智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的智能預(yù)微塵模塊設(shè)計(jì)

蔡思靜

（福建工程學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 福州350108）

隨著全球工業(yè)信息自動(dòng)化進(jìn)程的推進(jìn)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)滲透到社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域.同時(shí)，中國(guó)逐漸步入老齡化社會(huì)，進(jìn)行居家老人及病患的智能醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)研究既有廣闊的技術(shù)空間，又有巨大的社會(huì)需求.現(xiàn)階段醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究是醫(yī)療行業(yè)的一支全新的交叉領(lǐng)域前沿課題.射頻識(shí)別（RFID）在目標(biāo)身份的信息獲取上有著不可取代的優(yōu)勢(shì)，其適用的識(shí)別環(huán)境廣泛，傳輸性能可靠，針對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的物體有著很好的識(shí)別能力.但是，其無(wú)法獲取環(huán)境信息，而傳感模塊具備很好的環(huán)境感知能力.因此，在射頻識(shí)別系統(tǒng)中引入傳感功能模塊，將為物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下智能監(jiān)護(hù)終端研究提供有利的技術(shù)支持，甚至為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的智能微塵（smart dust）模塊開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù).本文采用0.18μm CMOS 制 造 工 藝 的nRF24LE01芯片［1］，系統(tǒng)通過(guò)nRF24L01＋收發(fā)器內(nèi)核與MCU的協(xié)同合作，保證智能預(yù)微塵（smart predust）的核心模塊（傳輸數(shù)據(jù)流功能模塊）的有效工作.

1 系統(tǒng)概述

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)將完成：對(duì)患者生理參數(shù)及位置信息等的采集、采集節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互、上位機(jī)管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)分析和處理，以及決策回傳及相應(yīng)采集節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行操作等.系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)采用3層結(jié)構(gòu)：分布靈活的數(shù)據(jù)采集智能終端（采用無(wú)線傳輸方式）；具有智能終端與上位機(jī)交互的中間控制器（采用有線與無(wú)線相結(jié)合的傳輸方式）；基于PC平臺(tái)的監(jiān)護(hù)管理平臺(tái)（采用聯(lián)網(wǎng)管理方式）.系統(tǒng)由3部分組成，智能預(yù)微塵模塊（射頻傳感標(biāo)簽）、閱讀控制模塊和監(jiān)護(hù)管理平臺(tái).

智能預(yù)微塵模塊：由2.4GHz無(wú)線系統(tǒng)芯片（SOC）nRF24LE01、溫度傳感DS18B20和外圍電路組成，紐扣電池供電.具有患者定位、生理參數(shù)采集、上位機(jī)指令執(zhí)行及通過(guò)2.4GHz微波與閱讀控制器通信等功能.

閱讀控制模塊：由 MSP430、nRF24L01＋和外圍電路組成，交流供電.負(fù)責(zé)智能預(yù)微塵模塊與上位機(jī)之間數(shù)據(jù)交互，根據(jù)各個(gè)智能預(yù)微塵模塊提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，各個(gè)射頻傳感標(biāo)簽的識(shí)別和防碰撞等功能.nRF24L01＋與智能預(yù)微塵模塊相互兼容，且根據(jù)RS232電器連接特性，其232串行端口RX、TX可以輕松實(shí)現(xiàn)與MSP430控制芯片的SPI串行口連接操作，實(shí)現(xiàn)射頻標(biāo)簽讀寫(xiě)模塊和MSP430控制芯片之間的數(shù)據(jù)交互.

監(jiān)護(hù)管理平臺(tái)：基于VS.net平臺(tái)，采用C＃語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā).該平臺(tái)將根據(jù)上傳的生理參數(shù)及位置信息進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析處理、指令回傳等，此外，還將提供用戶角色控制和數(shù)據(jù)通信等功能.

2 智能預(yù)微塵模塊硬件設(shè)計(jì)

射頻傳感智能預(yù)微塵模塊將射頻識(shí)別標(biāo)簽中的身份信息與傳感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（本文為溫度傳感數(shù)據(jù)，系統(tǒng)提供冗余機(jī)制、預(yù)留P0.4、P0.5接口［2－3］，可以通過(guò)傳感器連接進(jìn)行心電、脈象、血氧飽和度等多種生理指標(biāo)監(jiān)測(cè)）進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，通過(guò)射頻識(shí)別協(xié)議和物理層標(biāo)準(zhǔn)完成數(shù)據(jù)傳輸.該模塊由nRF24LE01（4mm×4mm）、DS18B20及外圍電路組成，現(xiàn)階段的尺寸無(wú)法達(dá)到毫米級(jí)，但其微米級(jí)的半導(dǎo)體制造工藝及簡(jiǎn)單外圍電路要求，且兼具身份信息和動(dòng)態(tài)環(huán)境信息采集的集成能力已經(jīng)初具智能微塵雛形.其主要由：微控制單元（微處理器和存儲(chǔ)器）、傳感監(jiān)測(cè)單元、射頻通信單元和電源控制單元組成.

微控制單元：采用增強(qiáng)型8051內(nèi)核，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各功能模塊工作，如傳感數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、預(yù)處理，電源工作模式控制，射頻模塊調(diào)用等.

傳感監(jiān)測(cè)單元：主要完成人體溫度信息的感知和獲取.

射頻通信單元：通過(guò)nRF24L01＋完成于閱讀控制器的通信功能.

電源控制單元：提供智能終端所需的能量.

3 智能預(yù)微塵模塊軟件設(shè)計(jì)

3.1 模塊軟構(gòu)件設(shè)計(jì)

模塊采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，進(jìn)行模塊化軟構(gòu)件設(shè)計(jì).首先進(jìn)行控制單元的初始化、參數(shù)配置、nRF24LE01和DS18B20的端口初始化及外圍模塊配置等，然后啟動(dòng)nRF24L01＋進(jìn)行收發(fā)模式調(diào)用.此外，模塊還提供了簡(jiǎn)單指令的執(zhí)行（如提醒、警報(bào)等），電壓檢測(cè)等功能.模塊的發(fā)送流程如圖1所示.nRF24L01＋啟動(dòng)Enhanced ShockBurstTM模式發(fā)數(shù)據(jù)，發(fā)送完數(shù)據(jù)后nRF24L01＋轉(zhuǎn)到接收模式等待應(yīng)答信號(hào).模塊通過(guò)SETUP＿RETR＿ARC寄存器設(shè)置重發(fā)機(jī)制，超過(guò)重發(fā)次數(shù)時(shí)，產(chǎn)生MAX＿RT中斷.這一設(shè)置將節(jié)省節(jié)點(diǎn)能耗，集成高速鏈路層操作.

3.2 傳輸數(shù)據(jù)流功能分析

模塊數(shù)據(jù)流的可靠收發(fā)功能是整個(gè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，系統(tǒng)通過(guò)nRF24L01＋收發(fā)器與8051內(nèi)核協(xié)同工作，nRF24LE01采用 Enhanced ShockBurstTM收 發(fā) 模 式，射頻收發(fā)器配置為Power Down、Standly、TX、RX等4種模式6種狀態(tài)［4］.其發(fā)送模式狀態(tài)如圖2所示.

圖1 模塊發(fā)送流程圖Fig.1 Flow chart of transmission modules

圖2 數(shù)據(jù)流發(fā)射模式狀態(tài)圖Fig.2 State diagram of flow transmission model

3.3 傳輸數(shù)據(jù)流功能實(shí)現(xiàn)

模塊通過(guò)ANT1、ANT2提供穩(wěn)定的射頻輸出，復(fù)用P0.0、P0.1的CKLFb和CKLFc進(jìn)行16和32MHz雙晶振設(shè)計(jì)，以減低能耗.P0.2和P0.3復(fù)用為串行外設(shè)接口（SPI）接口，P0.6復(fù)用為串行數(shù)據(jù)通信端，通過(guò) RF＿PWR位進(jìn)行PA輸出功率控制，射頻頻率滿足公式（1）.

軟構(gòu)件采用模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)接口參數(shù)提供各個(gè)功能模塊的組合調(diào)用，部分代碼如下：

3.4 模塊測(cè)試

系統(tǒng) 測(cè) 試 采 用：Enhanced ShockBurstTM收 發(fā) 模式，32bit動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)載荷，發(fā)射功率為0dB，RS232串口與PC機(jī)相連，波特率采用9 600bits／s.系統(tǒng)進(jìn)行了3組測(cè)試分析：

1）串口數(shù)據(jù)通信測(cè)試.主要測(cè)試數(shù)據(jù)包（溫度信息）能否正確接收.測(cè)試結(jié)果如表1所示，傳感器測(cè)試溫度與上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)保持一致.

2）傳感模塊分辨率測(cè)試.經(jīng)計(jì)算溫度平均值和溫度標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果見(jiàn)表1，均達(dá)到了系統(tǒng)性能要求.

3）回傳指令執(zhí)行情況測(cè)試.主要測(cè)試射頻傳感標(biāo)簽對(duì)上位機(jī)回傳指令的響應(yīng)能力.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上位機(jī)的溫度預(yù)警為36℃，當(dāng)測(cè)試人員手握傳感器時(shí)，射頻傳感器發(fā)出了報(bào)警鳴叫，準(zhǔn)確響應(yīng)了回傳指令.

4 結(jié) 論

本文進(jìn)行了智能監(jiān)護(hù)終端的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究，針對(duì)智能終端的感知和通信性能需求，系統(tǒng)采用射頻傳感技術(shù)，并結(jié)合smart dust設(shè)計(jì)思路，完成了智能監(jiān)護(hù)終端的Smart Pre－Dust模塊設(shè)計(jì).項(xiàng)目進(jìn)行了模塊測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：Smart Pre－Dust模塊的無(wú)線通信功能滿足性能要求，準(zhǔn)確完成傳感數(shù)據(jù)的上傳和回傳指令的接收.其次，Smart Pre－Dust模塊的感知功能滿足設(shè)計(jì)需要，傳感溫度的標(biāo)準(zhǔn)差值小于0.1℃.此外，Smart Pre－Dust對(duì)上位機(jī)回傳指令的響應(yīng)和執(zhí)行功能正常，符合智能監(jiān)護(hù)終端的通信傳感需求，并為smart dust的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支持.研究表明，結(jié)合射頻與傳感技術(shù)，完成醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能終端開(kāi)發(fā)具備現(xiàn)實(shí)意義.與此同時(shí)，本研究還處于初級(jí)階段，引入FPGA技術(shù)將是下一階段的研究工作.

表1 溫度測(cè)量數(shù)據(jù)表Tab.1 Measurement data of temperature

［1］肖林榮，應(yīng)時(shí)彥，馬躍坤，等.2.4GHz射頻收發(fā)芯片nRF24LE1及其應(yīng)用［J］.信息技術(shù)，2009，12（13）：13－16，20.

［2］藍(lán)會(huì)立，羅功坤，廖鳳依，等.基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的煙葉發(fā)酵溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21（4）：910－912.

［3］董一伯，鄭重，劉久文，等.基于nRF24LE01的無(wú)線報(bào)警系統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 與 實(shí) 現(xiàn) ［J］.電 子 測(cè) 量 技 術(shù)，2012，35（1）：132－135.

［4］余瑞馳，苗澎，尹曉偉，等.一種低功耗有源射頻識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2012，34（12）：12－15，19.