

之后模塊將按照這些AT指令的配置并進入到運行模式。

2.2.5 WiFi模塊初始化

WiFi模塊的初始化通過對復位引腳進行拉低250ms后拉高，實現(xiàn)WiFi模塊的復位，進入到AT指令模式。然后通過以下AT指令和步驟進行配置：

AT+CWMODE=3：模塊設置為softAP + station 模式；

AT+RST：重啟設備；

AT+UART_DEF=115200,8,1,0,1：設置串口波特率，并開啟串口流控制；

AT+CWJAP_CUR="WiFi名稱","WiFi密碼"：配置模塊連接的WiFi名稱和密碼；

AT+CIFSR：查詢本地的IP地址；

AT+CIPMUX=0：設置多連接模式；

AT+CIPMODE=1：設置傳輸模式為透傳模式，僅支持TCP單連接情況；

AT+CIPSTART="TCP","IP地址",端口號：建立TCP連接；

AT+CIPSEND:在透傳模式時，開始發(fā)送數(shù)據(jù)。

當WiFi連接網絡失敗時，會啟動4G模塊的初始化，保證設備的聯(lián)網成功。

2.2.6 4G模塊初始化

復位引腳在低電平狀態(tài)下進行拉高1100ms后再拉低，完成4G模塊的復位，當復位完成時，會接收到模塊發(fā)送的“SMS READY”，表示復位完成。然后通過以下AT指令和步驟進行配置：

AT+CPIN?：查詢卡是否插好,直到接收到回應，否則嘗試重啟模塊；

AT+CSQ：查詢卡的信息質量；

AT+CREG?：網絡注冊狀態(tài)；

AT+CGATT?：附著GPRS網絡；

AT+CIPMODE=1：設置為透傳模式；

AT+CIPMUX=0：IP設置為單鏈接模式；

AT+CSTT="CMNET","",""：選擇卡的類型APN，這里使用的是中國移動；

AT+CIICR：激活后獲取IP地址；

AT+CIFSR：查詢IP地址；

AT+CIPSCONT：保存TCP的IP地址參數(shù)；

AT+CIPSTART="TCP","IP地址",端口號：創(chuàng)建TCP連接。

以上每個步驟單片機都要收到對應的回復才會進行下一步。當接收到服務器下發(fā)的”CONNECT”，表示連接服務器完成。當4G初始化失敗時，顯示屏上提示連接不成功請重啟。

■ 2.3 用戶交互設計

用戶交互包括顯示屏和按鍵。顯示屏有兩個顯示界面，一個界面是顯示網關與藍牙以及與服務器之間的連接狀態(tài)，與各藍牙模塊的連接狀態(tài)由藍牙模塊的狀態(tài)輸出引腳的狀態(tài)判斷，與服務器之間的連接狀態(tài)由是否收到服務器的心跳信號或數(shù)據(jù)接收信號判斷；另一個界面顯示修改WIFI用戶名和密碼以及服務器IP地址和端口號的過程。

用戶輸入使用了三個獨立按鍵,分別是KEY1、KEY2、KEY3。KEY1用于進入修改狀態(tài)和切換修改的位數(shù)。設定家庭WIFI的用戶名和密碼都是8位的數(shù)字和小寫字母，而服務器的IP地址最大是255.255.255.255共12位數(shù)字，端口號最大是65535共5位數(shù)字，則總共需要修改的數(shù)字和字母位數(shù)是33位。系統(tǒng)正常工作時是顯示網關連接狀態(tài)的界面，當按鍵KEY1第一次按下時畫面切換到信息修改界面，并處于第一個字符待修改的狀態(tài)，界面上該位顯示為紅色，其他位置顯示為藍色，之后每次按下KEY1時，待修改位都會切換到下一個并顯紅色，一直到第33個位置之后再按下一次就推出修改界面，回到連接狀態(tài)顯示界面，并且把修改之后的字符存入到EEPROM中。KEY2、KEY3用于待修改位的字符的加減，字符在0-9和a到z之間循環(huán)。

■ 2.4 定時器邏輯設計

定時器初始化時設置為每0.5秒中斷一次，用于提供0.5秒的時基和5秒、100秒、200秒的計時，其中0.5秒用于區(qū)分為階段1和階段2，兩個階段交替的處理數(shù)據(jù)；5秒計時用于空閑狀態(tài)時每個5秒發(fā)送一次心跳包；100秒用于開始WIFI模塊初始化的計時，如果WIFI在100秒內初始化成功，就不再計這個時間了，如果計時超過100秒就認為WIFI模塊聯(lián)網初始化不成功，這時要開啟4G模塊的初始化；200秒用于整個初始化階段的計時，如果超過這個時間還沒有初始化成功，則認為本網關連接不上網絡，在顯示屏上提醒用戶重啟本網關，如果初始化成功了，就會退出初始化狀態(tài)，也就不再計時了。本文的流程圖都比較長，用偽代碼表達程序邏輯效果更好。定時器中斷服務函數(shù)的邏輯設計用偽代碼表示如下所示。

■ 2.5 與服務器之間的心跳和命令處理

本網關根據(jù)服務器下發(fā)的命令處于空閑和非空閑兩種狀態(tài)，空閑狀態(tài)不會上傳藍牙模塊收到的數(shù)據(jù)，只上傳心跳包，非空閑狀態(tài)時，如果藍牙設備有數(shù)據(jù)發(fā)送過來，就把數(shù)據(jù)上傳給服務器。系統(tǒng)上電默認為空閑狀態(tài)，此時每隔5秒給服務器發(fā)送心跳包?？臻e狀態(tài)下如果收到開始上傳的命令，則系統(tǒng)進入非空閑狀態(tài)，非空閑狀態(tài)下，如果收到停止上傳的命令，則進入空閑狀態(tài)。

不管在任何狀態(tài)下，任何數(shù)據(jù)包在網關和服務器的通信都是要回發(fā)確認數(shù)據(jù)包的。如果網關發(fā)出任何數(shù)據(jù)的3秒內收不到正確的服務器回發(fā)數(shù)據(jù)，則認為網關和服務器之間斷開連接了，此時如果是使用WIFI模塊跟服務器通信，則需要啟動4G模塊的初始化，使4G模塊替代WIFI模塊與服務器之間建立連接并繼續(xù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，如果是使用4G模塊在通信，則提示用戶聯(lián)網失敗，請重啟。

單片機計時都是使用的定時器，關于計時的邏輯是和定時器中斷函數(shù)一起實現(xiàn)的。與WIFI或4G模塊之間傳輸數(shù)據(jù)使用各自連接的串口。服務器下發(fā)的心跳回復、命令、接收數(shù)據(jù)回復都是固定長度為31的數(shù)據(jù)字節(jié)，只是其中的有效字節(jié)不同。判斷是否收到正確的回復，通過串口接收中斷是否接收到31個的字節(jié)的數(shù)據(jù)且有效字節(jié)匹配。程序流程如下所示。

■ 2.6 藍牙設備數(shù)據(jù)的接收

本設計采用WK2114串口拓展芯片，實現(xiàn)將一路異步串口拓展為 4 路 UART，用于連接四個藍牙模塊。WK2114是UART接口的4 通道 UART 器件，WK2114將一個標準異步串口擴展成為4個增強功能串口。

擴展的子通道的UART具備如下功能特點：每個子通道UART的波特率、字長、校驗格式可以獨立設置，最高可以提供2Mbps 的通信速率，每個子通道具備收、發(fā)獨立的256 級FIFO，F(xiàn)IFO的中斷可按用戶需求進行編程觸發(fā)點且具備超時中斷功能。FIFO功能非常必要。當大量數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸時，需要單片機每0.5秒處理數(shù)據(jù)幀格式并配置串口DMA等，這需要一段時間，這段時間內新的要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就可以暫存在FIFO緩沖區(qū)，等待下一個周期的處理。

藍牙模塊都連接在串口擴展芯片WK2114的四個子串口通道上，初始化完成后，當任一個藍牙設備發(fā)送數(shù)據(jù)都會存在對應子串口的FIFO中，當滿足FIFO的觸點或超時中斷條件時，都會觸發(fā)單片機的外部中斷，進入外部中斷服務函數(shù)?？紤]到可能會有多個藍牙設備同時發(fā)送，而所有的子串口觸發(fā)中斷的引腳是共用的，所以每次進外部中斷，都對每個子通道的FIFO進行讀取并置位設備收到過數(shù)據(jù)的標記，保證不會漏掉數(shù)據(jù)。從每個子通道的FIFO都會讀取到數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)，要將新收到的數(shù)據(jù)存儲到對應的存儲數(shù)組中，同時記錄存儲數(shù)組的總長度。根據(jù)擴展芯片的特性，當從某通道的FIFO讀出數(shù)據(jù)時，該通道對應的中斷標記位就會清零的，基于此，在中斷服務函數(shù)中會循環(huán)檢查FIFO中是否有新的中斷標記產生，如果有就繼續(xù)讀出，一直到4個FIFO中都沒有產生新的中斷標記。這樣在中斷服務過程中，如果已經讀過的子串口又收到了數(shù)據(jù)，也會把新收到的讀出來并清掉新產生的標記，保證不會在讀某個子串口數(shù)據(jù)的時候，漏掉其他子串口剛好發(fā)過來的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)上傳服務器是0.5秒一次，為了保證上傳過程中還能收到藍牙發(fā)來的數(shù)據(jù)，給每一個藍牙設備的數(shù)據(jù)存儲都分配了兩個數(shù)組。每0.5秒時間到了都要切換一次接收藍牙數(shù)據(jù)的存儲數(shù)組，以便讓下一個0.5秒接收的數(shù)據(jù)存在另一個數(shù)組里。這樣每個0.5秒的周期到來時，程序會通過串口DMA將上一個周期內收到的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，同時在觸發(fā)新的數(shù)據(jù)接收中斷時，會將數(shù)據(jù)存儲到另一個數(shù)據(jù)存儲數(shù)組中，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的乒乓操作，避免數(shù)據(jù)丟失。

對于每個藍牙設備，0.5秒可能收到的最大的數(shù)據(jù)量要了解清楚，以便分配足夠的緩存數(shù)組，本設計中，電子聽診器音頻的數(shù)組長度經過理論估算和實際測試，數(shù)組長度設為8000，其他三個設備的數(shù)據(jù)量小，緩存數(shù)組長度設置為255。

本段程序流程用如下的偽代碼表示。

■ 2.7 數(shù)據(jù)上傳服務器

當網關處于非空閑狀態(tài)時，每0.5秒判斷一次藍牙設備有沒有數(shù)據(jù)發(fā)送過來，如果有，就把0.5秒收到的數(shù)據(jù)上傳給服務器。連續(xù)的兩個0.5秒的周期分別稱為階段1和階段2，每次階段變化時，去發(fā)送上一個階段收到的數(shù)據(jù)。藍牙有沒有數(shù)據(jù)依據(jù)外部中斷服務器中產生的標記。上傳服務器的數(shù)據(jù)包包含幀頭、設備號、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)代號、數(shù)據(jù)內容、校驗碼等，所以在數(shù)據(jù)發(fā)送前要給待發(fā)送的數(shù)據(jù)加上這些幀格式。然后啟動WIFI模塊或4G模塊對應的串口DMA發(fā)送功能，把數(shù)據(jù)發(fā)出去，使用WIFI模塊還是4G模塊，去前面描述的邏輯決定。當數(shù)據(jù)傳輸完成后，要立刻清掉數(shù)組里面數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)長度。注意，單片機串口DMA將數(shù)據(jù)發(fā)送到WIFI模塊的速度比較高，當連續(xù)發(fā)送的數(shù)據(jù)量非常大，比如發(fā)送電子聽診器的音頻數(shù)據(jù)時，WIFI模塊可能會來不及把WIFI模塊從串口收到的數(shù)據(jù)及時發(fā)送給服務器，造成數(shù)據(jù)擁堵，從而丟失傳輸數(shù)據(jù)，所以該串口必須開啟硬件流控功能，這樣當WIFI模塊內部緩存的數(shù)據(jù)量比較大時，WIFI模塊會通過流控讓串口暫停發(fā)送。程序邏輯和流程如下所示。

3 結束語

本設計經過調試和驗證，能可靠的連接四個藍牙醫(yī)療設備并接收數(shù)據(jù)，同時可以完整的把藍牙數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務器，可以做為遠程家庭醫(yī)生系統(tǒng)中的重要組成部分。本設計為藍牙設備和云服務器之間的數(shù)據(jù)傳輸提供了一種設計思路，設計所用的藍牙醫(yī)療設備也換成其他的藍牙設備，只需要更改藍牙連接的初始化部分。后期也可以把更換藍牙設備連接的過程做到用戶交互功能里面，使本網關有更大的通用性，便于推廣使用。需要注意的是，網關的設計要考慮數(shù)據(jù)的吞吐量，本設計的傳輸速度可以滿足這類物聯(lián)網設計的要求，如果數(shù)據(jù)產生的又快又多，比如四個藍牙全部是音頻，就要重新考慮各模塊的傳輸速度了。

本文重點是對設計邏輯的說明，常用的基礎的代碼沒有詳細列出來，比如外設的初始化，IIC總線的操作、按鍵操作，顯示操作等等，這樣做是想盡可能的說明軟件的邏輯思路和構造，希望能為廣大的單片機開發(fā)者提供一定的參考價值。