基于nRF24AP2芯片的穿戴式醫療監護系統設計

東北電力大學信息工程學院 尤 明 高 飛 高 鵬

1.引言

為了降低醫療護理領域的投入，提高醫療監護的質量，方便慢性病患者、手術后的病人、老年人、孕婦、嬰幼兒等其他需要接受長期的醫療監護的特殊群體，需要在醫療監護中引入新的監護模式。穿戴式生理檢測技術克服了傳統有線醫療檢測技術的局限，具有體積小、重量輕、成本低、佩戴方便等特點。

本系統采用基于ANT協議的無線通信技術實現系統基本通信架構。ANT協議簡單、成本低廉、應用方便，它采用超低功耗設計，具有靈活性、可靠性等特點。其典型應用場景包括傳感器網絡、遠程控制系統等，并且在健康、運動、醫療領域取得了巨大的成功。本系統可實現對個人健康進行一些評估診斷和監控，主要用于家庭小區、養老院等社區內的病人、老年人的醫療監護，也可用于井下礦工的生理數據采集與監護。

2.系統總體結構和工作原理

2.1 系統的硬件組成

系統由傳感器節點、路由節點、基站以及醫療中心服務器組成。其中傳感器節點和路由節點穿戴在使用者得身上，基站置于家庭小區、養老院等社區內。節點和基站都有一個基于ANT協議的無線收發模塊，通過無線數據的收發，實現一個小型的無線智能網絡。系統的工作流程為：節點中的MCU通過串口對無線收發模塊進行信道參數配置，所有節點在空中實現配對，之后通過空中接口完成數據信息包的發送與接收，從而實現數據傳輸的目的。圖1為系統總體框架。

2.2 系統網絡拓撲結構

為了保證了節點數據傳輸的可靠性，增強網絡的擴展性，并降低了網絡的復雜度和成本，系統采用混合拓撲結構。路由節點和傳感器節點距離很近，可以直接通信，所以路由節點和傳感器節點采用簡單的星狀網絡結構。路由節點和基站直接的距離較遠，可能會超過ANT協議支持的通信距離，為了保證數據的正常傳輸，可能需要采用多跳的數據轉發方式。所以路由節點和基站采用復雜的網狀網絡結構。

2.3 系統節點地址分配

醫療監護系統中，考慮對每個節點編排唯一的地址以便于區分，方便根據節點地址判斷節點的分布及類型等，對節點地址劃分字段并分別賦予一定的含義。本課題中，為每個節點分配了一個2字節的地址。地址分配方式如下：

圖1 基于ANT協議穿戴式醫療監護系統框架

表1 系統節點地址分配

“用戶號”用于區分不同的用戶。對于同一個用戶來說，所有節點的用戶號都是相同的。為“用戶號”分配12bit。“設備號”用于區分節點的類型，對于所有相同功能節點來說，它們的設備號都是相同的。例如將分類號0用于路由節點，1用于采集體溫的傳感器節點等，2用于采集脈搏的傳感器節點等。用戶號、設備號為全l（即節點地址為全1）的地址保留作為新設備的入網初始地址。而用戶號、設備號為全0（即節點地址為全0）的地址保留給設備地址查詢時使用。

2.4 系統通信數據包格式

①幀頭：固定為0xA4。

②目的地址：它表示了本數據包的最終目標節點。接收節點根據此判斷該數據包的流向。

③源地址：它表示了本數據包的來源節點。接收節點根據此判斷該數據包的來源。

圖2 傳感器節點結構框圖

圖3 路由節點結構框圖

表2 系統通信數據包結構

圖4 基站結構框圖

圖5 系統初始化程序流程圖

圖6 ANT協議通信流程圖

④數據包長度指示：它表示了整個數據包的長度，最大允許長度設定。

⑤消息ID：表明消息的類型和消息的來源。

⑥用戶數據：數據0～數據7。

⑦校驗和字段為數據幀中自幀頭開始直至用戶數據的所有字節的異或和。

表2為數據包結構。

3.系統硬件設計

基于ANT協議的穿戴式醫療監護系統硬件部分分為傳感器節點、路由節點、基站三個部分。傳感器節點負責對使用者的體溫、脈搏等生理數據進行測量并發送給路由節點。路由節點建立簡單星型ANT網絡，并接收從各個傳感器節點傳輸過來的數據，將這些數據打包之后發送給基站，同時也負責接收基站發送過來的指令。基站建立網狀ANT網絡，并負責接收路由節點發送來的生理數據，初步處理并后發送至醫療中心服務器。

圖7 醫療中心服務器軟件結構框圖

3.1 傳感器節點：由生命體征傳感器、微控制器、ANT射頻模塊構成。微控制器選用STC系列的STC11L08單片機，用于節點設備的控制、任務調度以及功能協調。無線收發模塊則選用nRF24AP2，用于節點間的數據收發，nRF24AP2與MCU之間通過異步串口方式實現通信，其工作電壓為3V，由CR2032鋰離子電池提供。

nRF24AP2包含異步串行接口UART、時鐘模塊、ANT協議機和1Mb/s的射頻收發信機等4個模塊。nRF24AP2可通過簡單的同步或異步串口實現與外部主機的通信，也可將nRF24AP2看作一個黑盒的無線解決方案，無需深入理解物理層和協議，僅需通過串口配置信道參數，就可發送或接收數據消息。nRF24AP2執行配置任務，并通過空中接口完成與其他設備間的消息包的發送與接收。圖2為傳感器節點的結構框圖。

3.2 路由節點：由聲光報警電路、微控制器、ANT射頻模塊構成。微控制器選用自帶EEPROM的STC11L08XE單片機，無線收發模塊則選用具有八通道的nRF24AP2-8CH，圖3為路由節點的結構框圖。

3.3 基站：由按鍵輸入和液晶顯示電路、微控制器、ANT射頻模塊、GPRS模塊構成。微控制器選用高速雙串口的STC12C5A60S2單片機，無線收發模塊則選用具有八通道的nRF24AP2-8CH，GPRS單元選用SIMCOM公司的SIM300模塊，液晶顯示采用LCD12864，按鍵采用獨立輸入方式。圖4為基站的結構框圖。

4.系統軟件設計

4.1 系統初始化

系統在初始化過程中主要完成以下任務：

①根據硬件連接設置單片機各I/O端口為所需的輸入輸出狀態。

②使能單片機各的外部中斷0并設置為下降沿觸發方式。

③使能單片機串口并設置為異步工作模式，設置波特率為9600kbps。

④利用單片機的I/O端口設置nRF24AP2的工作模式。

圖5為系統初始化程序流程圖。

4.2 ANT協議通信流程

nRF24AP2芯片內部集成了ANT協議機，簡化了通信過程中MCU的控制負擔。在ANT節點實現通信之前，必須對信道參數進行配置，這些參數包括網絡號、射頻頻率、信道ID(生產商ID/設備類型/設備號)、信道類型和信道周期。MCU通過串口對信道參數進行配置，配置及通信過程以及如圖6所示。

4.3 服務器用戶程序

醫療中心服務器負責將基站發送來的生理數據進行存儲、分析、處理以及動態顯示。服務器會將最新采集到的病人的生理參數信息與其以往的生理數據以及正常的生理數據做對比。根據數據的分析處理結果，命令基站進行相應的調整。此外，采集到的生理數據信息往往會因為受到干擾而變得不準確，所以編寫相應的算法程序以排除干擾準確獲取數據。以心率測量為例，由于傳感器輸出信號存在較大的噪聲干擾（如呼吸對心跳信號的干擾），則基于心跳信號的頻率為1-2Hz呼吸信號為0.3Hz左右的事實，在中心服務器上設計相應的濾波算法處理心跳加速度數據，從而實現精確心率檢測。軟件結構框圖見圖7。

5.結語

本設計利用nRF24AP2自帶的無線收發引擎，基本實現了穿戴式的遠程監護系統的設計。經過對硬件程序的測試，可實現傳感器節點、路由節點、基站的在超低功耗下的數據采集、無線組網和數據傳輸等相應功能。不過在整個設計研究過程中有些技術還有待提高，如表面貼片封裝天線的設計，如何進一步減少節點體積和功耗并提高無線傳輸效率的。這些問題只有在以后的工作中，不斷學習、總結經驗，才能將系統更完善。

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