基于物聯網技術的遠程血糖監測系統應用研究

王 巍

（平頂山學院，平頂山467000）

基于物聯網技術的遠程血糖監測系統應用研究

王 巍

（平頂山學院，平頂山467000）

遠程血糖監測系統主要利用傳感器、Zigbee等物聯網技術實現，該系統使用無創式血糖值傳感器采集血糖數據，通過CC2430完成數模轉換，通過Zigbee技術完成無線數據的傳輸，最終將數據顯示在智能終端，并通過互聯網技術將數據傳輸到醫院或親屬的智能終端設備上，完成對病人或親屬血糖的遠程監護功能。該系統能夠實現對患者實時、遠程、互聯的信息化管理，讓醫院、患者、家屬在院內院外全天候無縫對接。

物聯網技術；遠程監測；血糖監測；傳感器；Zigbee技術；互聯網技術

1 引言

糖尿病是人們熟悉的慢性病之一，根據“IDF全球糖尿病概覽”，至2035年糖尿病患者的數量將達到1.43億。隨著糖尿病發病率的逐年增加，有效控制糖尿病已引起廣泛重視，糖尿病的病情監測是糖尿病防治的一個非常重要環節[1]。如果患者都在醫院進行檢測，這將會給資源緊張的醫院帶來沉重壓力，這就促使了遠程血糖檢測系統的進一步發展。

物聯網技術在工業控制領域的廣泛應用，為醫療器械智能化提供了新的解決方案。論文設計的遠程智能血糖監控系統采用LPC2220作為主控制器，外部配備有液晶顯示器，簡單易用的鍵盤輸入模塊，可調的實時時鐘模塊，語音提示模塊為患者和血糖儀之間搭建了友好橋梁；而Zigbee無線傳輸模塊可將存儲在FLASH里的血糖數據定期上傳到PC機或手機端上，為進一步分析做準備。同時，本系統將專家系統和知識庫系統固化在系統中，用戶可以根據測出的血糖值所處的范圍，得到專家系統的健康提示。

2 血糖檢測系統硬件主要功能模塊設計

血糖檢測系統是以電生物化學原理（施加一定電壓于經酶反應后的血液產生的電流會隨血液中血糖濃度的增加而增加）為依據，用處理器對采集到的數據進行分析、處理，用Flash對數據進行存儲，用電子液晶顯示屏顯示數據的一種儀器設備。該系統的硬件功能模塊包括LPC2220、時鐘模塊、調試模塊、液晶顯示器、輸入輸出模塊、傳感器模塊、Zigbee無線數據傳輸等[2]。該血糖監測系統硬件實現的原理圖如圖1所示。

血糖監測系統的核心器控制件采用NXP公司的LPC2220作為主控制器，它是基于一個支持實時仿真和嵌入跟蹤的32/16位ARM7TDMI-S內核的微處理器，相比其他以單片機為核心的血糖監測儀具有功耗低、擴展性良好和處理冗余的優勢。LPC2220資源非常豐富:64KB片內靜態RAM、2個可編程SPI接口、2個32位可編程定時器、8路10位AD轉換器、PWM模塊、空閑和掉電兩個低功耗模式以及多達9個外部中斷管腳、多達76個通用I/O口等，可實現最大75MHz的CPU操作頻率等。LPC2220支持雙電源操作，CPU操作電壓范圍：1.65-1.95V，I/O操作電壓范圍：3.0-3.6V，工作電流在1.8V/+25℃時50mA左右，當處于掉電模式，1.8V/+25℃時，工作電流為 10uA[3]。

圖1 硬件實現原理圖

2.1 處理器模塊

主控制器LPC2220具備外部存儲器接口，該系統將外部存儲器控制（EMC）擴展為4個memory bank的存儲器組（Bank0～Bank3），每個存儲器組的存儲空間大小為16M字節，總線寬度采用16位設置，因為使用16位總線寬度的存儲器具有較高的性價比[4]。

由于LPC2220芯片內部不含FLASH，所以系統將外部存儲器接口擴展一片1M×16bit FLASH用來存儲程序代碼和字庫，擴展4M×16bit SRAM用做數據存儲器，以上構成處理器模塊的存儲器系統。

在血糖監測系統中，將存儲器組配置成16位總線寬度，因此不需要使用地址線A0，如圖2所示。其中，“a_b”表示地址總線的最高位地址線，“a_m”表示存儲器芯片的最高位地址線[5]。倘若存儲器組配置成32位寬度，則地址線A0和A1無用；若配置成8位寬度，則需要使用最低位地址線A0。

圖2 存儲器組設計圖

由于應用程序代碼需要固化在FLASH中，而LPC2220的引導存儲體是由CS0片選信號決定的。所以，在血糖儀中，LPC2220的CS0與CS1通過一個跳線器可以分別和FLASH或SRAM相連接。調試時，通常將CS0與SRAM的片選引腳相連，應用程序代碼下載到SRAM中運行調試，但掉電即失。調試成功后，需要將CS0切換到與FLASH的片選引腳相連，這樣固化在FLASH中的應用程序就可以正常啟動。

2.2 輸出顯示設備

本系統的輸出顯示設備采用以ST7529為控制器的32級灰度點陣STN型液晶顯示器，如圖3所示。它的最大分辨率為255×160點陣，每一個點陣占用5bit數據。將微處理器LPC2220與STN7529連接，A1是數據/指令選擇信號，CS3是片選信號,所以命令操作地址為0x83000000,數據操作地址為0x83000002[6]。由于微處理器LPC2220芯片與STN-7529的管腳電平相兼容，供電電平都是3.3V，所以，兩者相連接時無需電平轉換芯片即可保證數據的可靠傳輸，采用16位總線方式。

由于在液晶內部，存在電壓轉換電路、電壓調整電路和電壓跟隨電路，所以需要將外部的供電電壓3.3V作為基準電壓，采用5倍壓的方式提供給液晶內部的這三種電路。

圖3 輸出設備原理圖

2.3 按鍵輸入設備

考慮到操作血糖監測系統的易操作性，鍵盤輸入電路只有5個按鍵，分別定義為“上”、“下”、“左”、“右”和“確定/返回”五項功能。為了節約LPC2220外部中斷管腳，系統使用5個按鍵和1個與門芯片，實現Y=A&B&C&D&E邏輯，只要輸出口Y連接在LPC2220外部中斷接口上，其他5個按鍵只需要一般的I/O口即可。系統運行中只要有任何一個按鍵按下就可以向CPU發送中斷信號，中斷服務程序只需判斷是哪一個按鍵按下即可。系統設置中斷為邊沿觸發方式。系統中，鍵盤中斷入口為LPC2220的EINT3。

2.4 Zigbee無線通信模塊

Zigbee模塊的主要功能是將存儲在FLASH中監測到的數據通過無線信號傳輸到應用終端軟件中。Zigbee模塊選用CC2530F256作為控制器，用戶可通過串口指令軟件修改，2405MHz～2480MHz,步進5M，共16個信道，占用LPC2220外部存儲模組的Bank2，其數據地址為0x82000000，命令地址為0x82000001。

3 硬件功耗設計

因血糖監測需要隨時隨地進行，在設計該系統時如果能降低硬件功耗，將會大大提升血糖監測的使用效率。硬件設計降低功耗主要在以下幾個方面進行，選擇合適的集成電路器件，設計合理的電源管理方案和集成電路板。

3.1 集成電路器件選擇

由于器件功率與工作電壓的平方成正比，所以降低功耗最直接的方法就是降低芯片的工作電壓。CMOS電路具有功耗低、抗干擾能力強、驅動能力大的優點，所以該系統在設計時盡可能選擇低電壓、低功耗的CMOS器件[7]。

在系統運行過程中，CPU頻繁操作的就是存儲器、液晶顯示器兩大部件，因此選擇合適的存儲器芯片和液晶驅動芯片也是降低功耗的主要途徑之一。LPC2220的供電電壓是3.3V，而系統運行時的內核供電只需1.8V即可。SST39VF1601本身就是一個CMOS多功能FLASH器件，而且工作電壓范圍為2.7～3.6V，IS61LV25616AL也是一個高速同步CMOS靜態RAM器件，工作電壓為3.3V。

液晶顯示器內部需要倍壓供給不同的模塊，但是也是3.3V的供電電壓，升壓模塊在液晶驅動電路內部實現，這樣也能在一定程度上減少系統元器件的數量，降低功耗。

3.2 電源管理的設計

LPC2220微控制器需要使用兩組電源，I/O供電電源為3.3V，內核及片內外設供電電源均為1.8V，系統其他外圍設備的芯片從節約功耗的角度考慮都選用了3.3V供電芯片，所以系統設計為3.3V應用系統[8]。系統脫機運行時，通常采用電池供電。從工作電壓范圍、電流消耗、重量及尺寸等方面考慮，系統選擇鋰金屬電池供電。

系統調試時，通過特制轉接頭，可接5V開關電源，系統通過兩個LDO芯片（SPX1117-1.8和SPX1117-3.3）將 5V電壓轉換成 3.3V和 1.8V。SPX1117系列的LDO芯片輸出電流可達800mA，輸出電壓的精度在1%以內，還具有電流限制和熱保護功能。與軟件相結合，采用動態供電的方式也是降低功耗的有效途徑。對于不是一直處于工作狀態的功能模塊，只要根據其工作時段提供工作電壓就可以節省功耗。同時，對于可編程器件，可由軟件操作控制器件進入空閑或掉電等低功耗模式來降低系統功耗。

4 系統控制程序設計

系統上電后，首先啟動代碼將根據目標板上外部存儲模塊的配置情況，初始化外部總線控制器，這部分任務主要由Startup.S中的ResetInit代碼段完成。由于系統主要使用C語言進行開發和移植，因此，在使用C代碼之前，必須分配堆棧。然后，系統初始化存儲器重映射方式，初始化系統的PLL時鐘寄存器，使能中斷向量控制器（VIC），初始化所有的中斷為IRQ類型。最后，系統進入main函數，即血糖儀主應用程序。

當血糖儀加電后，進入主界面，用戶可以通過鍵盤自由選擇測量血糖的模式。如果在設定時間內沒有用戶輸入，那么系統將進入掉電模式以節省功耗，系統主程序運行流程圖如圖4所示。

5 系統測試

系統軟硬件設計完成后，需要對系統的功能和性能進行測試。在ADS中對應用程序進行編譯，編譯成功后生成二進制文件，然后將該文件燒入到系統NOR FLASH中，啟動系統，系統啟動后，出現運行速度過緩的問題。經查找原因，發現是地址重映射寄存器 MEMMAP被設置為 0x3，PC指針從0x00000000中取數就等于從0x80000000中取數，而NOR FLASH的讀寫速度本身就很慢，所以造成 了系統運行緩慢。

圖4 程序運行流程圖

經過改進，將NOR FLASH中的程序代碼搬移到系統的外部SRAM中運行，這樣就大大提高了系統運行速度。首先編寫系統啟動代碼bootloader，并將bootloader燒寫到NOR FLASH的起始位置；然后保持系統的應用程序代碼存儲在NOR FLASH中，bootloader之后；bootloader的任務就是拷貝應用程序代碼至SRAM中，然后PC指針跳轉到SRAM中應用程序代碼的起始位置開始執行。這樣就避免了應用程序在NOR FLASH中運行帶來的速度過緩問題。

6 結束語

論文主要介紹遠程血糖監控系統在軟硬件設計時的若干關鍵技術。首先介紹了該系統在硬件設計時處理器、輸出顯示設備、輸入顯示設備、Zigbee無線通信模塊的設計方式和功耗控制。然后分析系統的軟件開發流程，給出軟件降低系統功耗的方法。通過測試，找到了系統運行速度較慢的原因，通過調整軟件代碼的位置提高了系統運行速率。該方案嵌入了專家系統，能夠為患者提供友好的，人性化的診斷服務，操作簡便，功耗低，可移植性好，滿足了遠程監控需求。

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Application Research of Remote Blood Glucose Monitoring System Based on Internet of Things

Wang Wei
（Pingdingshan University，Pingdingshan 467000，China）

The remote blood glucose monitoring system uses Internet of things technology such as sensor and Zigbee implements，and uses noninvasive blood glucose values sensor for glucose data，the CC2430 for Digital-to-Analogue Conversion and the Zigbee technology for wireless data transmission，finally displays the data in the intelligent terminal.Then the data are transmitted by Internet to the intelligent terminal equipment of the hospital or relatives to complete function of blood glucose remote monitoring for the patients or the relatives.The system will implement remote management in realtime，remote and interconnection for patients and achieve all-weather seamless connecting between the hospital，the patients and the families.

Internet Technology；Remote monitoring；Blood glucose monitoring；Sensor；Zigbee technology；Internet technology

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.03.015

TP368

A

1002-2279-（2017）03-0071-04

王巍（1965-），男，河南省南陽市人，教授，碩士研究生，主研方向：信息處理。

2016-10-14