蔡思靜

（福建工程學院信息科學與技術(shù)學院，福建 福州350108）

隨著全球工業(yè)信息自動化進程的推進，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)滲透到社會生活的各個領(lǐng)域.同時，中國逐漸步入老齡化社會，進行居家老人及病患的智能醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)研究既有廣闊的技術(shù)空間，又有巨大的社會需求.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.射頻識別（RFID）在目標身份的信息獲取上有著不可取代的優(yōu)勢，其適用的識別環(huán)境廣泛，傳輸性能可靠，針對高速運動的物體有著很好的識別能力.但是，其無法獲取環(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)護系統(tǒng)的智能微塵（smart dust）模塊開發(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nRF24L01＋收發(fā)器內(nèi)核與MCU的協(xié)同合作，保證智能預微塵（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)護系統(tǒng)將完成：對患者生理參數(shù)及位置信息等的采集、采集節(jié)點與上位機之間的數(shù)據(jù)交互、上位機管理平臺的數(shù)據(jù)分析和處理，以及決策回傳及相應采集節(jié)點的執(zhí)行操作等.系統(tǒng)整體設(shè)計采用3層結(jié)構(gòu)：分布靈活的數(shù)據(jù)采集智能終端（采用無線傳輸方式）；具有智能終端與上位機交互的中間控制器（采用有線與無線相結(jié)合的傳輸方式）；基于PC平臺的監(jiān)護管理平臺（采用聯(lián)網(wǎng)管理方式）.系統(tǒng)由3部分組成，智能預微塵模塊（射頻傳感標簽）、閱讀控制模塊和監(jiān)護管理平臺.

智能預微塵模塊：由2.4GHz無線系統(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、上位機指令執(zhí)行及通過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.負責智能預微塵模塊與上位機之間數(shù)據(jù)交互，根據(jù)各個智能預微塵模塊提供的數(shù)據(jù)進行預處理，各個射頻傳感標簽的識別和防碰撞等功能.nRF24L01＋與智能預微塵模塊相互兼容，且根據(jù)RS232電器連接特性，其232串行端口RX、TX可以輕松實現(xiàn)與MSP430控制芯片的SPI串行口連接操作，實現(xiàn)射頻標簽讀寫模塊和MSP430控制芯片之間的數(shù)據(jù)交互.

監(jiān)護管理平臺：基于VS.net平臺，采用C＃語言進行數(shù)據(jù)庫開發(fā).該平臺將根據(jù)上傳的生理參數(shù)及位置信息進行數(shù)據(jù)存儲、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 智能預微塵模塊硬件設(shè)計

射頻傳感智能預微塵模塊將射頻識別標簽中的身份信息與傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)（本文為溫度傳感數(shù)據(jù)，系統(tǒng)提供冗余機制、預留P0.4、P0.5接口［2－3］，可以通過傳感器連接進行心電、脈象、血氧飽和度等多種生理指標監(jiān)測）進行數(shù)據(jù)融合，通過射頻識別協(xié)議和物理層標準完成數(shù)據(jù)傳輸.該模塊由nRF24LE01（4mm×4mm）、DS18B20及外圍電路組成，現(xiàn)階段的尺寸無法達到毫米級，但其微米級的半導體制造工藝及簡單外圍電路要求，且兼具身份信息和動態(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（微處理器和存儲器）、傳感監(jiān)測單元、射頻通信單元和電源控制單元組成.

微控制單元：采用增強型8051內(nèi)核，負責協(xié)調(diào)各功能模塊工作，如傳感數(shù)據(jù)的存儲、預處理，電源工作模式控制，射頻模塊調(diào)用等.

傳感監(jiān)測單元：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 智能預微塵模塊軟件設(shè)計

3.1 模塊軟構(gòu)件設(shè)計

模塊采用C語言開發(fā)，進行模塊化軟構(gòu)件設(shè)計.首先進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nRF24L01＋進行收發(fā)模式調(diào)用.此外，模塊還提供了簡單指令的執(zhí)行（如提醒、警報等），電壓檢測等功能.模塊的發(fā)送流程如圖1所示.nRF24L01＋啟動Enhanced ShockBurstTM模式發(fā)數(shù)據(jù)，發(fā)送完數(shù)據(jù)后nRF24L01＋轉(zhuǎn)到接收模式等待應答信號.模塊通過SETUP＿RETR＿ARC寄存器設(shè)置重發(fā)機制，超過重發(fā)次數(shù)時，產(chǎn)生MAX＿RT中斷.這一設(shè)置將節(jié)省節(jié)點能耗，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)功能是整個設(shè)計的重點，系統(tǒng)通過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)流功能實現(xiàn)

模塊通過ANT1、ANT2提供穩(wěn)定的射頻輸出，復用P0.0、P0.1的CKLFb和CKLFc進行16和32MHz雙晶振設(shè)計，以減低能耗.P0.2和P0.3復用為串行外設(shè)接口（SPI）接口，P0.6復用為串行數(shù)據(jù)通信端，通過 RF＿PWR位進行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，通過接口參數(shù)提供各個功能模塊的組合調(diào)用，部分代碼如下：

3.4 模塊測試

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

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

2）傳感模塊分辨率測試.經(jīng)計算溫度平均值和溫度標準差結(jié)果見表1，均達到了系統(tǒng)性能要求.

3）回傳指令執(zhí)行情況測試.主要測試射頻傳感標簽對上位機回傳指令的響應能力.實驗設(shè)計上位機的溫度預警為36℃，當測試人員手握傳感器時，射頻傳感器發(fā)出了報警鳴叫，準確響應了回傳指令.

4 結(jié) 論

本文進行了智能監(jiān)護終端的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究，針對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)計思路，完成了智能監(jiān)護終端的Smart Pre－Dust模塊設(shè)計.項目進行了模塊測試，測試結(jié)果表明：Smart Pre－Dust模塊的無線通信功能滿足性能要求，準確完成傳感數(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)計需要，傳感溫度的標準差值小于0.1℃.此外，Smart Pre－Dust對上位機回傳指令的響應和執(zhí)行功能正常，符合智能監(jiān)護終端的通信傳感需求，并為smart dust的實現(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)智能終端開發(fā)具備現(xiàn)實意義.與此同時，本研究還處于初級階段，引入FPGA技術(shù)將是下一階段的研究工作.

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

［1］肖林榮，應時彥，馬躍坤，等.2.4GHz射頻收發(fā)芯片nRF24LE1及其應用［J］.信息技術(shù)，2009，12（13）：13－16，20.

［2］藍會立，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)測系統(tǒng)研制［J］.計算機測量與控制，2013，21（4）：910－912.

［3］董一伯，鄭重，劉久文，等.基于nRF24LE01的無線報警系統(tǒng) 設(shè) 計 與 實 現(xiàn) ［J］.電 子 測 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別系統(tǒng)的設(shè)計［J］.現(xiàn)代雷達，2012，34（12）：12－15，19.