摘? 要: 介紹一種具有短信息無(wú)線通訊功能的低功耗嵌入式多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀，基于ARM7核的32位低功耗微處理器作為系統(tǒng)控制核心， 采用源碼公開的嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II， 通過(guò)低功耗的16位單片機(jī)MSP430完成數(shù)據(jù)采集，可實(shí)現(xiàn)心電、血氧、血壓、體溫信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)采用西門子MC35i無(wú)線傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)生理參數(shù)以SMS方式無(wú)線傳輸，具有輕便節(jié)能、安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞: ARM7;MC35i;SMS;MSP430;μC/OS-II
?
隨著社會(huì)的進(jìn)步和生活水平的提高，人們對(duì)健康的要求越來(lái)越高，醫(yī)院開始轉(zhuǎn)變醫(yī)療模式，從以治療為主轉(zhuǎn)向以預(yù)防為主，以醫(yī)院為中心轉(zhuǎn)向以家庭為中心。在這種形勢(shì)下，生理監(jiān)護(hù)儀器成為解決疾病預(yù)防的重要手段。近年來(lái)，無(wú)線傳輸技術(shù)被引入醫(yī)療健康領(lǐng)域，以提供“無(wú)時(shí)、無(wú)處不在”的便攜式健康服務(wù)。目前，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)已覆蓋至縣鄉(xiāng)級(jí)，大中城市的覆蓋率幾乎達(dá)到100%。因此，基于移動(dòng)通信GSM(Global System for Mobile Communication)的短信服務(wù)SMS(Short Message Service)與醫(yī)療設(shè)備相結(jié)合具有較強(qiáng)的使用優(yōu)勢(shì)，病人只要在GSM網(wǎng)覆蓋的地方都可以得到監(jiān)護(hù)，醫(yī)療過(guò)程可以被更好地跟蹤，醫(yī)學(xué)儀器得以更有效地利用[1]。
本系統(tǒng)通過(guò)在人體部位設(shè)置相應(yīng)探頭，對(duì)生理參數(shù)信號(hào)(血氧、心電、血壓、體溫)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、放大后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)DSP進(jìn)行濾波，去除噪聲信號(hào)，得到所需要的信號(hào)，然后根據(jù)這些信號(hào)計(jì)算出血壓、血氧、心率和血液粘稠度等參數(shù)[2]，并通過(guò)MCU對(duì)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信模塊以短信的形式發(fā)送到醫(yī)院等監(jiān)護(hù)中心。
1 系統(tǒng)介紹
作為一個(gè)便攜式儀器，要求使用安全、體積小巧、連接可靠、操作簡(jiǎn)單且性能穩(wěn)定。因此系統(tǒng)信號(hào)采集模塊以MSP430為核心完成信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換和串口發(fā)送;數(shù)據(jù)處理模塊以S3C44BOX為核心完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理以及LCD驅(qū)動(dòng);無(wú)線通信模塊則是以西門子MC35i為核心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)以短信形式傳輸。無(wú)線通信與嵌入式監(jiān)護(hù)儀的結(jié)合是當(dāng)前監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)的一種拓展，也是監(jiān)護(hù)儀發(fā)展的一個(gè)方向，因此，本文將重點(diǎn)介紹無(wú)線通信模塊的設(shè)計(jì)。
系統(tǒng)硬件部分總體框圖如圖1所示。
?
?
1.1 信號(hào)采集模塊
信號(hào)采集模塊主要由前端的心電、血氧和體溫傳感器、模擬放大濾波電路、AD轉(zhuǎn)換和串口發(fā)送單元組成。系統(tǒng)采用雙極性標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)采集人體的心電信號(hào)，利用光電式容積脈波傳感器在人體的手指上采集血氧參數(shù)以及脈搏波;血壓采集采用傳統(tǒng)的無(wú)創(chuàng)血壓采集方法——袖帶式，通過(guò)壓力傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào);采用高精度數(shù)字溫度傳感器DS18b20采集人體的體溫信息。系統(tǒng)采用TI公司的超低功耗16位單片機(jī)MSP430F149作為信號(hào)處理模塊的核心，使用其內(nèi)部豐富的資源完成采集信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換和與下位機(jī)的通信;采用MSP430F149內(nèi)置的串口接收數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的指令，采集相應(yīng)的生理信號(hào)并將其傳送到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中。
1.2 信號(hào)處理模塊
信號(hào)處理模塊的主要功能是設(shè)置系統(tǒng)的工作狀態(tài)，接收、執(zhí)行用戶指令來(lái)確定采集的生理信號(hào)，并對(duì)信號(hào)采集模塊傳輸來(lái)的信號(hào)進(jìn)行軟件濾波，根據(jù)濾波后的波形數(shù)據(jù)采用合適的算法計(jì)算得到所需要的生理參數(shù)。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)心電信號(hào)的處理，可以檢測(cè)并計(jì)算出心率;通過(guò)對(duì)脈搏波信號(hào)的特征檢測(cè)計(jì)算出血氧飽和度和血液粘稠度參數(shù)，根據(jù)采集到的體溫信號(hào)計(jì)算得到人體的體溫值。信號(hào)處理模塊的核心是ARM芯片S3C44BOX，完成波形數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算、驅(qū)動(dòng)LCD等功能[3]。
1.3 無(wú)線通信模塊
系統(tǒng)的無(wú)線通信模塊采用西門子公司的MC35i。S3C44BOX通過(guò)RS232接口與MC35i模塊連接，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信模塊與MPU之間的通信，通過(guò)AT(AT-command)指令控制MC35i的操作。
2 無(wú)線通信模塊的硬件實(shí)現(xiàn)
MC35i模塊支持語(yǔ)音通信，有GPRS、USSR和CSD三種數(shù)據(jù)傳輸方式以及SMS和FAX功能;模塊具有體積小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)。MC35i的工作電壓為3.3V～4.8V，典型電壓為4.2V，最大工作電流為2A;模塊可以工作在EGSM900和GSM 1800兩個(gè)頻段;工作于EGSM900時(shí)功耗為2W，工作于GSM 1800時(shí)功耗為1W，利用AT指令進(jìn)行控制[4]。
2.1 MC35i模塊的SIM卡接口
MC35i模塊是機(jī)卡分離的移動(dòng)終端設(shè)備，要登陸到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上，還必須通過(guò)其SIM卡接口擴(kuò)展外部SIM卡插槽。MC35i模塊的SIM卡接口符合ISO 7816-3 IC卡標(biāo)準(zhǔn)，共有6個(gè)引腳，各個(gè)引腳的作用和定義如下:
(1)CCRST:SIM卡復(fù)位，由基帶處理器提供。
(2)CCCLK:SIM卡時(shí)鐘，基帶處理器可以設(shè)置不同的時(shí)鐘頻率。
(3)CCIO:串行數(shù)據(jù)線，輸入和輸出。
(4)CCIN:檢測(cè)SIM卡插槽中是否有卡輸入到基帶處理器;如果SIM卡在操作過(guò)程中把SIM卡拔出，SIM卡接口將立即關(guān)閉。這個(gè)功能是為了防止SIM卡損壞，但應(yīng)該避免在工作時(shí)插入或者拔出SIM卡。
(5)CCVCC:SIM卡供電電源。
(6)CCGND:獨(dú)立的SIM卡地。
2.2 MC35i的串行接口
MC35i的數(shù)據(jù)接口是一個(gè)串行異步通訊收發(fā)器，可以方便地與主控制器相連接。數(shù)據(jù)接口定義為8個(gè)數(shù)據(jù)位。MC35i的串行接口引腳作用及數(shù)據(jù)方向定義如下:
· TXD0:數(shù)據(jù)發(fā)送，輸入;
· RDX0:數(shù)據(jù)接收，輸出;
????· RTS0:接收就緒，輸入;
????· CTS0:發(fā)送請(qǐng)求，輸出;
????· DTR0:數(shù)據(jù)發(fā)送就緒，輸入;
????· DSR0:數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好發(fā)送，輸出;
????· DCD0:載波檢測(cè)，輸出;
????· RING0:振鈴輸出，輸出。
2.3 MC35i模塊的電源接口
????MC35i模塊內(nèi)部電源功能由ASIC電路處理，它采用線性電壓穩(wěn)壓器穩(wěn)定GSM基帶的供電電壓，控制模塊的上電和掉電過(guò)程，并通過(guò)VDD引腳為外部應(yīng)用提供穩(wěn)壓后的2.9V電源。同時(shí)，基帶處理器周期性地發(fā)送信號(hào)給ASIC作為看門狗信號(hào)，保持對(duì)MC35i模塊各部分供電。一旦看門狗脈沖沒(méi)有正常送到，模塊將自動(dòng)關(guān)機(jī)。MC35i模塊與主控制器、SIM卡、電源的引腳接口如圖2所示。
?
3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)采用嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)軟件設(shè)計(jì)方法，在RTOS平臺(tái)上進(jìn)行嵌入式模塊化應(yīng)用軟件開發(fā)，以便于后期的系統(tǒng)升級(jí)及新功能模塊的加入。系統(tǒng)選用μC/OS-II作為系統(tǒng)的嵌入式RTOS，將其移植到系統(tǒng)基于ARM內(nèi)核的S3C44B0X硬件平臺(tái)，應(yīng)用μC/OS-II 的內(nèi)核多任務(wù)管理機(jī)制，更好地完成系統(tǒng)的軟件編寫。系統(tǒng)采用基于μC/OS-II 的軟件設(shè)計(jì)方法，可以根據(jù)系統(tǒng)中各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，利用信號(hào)量、消息等完成對(duì)系統(tǒng)資源的分配和調(diào)度，提高系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性[5]。
????軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
?
????系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。
?
4 無(wú)線通信模塊的軟件實(shí)現(xiàn)
4.1 硬件模塊的驅(qū)動(dòng)
硬件模塊的驅(qū)動(dòng)是整個(gè)系統(tǒng)總體軟件架構(gòu)的最底層，在本系統(tǒng)中，串口主要用來(lái)與MC35i通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。在嵌入式系統(tǒng)中，串口通常采用查詢方式與中斷方式進(jìn)行工作。查詢方式實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較方便，其工作原理是CPU不斷查詢UART的狀態(tài)寄存器的某一位。本系統(tǒng)采用的就是查詢的工作方式。串口的查詢工作方式的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)代碼分別為:采用函數(shù)Uart_SendByte向串口發(fā)送一個(gè)字節(jié)的整型數(shù);采用函數(shù)Uart_SendString向串口送出一串字符;采用函數(shù)Uart_GetByte從串口接收一個(gè)字節(jié);采用函數(shù)Uart_GetString從串口接收一串字符。
4.2 應(yīng)用層通信的實(shí)現(xiàn)
模塊MC35i可以實(shí)現(xiàn)SMS短消息通信和GPRS無(wú)線通信。SMS短消息服務(wù)收費(fèi)低廉，可隨時(shí)隨地獲取信息，還可以實(shí)現(xiàn)全國(guó)及國(guó)際漫游。利用GSM短信系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線通信還具有雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，性能穩(wěn)定，為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送和監(jiān)控設(shè)備的通信提供了一個(gè)強(qiáng)大的支持平臺(tái)。
短信收發(fā)目前有兩種模式:基于AT指令的文本模式(Text Mode)和PDU模式(Protocol Description Unit)。文本模式和PDU模式實(shí)質(zhì)上是指短信息數(shù)據(jù)的編碼格式，編碼得到的字符串表面上由“0～9”、“A～F”這些字符組成。PDU編碼得到的字符串不僅包含可顯示的短信息本身，還包含很多其他信息，如短信服務(wù)中心號(hào)碼、目標(biāo)號(hào)碼、回復(fù)號(hào)碼、編碼方式和服務(wù)中心時(shí)間戳等。PDU模式可采用的編碼方式有三種:7-bit編碼、8-bit編碼和UCS-2編碼。7-bit編碼只能發(fā)送ASCII字符;8-bit編碼通常用于傳送數(shù)據(jù)信息;UCS-2編碼用于發(fā)送Unicode字符，例如中文。文本模式實(shí)際上也是由PDU模式顯現(xiàn)的位串編碼，與PDU模式的主要區(qū)別在于文本模式僅支持7-bit編碼，只能發(fā)送純英文和數(shù)字信息。本系統(tǒng)選用PDU模式下的8-bit編碼方式進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼。下面介紹SMS短消息方式通信的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。
4.2.1 MC35i模塊的初始化
MC35i模塊在短消息方式下的初始化過(guò)程大致為以下幾個(gè)步驟:
(1)發(fā)送ATZ
(2)發(fā)送ATE0
(3)發(fā)送AT+CREG
????(4)發(fā)送AT+CSMS=1/0
????(5)發(fā)送AT+CMGF=0
????(6)發(fā)送AT+CSCA=+86138*******
4.2.2 SMS短信傳輸數(shù)據(jù)的格式
????要實(shí)現(xiàn)SMS短信傳送數(shù)據(jù)，需要將數(shù)據(jù)分割并封裝成適合SMS短信數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包。每條SMS短信傳送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度有限，例如7-bit編碼最多160B，8-bit編碼最多140B。文件的字節(jié)數(shù)一般都遠(yuǎn)大于這個(gè)數(shù)值，所以需要首先將數(shù)據(jù)封裝成適合SMS短信傳送大小的數(shù)據(jù)包。在本系統(tǒng)中，SMS短信的編碼方式選用8-bit編碼，每條短信140B，數(shù)據(jù)包的格式定義如表1。
?
(1)數(shù)據(jù)包序號(hào):作為每個(gè)數(shù)據(jù)包次序的標(biāo)識(shí)，在數(shù)據(jù)還原時(shí)按照次序依次讀取數(shù)據(jù)序號(hào)，從1開始，最大9 999。
??? (2)數(shù)據(jù)包總數(shù):數(shù)據(jù)分割為數(shù)據(jù)包的總數(shù)量，接收方驗(yàn)證數(shù)據(jù)包的總數(shù)，判斷是否有數(shù)據(jù)包丟失。
??? (3)校驗(yàn)和:采用異或檢驗(yàn)。SMS短信通信質(zhì)量較為可靠，所以采用這種既簡(jiǎn)單又相當(dāng)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)方法。在發(fā)送方，讀取數(shù)據(jù)后，計(jì)算一次數(shù)據(jù)的校驗(yàn)值。在接收方，接收到數(shù)據(jù)后，也計(jì)算一次校驗(yàn)值，與接收到的校驗(yàn)值比較。
??? (4)數(shù)據(jù)負(fù)載:有效數(shù)據(jù)，讀取的是任意格式數(shù)據(jù)的二進(jìn)制值。順序依次讀取數(shù)據(jù)的二進(jìn)制值，每次131B，直到讀至數(shù)據(jù)結(jié)束。
4.2.3 短消息的發(fā)送和接收
??? 在對(duì)MC35i模塊成功進(jìn)行初始化后，模塊開始進(jìn)入工作狀態(tài)。如果系統(tǒng)此時(shí)需要發(fā)送短消息，則通過(guò)主控制器發(fā)送AT+CMGS=“***********”
短消息的收發(fā)流程如圖5所示。
?
嵌入式通信是進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和嵌入式系統(tǒng)信息交互的重要手段，利用GSM網(wǎng)絡(luò)是嵌入式無(wú)線通信設(shè)計(jì)的一種重要方法。GSM網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，用戶無(wú)需另外組網(wǎng)，節(jié)省了昂貴的建網(wǎng)費(fèi)和維護(hù)費(fèi)，同時(shí)它對(duì)用戶數(shù)量沒(méi)有限制，與傳統(tǒng)的集群系統(tǒng)相比在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋方面具有非常突出的優(yōu)勢(shì)。而GSM的SMS本身具備數(shù)據(jù)傳送功能，使得利用GSM短信息系統(tǒng)與嵌入式相結(jié)合在許多領(lǐng)域得到靈活應(yīng)用。
?
參考文獻(xiàn)
[1] 李享元，吳修鴻，馬麟，等.基于SMS的血壓遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究.Chinese Journal of Medical Instrumentation，2003.
[2] 王暉.醫(yī)用多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的基本原理及使用.中國(guó)醫(yī)療器械信息，2006，(4).
[3] 馬忠梅.ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ).北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002.
[4] Siemens Company.SIEMENS MC35 Multiplexer User′s Guide.2005.
[5] LABROSSE J J.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ，邵貝貝譯.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.