摘? 要: 介紹一種具有短信息無線通訊功能的低功耗嵌入式多參數(shù)監(jiān)護儀，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， 通過低功耗的16位單片機MSP430完成數(shù)據采集，可實現(xiàn)心電、血氧、血壓、體溫信號的實時監(jiān)測。系統(tǒng)采用西門子MC35i無線傳輸模塊，實現(xiàn)生理參數(shù)以SMS方式無線傳輸，具有輕便節(jié)能、安全穩(wěn)定等優(yōu)點。
關鍵詞: ARM7;MC35i;SMS;MSP430;μC/OS-II
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隨著社會的進步和生活水平的提高，人們對健康的要求越來越高，醫(yī)院開始轉變醫(yī)療模式，從以治療為主轉向以預防為主，以醫(yī)院為中心轉向以家庭為中心。在這種形勢下，生理監(jiān)護儀器成為解決疾病預防的重要手段。近年來，無線傳輸技術被引入醫(yī)療健康領域，以提供“無時、無處不在”的便攜式健康服務。目前，移動通信網絡已覆蓋至縣鄉(xiāng)級，大中城市的覆蓋率幾乎達到100%。因此，基于移動通信GSM(Global System for Mobile Communication)的短信服務SMS(Short Message Service)與醫(yī)療設備相結合具有較強的使用優(yōu)勢，病人只要在GSM網覆蓋的地方都可以得到監(jiān)護，醫(yī)療過程可以被更好地跟蹤，醫(yī)學儀器得以更有效地利用[1]。
本系統(tǒng)通過在人體部位設置相應探頭，對生理參數(shù)信號(血氧、心電、血壓、體溫)進行實時采集、放大后轉換成數(shù)字信號，通過DSP進行濾波，去除噪聲信號，得到所需要的信號，然后根據這些信號計算出血壓、血氧、心率和血液粘稠度等參數(shù)[2]，并通過MCU對參數(shù)實時顯示。同時，將采集到的數(shù)據通過無線通信模塊以短信的形式發(fā)送到醫(yī)院等監(jiān)護中心。
1 系統(tǒng)介紹
作為一個便攜式儀器，要求使用安全、體積小巧、連接可靠、操作簡單且性能穩(wěn)定。因此系統(tǒng)信號采集模塊以MSP430為核心完成信號的AD轉換和串口發(fā)送;數(shù)據處理模塊以S3C44BOX為核心完成對數(shù)據的處理以及LCD驅動;無線通信模塊則是以西門子MC35i為核心實現(xiàn)數(shù)據以短信形式傳輸。無線通信與嵌入式監(jiān)護儀的結合是當前監(jiān)護儀設計的一種拓展，也是監(jiān)護儀發(fā)展的一個方向，因此，本文將重點介紹無線通信模塊的設計。
系統(tǒng)硬件部分總體框圖如圖1所示。
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1.1 信號采集模塊
信號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轉換和串口發(fā)送單元組成。系統(tǒng)采用雙極性標準導聯(lián)采集人體的心電信號，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)的無創(chuàng)血壓采集方法——袖帶式，通過壓力傳感器轉換成電信號;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MSP430F149作為信號處理模塊的核心，使用其內部豐富的資源完成采集信號的AD轉換和與下位機的通信;采用MSP430F149內置的串口接收數(shù)據處理系統(tǒng)的指令，采集相應的生理信號并將其傳送到數(shù)據處理系統(tǒng)中。
1.2 信號處理模塊
信號處理模塊的主要功能是設置系統(tǒng)的工作狀態(tài)，接收、執(zhí)行用戶指令來確定采集的生理信號，并對信號采集模塊傳輸來的信號進行軟件濾波，根據濾波后的波形數(shù)據采用合適的算法計算得到所需要的生理參數(shù)。系統(tǒng)通過對心電信號的處理，可以檢測并計算出心率;通過對脈搏波信號的特征檢測計算出血氧飽和度和血液粘稠度參數(shù)，根據采集到的體溫信號計算得到人體的體溫值。信號處理模塊的核心是ARM芯片S3C44BOX，完成波形數(shù)據的處理和計算、驅動LCD等功能[3]。
1.3 無線通信模塊
系統(tǒng)的無線通信模塊采用西門子公司的MC35i。S3C44BOX通過RS232接口與MC35i模塊連接，實現(xiàn)無線通信模塊與MPU之間的通信，通過AT(AT-command)指令控制MC35i的操作。
2 無線通信模塊的硬件實現(xiàn)
MC35i模塊支持語音通信，有GPRS、USSR和CSD三種數(shù)據傳輸方式以及SMS和FAX功能;模塊具有體積小、重量輕、功耗低等特點。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 1800兩個頻段;工作于EGSM900時功耗為2W，工作于GSM 1800時功耗為1W，利用AT指令進行控制[4]。
2.1 MC35i模塊的SIM卡接口
MC35i模塊是機卡分離的移動終端設備，要登陸到移動網絡上，還必須通過其SIM卡接口擴展外部SIM卡插槽。MC35i模塊的SIM卡接口符合ISO 7816-3 IC卡標準，共有6個引腳，各個引腳的作用和定義如下:
(1)CCRST:SIM卡復位，由基帶處理器提供。
(2)CCCLK:SIM卡時鐘，基帶處理器可以設置不同的時鐘頻率。
(3)CCIO:串行數(shù)據線，輸入和輸出。
(4)CCIN:檢測SIM卡插槽中是否有卡輸入到基帶處理器;如果SIM卡在操作過程中把SIM卡拔出，SIM卡接口將立即關閉。這個功能是為了防止SIM卡損壞，但應該避免在工作時插入或者拔出SIM卡。
(5)CCVCC:SIM卡供電電源。
(6)CCGND:獨立的SIM卡地。
2.2 MC35i的串行接口
MC35i的數(shù)據接口是一個串行異步通訊收發(fā)器，可以方便地與主控制器相連接。數(shù)據接口定義為8個數(shù)據位。MC35i的串行接口引腳作用及數(shù)據方向定義如下:
· TXD0:數(shù)據發(fā)送，輸入;
· RDX0:數(shù)據接收，輸出;
????· RTS0:接收就緒，輸入;
????· CTS0:發(fā)送請求，輸出;
????· DTR0:數(shù)據發(fā)送就緒，輸入;
????· DSR0:數(shù)據準備好發(fā)送，輸出;
????· DCD0:載波檢測，輸出;
????· RING0:振鈴輸出，輸出。
2.3 MC35i模塊的電源接口
????MC35i模塊內部電源功能由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程，并通過VDD引腳為外部應用提供穩(wěn)壓后的2.9V電源。同時，基帶處理器周期性地發(fā)送信號給ASIC作為看門狗信號，保持對MC35i模塊各部分供電。一旦看門狗脈沖沒有正常送到，模塊將自動關機。MC35i模塊與主控制器、SIM卡、電源的引腳接口如圖2所示。
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3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)
本系統(tǒng)采用嵌入式實時多任務軟件設計方法，在RTOS平臺上進行嵌入式模塊化應用軟件開發(fā)，以便于后期的系統(tǒng)升級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內核的S3C44B0X硬件平臺，應用μC/OS-II 的內核多任務管理機制，更好地完成系統(tǒng)的軟件編寫。系統(tǒng)采用基于μC/OS-II 的軟件設計方法，可以根據系統(tǒng)中各任務的優(yōu)先級，利用信號量、消息等完成對系統(tǒng)資源的分配和調度，提高系統(tǒng)的可靠性和實時性[5]。
????軟件系統(tǒng)結構如圖3所示。
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????系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。
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4 無線通信模塊的軟件實現(xiàn)
4.1 硬件模塊的驅動
硬件模塊的驅動是整個系統(tǒng)總體軟件架構的最底層，在本系統(tǒng)中，串口主要用來與MC35i通信模塊進行數(shù)據通信。在嵌入式系統(tǒng)中，串口通常采用查詢方式與中斷方式進行工作。查詢方式實現(xiàn)起來比較方便，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動實現(xiàn)代碼分別為:采用函數(shù)Uart_SendByte向串口發(fā)送一個字節(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從串口接收一個字節(jié);采用函數(shù)Uart_GetString從串口接收一串字符。
4.2 應用層通信的實現(xiàn)
模塊MC35i可以實現(xiàn)SMS短消息通信和GPRS無線通信。SMS短消息服務收費低廉，可隨時隨地獲取信息，還可以實現(xiàn)全國及國際漫游。利用GSM短信系統(tǒng)進行無線通信還具有雙向數(shù)據傳輸功能，性能穩(wěn)定，為遠程數(shù)據傳送和監(jiān)控設備的通信提供了一個強大的支持平臺。
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模式實質上是指短信息數(shù)據的編碼格式，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，如短信服務中心號碼、目標號碼、回復號碼、編碼方式和服務中心時間戳等。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)據信息;UCS-2編碼用于發(fā)送Unicode字符，例如中文。文本模式實際上也是由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編碼方式進行數(shù)據編碼。下面介紹SMS短消息方式通信的實現(xiàn)過程。
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程大致為以下幾個步驟:
(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)據的格式
????要實現(xiàn)SMS短信傳送數(shù)據，需要將數(shù)據分割并封裝成適合SMS短信數(shù)據長度的數(shù)據包。每條SMS短信傳送的數(shù)據長度有限，例如7-bit編碼最多160B，8-bit編碼最多140B。文件的字節(jié)數(shù)一般都遠大于這個數(shù)值，所以需要首先將數(shù)據封裝成適合SMS短信傳送大小的數(shù)據包。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)據包的格式定義如表1。
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(1)數(shù)據包序號:作為每個數(shù)據包次序的標識，在數(shù)據還原時按照次序依次讀取數(shù)據序號，從1開始，最大9 999。
??? (2)數(shù)據包總數(shù):數(shù)據分割為數(shù)據包的總數(shù)量，接收方驗證數(shù)據包的總數(shù)，判斷是否有數(shù)據包丟失。
??? (3)校驗和:采用異或檢驗。SMS短信通信質量較為可靠，所以采用這種既簡單又相當準確的數(shù)據檢驗方法。在發(fā)送方，讀取數(shù)據后，計算一次數(shù)據的校驗值。在接收方，接收到數(shù)據后，也計算一次校驗值，與接收到的校驗值比較。
??? (4)數(shù)據負載:有效數(shù)據，讀取的是任意格式數(shù)據的二進制值。順序依次讀取數(shù)據的二進制值，每次131B，直到讀至數(shù)據結束。
4.2.3 短消息的發(fā)送和接收
??? 在對MC35i模塊成功進行初始化后，模塊開始進入工作狀態(tài)。如果系統(tǒng)此時需要發(fā)送短消息，則通過主控制器發(fā)送AT+CMGS=“***********”
短消息的收發(fā)流程如圖5所示。
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嵌入式通信是進行遠程控制和嵌入式系統(tǒng)信息交互的重要手段，利用GSM網絡是嵌入式無線通信設計的一種重要方法。GSM網絡具有網絡能力強的特點，用戶無需另外組網，節(jié)省了昂貴的建網費和維護費，同時它對用戶數(shù)量沒有限制，與傳統(tǒng)的集群系統(tǒng)相比在無線網絡覆蓋方面具有非常突出的優(yōu)勢。而GSM的SMS本身具備數(shù)據傳送功能，使得利用GSM短信息系統(tǒng)與嵌入式相結合在許多領域得到靈活應用。
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參考文獻
[1] 李享元，吳修鴻，馬麟，等.基于SMS的血壓遠程監(jiān)護系統(tǒng)的研究.Chinese Journal of Medical Instrumentation，2003.
[2] 王暉.醫(yī)用多參數(shù)監(jiān)護儀的基本原理及使用.中國醫(yī)療器械信息，2006，(4).
[3] 馬忠梅.ARM嵌入式處理器結構與應用基礎.北京:北京航空航天大學出版社，2002.
[4] Siemens Company.SIEMENS MC35 Multiplexer User′s Guide.2005.
[5] LABROSSE J J.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ，邵貝貝譯.北京:北京航空航天大學出版社，2003.