多功能監護儀的無線通訊系統

摘 要：提出并設計了一種用于多功能監護儀的無線通訊系統，通過星型網絡和一個無線網關把一個房間內的監護儀的信號送入公司的局域網，使監護儀擺脫了電纜的限制，實現了醫療監護系統的網絡化。在不改變該儀器的基礎上通過自定的協議和虛擬通道，實現了該儀器與網絡之間數據的透明傳輸。同時與其他設計方案做了對比，說明了本設計的優越性。

關鍵詞：STR912FW44;nRF24L01;多功能監護儀;無線網絡;ZigBee

中圖分類號：TN919 文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0306702

A Wireless Communication System for Multifunction Monitor

YANG Ying，XU Zhao，WANG Wenming，LI li

(College of Information and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，221116，China)

Abstract：This paper describes a wireless communication system for multifunction monitor.Based on no altering of the instrument，it sends the monitor signal of one room to the company′s local area network through star network and a wireless gateway.Thought the protocol that own made and virtual channels，it implements the data transparent transmission between the instrument and network.And it compares to other design alternative and indicates this design′s superiority.

Keywords：STR912FW44;nRF24L01;multifunction monitor;wireless network;ZigBee

1 引 言

多功能監護儀是一種常用的臨床醫療器械，他可以把病人的心電(ECG)、呼吸(RESP)、血氧飽和度(SPO2)、血壓(BP)等參數顯示出來，通過24小時對病人各種生理參數的監測及分析，在某一生理機能參數超出規定數值時便發出警報，提醒醫護人員及病人家屬進行搶救的一種監護系統，是醫護人員診斷、治療及搶救的重要器械。

傳統的監護儀一般通過串口與主監護室相連，布線不方便而且僅局限于手術過程和ICU病房的監護，限制了其使用價值，不能滿足所有臨床科室的使用。本文設計了一套無線通訊系統，通過星型網絡和一個無線網關把一個房間內的監護儀的信號送入公司的局域網，使監護儀擺脫了電纜的限制，實現了醫療監護系統的網絡化，同時通過內置的電池，可以放在任何臨床病人需要的場合。

2 系統描述

本系統不需要改動原監護儀的任何軟件，最大限度地保護原有的設計投入。本系統只是在監護儀與醫院的局域網之間通過無線網絡，建立起上行與下行的兩個虛擬通道，實現數據的透明傳輸。該系統的無線頻率選擇在2.4 GHz的ISM頻段，由1臺主機與6臺分機構成。由于原來設計的串口通訊速度一般為19 200 b/s，在6臺分機同時需要傳輸數據的情況下，主機的速度會達到19 200*6 b/s，再加上協議的開銷，因此對主機的處理能力和無線傳輸的速度提出了很高的要求，同時還要處理與局域網連接的TCP/IP協議，一般的8位單片機達不到設計要求。本設計采用了ST的STR912FW44作為主機的控制器，而從機由于只負責數據的收發，采用了相對簡單的8位機ATmega8作為控制器，無線芯片采用nRF的nRF24L01，2 Mb/s無線數據鏈路，可以確保系統對速度的要求。另外，nRF24L01集成了自動發送和接收數據包、發送和應答信號、檢測和重發丟失數據包、存儲沒有收到應答信號的數據包等功能，所以可以自動重發丟失的數據包，從而確保用戶終端的可靠性。詳細的系統框圖如圖1所示。

圖1 系統設計圖

3 硬件設計

本系統中的主機，采用了ST公司的STR912FW44。STR912FW44是ST 最新ARM9單片工業級微控制器 STR91x系列之一，基于ARM966E—S內核，片內自帶FLASH，USB，CAN，SPI，以太網等外設。具有緊密耦合的512 kB的 FLASH存儲器，以及96 kB的SRAM，由于本系統不涉及到復雜的應用程序，所以不需要外擴存儲器。STR912FW44內部已經包括了以太網的MAC和MII接口，在他與已太網相連時，僅需要添加一個以太網的物理層芯片(PHY)RTL8201BL。STR912FW44具有一個可以工作在主從模式下的SPI接口，通過該接口與nRF24L011進行數據交換，在本應用中，SPI工作于主模式下。射頻部分采用nRF的nRF24L01芯片，nRF24L01具有高達2 Mb/s的傳輸速度，縮短了數據在空中的延遲時間，對于多從模式下的數據傳輸，可以減少數據碰撞的機會。詳細的主機硬件框圖如圖2所示。

圖2 主機硬件框圖

對于本設計的射頻部分，希望傳送盡可能遠的距離，由于nRF24L01的輸出功率只有幾dBm，不符合要求，因此外加了SiGa的PA2423L做功率放大。采用一個射頻模擬開關UPG2214來切換nRF24L01的工作狀態，即發射狀態或接收狀態，使發射功率可以達到20 dBm，在空曠地，傳輸距離可以超過500 m。

對于從機，采用了相對簡單的設計。控制器為ATMEL公司的AVR系列中的一款:ATmega8，射頻部分與主機相同，同樣通過SPI接口與ATmega8交換數據。一方面，ATmega8接收從UART傳過來的數據，打包后通過射頻部分發射出去，同時，通過SPI接口接收從nRF24L01傳來的數據，去除協議部分，然后交給UART。

由于本系統中包括混合的電路系統，對PCB的設計提出了很高的要求，本設計使用普通的FR4板材，要注意以下幾點：

(1) 將PCB分成獨立的模擬部分和數字部分。

(2) 合適的零件布局，注意電源的濾波。

(3) 布線的時候盡量減少環路的面積，以降低感應噪聲。

(4) 電源線與地線要盡量粗，除了可以減小壓降外，更重要的是可以降低耦合噪聲。

4 軟件設計

本設計對數據傳輸的實時性具有很高的要求，必須仔細計算與調整協議的時間開銷和數據包的大小。鑒于nRF24L01內部已經具有了簡單的數據鏈路層和32 B FIFO，并且包括CRC校驗和出錯重傳機制，故可以在此基礎上設計數據鏈路層。

圖3 主機程序流程圖

本系統設計為1臺主機，6臺從機，采用簡單的輪詢機制。首先主機根據不同的從機地址，向其中的一臺從機發出數據請求，在一段確定的時間之內，如果沒有得到回傳的數據，就可以判斷為超時。如果得到的數據有錯誤，nRF24L01會自動啟動錯誤重傳機制。由于經過了CRC校驗，可以確認上層得到的數據就是正確的數據。在數據鏈路層，由于上行(數據由從機到主機)和下行(數據由主機到從機)的數據量不同，上行的數據量較大，是主要的數據通道，下行的數據量很小，只有一些控制信號，所以上行的數據包采用32 B/包，而下行的數據包采用8 B/包。按照從機的UART接收的數據速率為19 200 b/s，每秒的數據量約為19 200/8 B，即2 400 B/s。按照32 B/包計算，每秒需要傳輸2 400/32包，即75包。從機使用的控制器只負責存儲與轉發，ATmega8具有1 000 B的SRAM，可以開辟出320 B，即10個數據包的上行緩沖區，在每個輪詢周期，每臺從機傳送320 B的數據。所以把輪詢周期設為10 ms，在每個輪詢周期內，

主機分別與6臺從機交換一次數據，每秒可以有大于10個輪詢周期，射頻部分收發狀態的切換時間，只有幾個μs，可以忽略。扣除SPI通訊中協議的開銷，每秒上行通道可以傳送大于3 200 B的數據，這個速度超過從機從UART接收數據的速度，可以保證不丟數據。至于下行數據鏈路，由于數據量很小，可以忽略不計。

5 本設計的亮點

為什么不用藍牙： 藍牙具有完善的協議層，可以保證不同手持設備之間數據的自由交換，但藍牙為了確保互換性而形成的協議包結構相當復雜，這不僅導致了其硬件的復雜性，也大幅度增加了處理量和同步處理需求，導致電池消耗迅速增加。

為什么不用WiFi：不可否認WiFi具有更好的通用性、更快的數據速率，但同樣對接口的硬件具有相當高的性能要求，無法與普通的單片機相連。如果采用更高性能的處理器，會增加硬件的復雜度和軟件的成本，同時WiFi的高功耗也不適合使用電池供電的多功能監護儀。

為什么不使用ZigBee：ZigBee也是一種近距離低速率數據交換的可選設計，但ZigBee的傳輸速率只有250 k/s，不能滿足本系統的需求。ZigBee協議復雜、開發難度大、周期長，這進一步限制了中小廠商的使用。

6 結 語

本嵌入式系統的設計應該以系統本身的需求為中心，而不能把一個系統的設計生搬硬套到另外，一個系統上。另外一個優秀的嵌入式系統還要兼顧硬件、軟件、功耗、應用環境等各種因素。

參考文獻

[1]STMicroelectronics STR91xF ARM9—based Microcontroller Family Reference manual.

[2]Nordic Semiconductor nRF24L01_rev_1_1 Datasheet.

[3]NordicSemiconductorDesign in with RF Circuits.

作者簡介 楊 瑩 女，1981年出生，中國礦業大學05級研究生，現在臺康資訊有限公司北京研發中心實習。研究方向為信號與信息處理。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。