智能監護系統的智能預微塵模塊設計

蔡思靜

（福建工程學院信息科學與技術學院，福建 福州350108）

隨著全球工業信息自動化進程的推進，物聯網技術滲透到社會生活的各個領域.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療監護系統研究既有廣闊的技術空間，又有巨大的社會需求.現階段醫療物聯網技術研究是醫療行業的一支全新的交叉領域前沿課題.射頻識別（RFID）在目標身份的信息獲取上有著不可取代的優勢，其適用的識別環境廣泛，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，其無法獲取環境信息，而傳感模塊具備很好的環境感知能力.因此，在射頻識別系統中引入傳感功能模塊，將為物聯網環境下智能監護終端研究提供有利的技術支持，甚至為物聯網技術在智能監護系統的智能微塵（smart dust）模塊開發提供理論依據.本文采用0.18μm CMOS 制 造 工 藝 的nRF24LE01芯片［1］，系統通過nRF24L01＋收發器內核與MCU的協同合作，保證智能預微塵（smart predust）的核心模塊（傳輸數據流功能模塊）的有效工作.

1 系統概述

物聯網環境下的智能監護系統將完成：對患者生理參數及位置信息等的采集、采集節點與上位機之間的數據交互、上位機管理平臺的數據分析和處理，以及決策回傳及相應采集節點的執行操作等.系統整體設計采用3層結構：分布靈活的數據采集智能終端（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合的傳輸方式）；基于PC平臺的監護管理平臺（采用聯網管理方式）.系統由3部分組成，智能預微塵模塊（射頻傳感標簽）、閱讀控制模塊和監護管理平臺.

智能預微塵模塊：由2.4GHz無線系統芯片（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、生理參數采集、上位機指令執行及通過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據交互，根據各個智能預微塵模塊提供的數據進行預處理，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RS232電器連接特性，其232串行端口RX、TX可以輕松實現與MSP430控制芯片的SPI串行口連接操作，實現射頻標簽讀寫模塊和MSP430控制芯片之間的數據交互.

監護管理平臺：基于VS.net平臺，采用C＃語言進行數據庫開發.該平臺將根據上傳的生理參數及位置信息進行數據存儲、分析處理、指令回傳等，此外，還將提供用戶角色控制和數據通信等功能.

2 智能預微塵模塊硬件設計

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測數據（本文為溫度傳感數據，系統提供冗余機制、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測）進行數據融合，通過射頻識別協議和物理層標準完成數據傳輸.該模塊由nRF24LE01（4mm×4mm）、DS18B20及外圍電路組成，現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環境信息采集的集成能力已經初具智能微塵雛形.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內核，負責協調各功能模塊工作，如傳感數據的存儲、預處理，電源工作模式控制，射頻模塊調用等.

傳感監測單元：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計

3.1 模塊軟構件設計

模塊采用C語言開發，進行模塊化軟構件設計.首先進行控制單元的初始化、參數配置、nRF24LE01和DS18B20的端口初始化及外圍模塊配置等，然后啟動nRF24L01＋進行收發模式調用.此外，模塊還提供了簡單指令的執行（如提醒、警報等），電壓檢測等功能.模塊的發送流程如圖1所示.nRF24L01＋啟動Enhanced ShockBurstTM模式發數據，發送完數據后nRF24L01＋轉到接收模式等待應答信號.模塊通過SETUP＿RETR＿ARC寄存器設置重發機制，超過重發次數時，產生MAX＿RT中斷.這一設置將節省節點能耗，集成高速鏈路層操作.

3.2 傳輸數據流功能分析

模塊數據流的可靠收發功能是整個設計的重點，系統通過nRF24L01＋收發器與8051內核協同工作，nRF24LE01采用 Enhanced ShockBurstTM收 發 模 式，射頻收發器配置為Power Down、Standly、TX、RX等4種模式6種狀態［4］.其發送模式狀態如圖2所示.

圖1 模塊發送流程圖Fig.1 Flow chart of transmission modules

圖2 數據流發射模式狀態圖Fig.2 State diagram of flow transmission model

3.3 傳輸數據流功能實現

模塊通過ANT1、ANT2提供穩定的射頻輸出，復用P0.0、P0.1的CKLFb和CKLFc進行16和32MHz雙晶振設計，以減低能耗.P0.2和P0.3復用為串行外設接口（SPI）接口，P0.6復用為串行數據通信端，通過 RF＿PWR位進行PA輸出功率控制，射頻頻率滿足公式（1）.

軟構件采用模塊化設計，通過接口參數提供各個功能模塊的組合調用，部分代碼如下：

3.4 模塊測試

系統 測 試 采 用：Enhanced ShockBurstTM收 發 模式，32bit動態數據載荷，發射功率為0dB，RS232串口與PC機相連，波特率采用9 600bits／s.系統進行了3組測試分析：

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

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

3）回傳指令執行情況測試.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，射頻傳感器發出了報警鳴叫，準確響應了回傳指令.

4 結 論

本文進行了智能監護終端的物聯網技術研究，針對智能終端的感知和通信性能需求，系統采用射頻傳感技術，并結合smart dust設計思路，完成了智能監護終端的Smart Pre－Dust模塊設計.項目進行了模塊測試，測試結果表明：Smart Pre－Dust模塊的無線通信功能滿足性能要求，準確完成傳感數據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行功能正常，符合智能監護終端的通信傳感需求，并為smart dust的實現提供了技術支持.研究表明，結合射頻與傳感技術，完成醫療物聯網技術智能終端開發具備現實意義.與此同時，本研究還處于初級階段，引入FPGA技術將是下一階段的研究工作.

表1 溫度測量數據表Tab.1 Measurement data of temperature

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

［2］藍會立，羅功坤，廖鳳依，等.基于傳感器網絡的煙葉發酵溫濕度監測系統研制［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 設 計 與 實 現 ［J］.電 子 測 量 技 術，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的設計［J］.現代雷達，2012，34（12）：12－15，19.