基于RFID的無線生理參數采集節點設計與實現

李禎，陳廣飛，應俊，喬喬

中國人民解放軍總醫院　生物醫學工程研究室，北京　100853

基于RFID的無線生理參數采集節點設計與實現

李禎，陳廣飛，應俊，喬喬

中國人民解放軍總醫院生物醫學工程研究室，北京100853

0　前言

隨著電子信息技術的發展，計算機及互聯網、移動通信技術，以前所未有的方式改變著人類的生活[1]。與此同時，我們不僅滿足于人與人之間的通信，更希望能夠在物品與物品之間、人與物品之間，甚至人與現實環境之間實現高效的信息交互，物聯網應用而生。1999年美國麻省理工學院建立了自動識別中心，提出了網絡無線射頻識別系統，通過射頻識別等信息傳感設備與互聯網連接起來，實現了智能化識別管理[2]。射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）是一種通信技術，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，實現人們對各類物體或設備在不同狀態下的自動識別和管理[3]，具有操作簡便，存儲數據量大，可適應惡劣條件等優點，同時具有讀寫認證以及加密機制，保障系統安全。

盡管經過多年的發展，物聯網已經演變為基于RFI D的紅外感應器、全球定位系統等多種信息傳感設備，并按照約定的協議，將物品與互聯網連接起來實現智能化管理的網絡，但是RFI D作為物聯網的重要載體，依然具有廣闊的應用空間。

在臨床生理參數采集工作中，護士通常將測量后的生理參數手動抄寫下來、再錄入到護士站系統中，或采用手動輸入P D A后再將數據上傳。對于一個30張床位的病區來說，完成1次對全體患者血壓和脈搏地采集工作需要花費1名護士40min左右的時間，且每天重復多次。這不僅占用護理人員大量工作時間、增加運營成本，而且容易出現由于字跡模糊、抄寫錯誤以及涂改污損造成對患者生理參數錄入錯誤的現象。

本方案中的RFI D讀寫器可將患者的個人信息寫入腕帶，在每次采集生理參數之前先讀取患者ID，待采集完畢將測量結果與ID綁定，通過Wi-Fi網絡發送至護士站。Wi-Fi模塊采用Marvell公司的88W8686芯片，支持802.11a/b/g模式，另外還可將本次測量結果以及日期等相關信息存儲在腕帶中，待下次測量前查看。本研究將生理參數采集工作與醫療物聯網有效結合，在簡化臨床護理工作的同時也推進了醫療物聯網的發展。

1　硬件系統組成

本方案采用P N532芯片作為RFI D主芯片，采集標簽中存儲的信息，并通過高速串口發送給處理器STM32；處理器再將標簽信息整合，顯示于LCD屏幕，并通過SPI轉發給Wi-Fi模塊再上傳至院內無線網，并實現互聯網接入。硬件系統組成，見圖1。

圖1　硬件系統組成

1.1微處理器

STM32系列是專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARMCortex-M3內核。按性能分成2個不同的系列：STM32F103“增強型”系列和STM32F101“基本型”系列。考慮到移植協議棧需要較大存儲空間，本方案采用“增強型”STM32F103RE內核，它具有72MH z主頻、512kBFlash以及64kBSRAM。

1.2RFID讀寫芯片與標簽

PN532是一款高度集成的非接觸式傳輸模塊，工作頻率在13.56MH z，內部包含1個80C51處理器，40KbROM，以及1KbRAM。它可以兼容多種工作在13.56MHz的非接觸式通信協議，提供給物理層的調制解調模塊，并支持I2C 、SPI、HSU等3種接口[4]。

PN532傳輸模塊支持6種工作模式：讀寫器模式，支持ISO/IEC14443A/ MIFARE機制、FeliCa機制以及ISO/ IEC14443B機制；卡操作模式，支持ISO14443A/ MIFARE機制、FeliCa機制；點對點模式，支持ISO/IEC18092，ECM340。本研究選擇MIFARE讀寫器模式；標簽選擇PHILIPS的MIFA REo neIC卡，工作頻率為13.56MH z，自帶8KbitEE PRO M存儲空間。

1.388W8686芯片

8W8686芯片的物理層采用一個802.11a/b/g基帶，可實現多種調制技術，如DSS S、OFDM、DBPSK、DQPSK、CCK和QAM等，并且可在2.4GHz和5GHz雙頻無線收發，兼容性強；MAC層定義了2種介質訪問控制方式：基本訪問機制和集中控制訪問機制。本方案中采用基本訪問機制中的載波偵聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA）來實現無線工作站點和接入點之間的媒介共享。同時，該芯片還提供了電源管理和數據加密功能。以上所有的功能模塊由其內部自帶的ARM處理器來管理協調[5]。

1.4SD卡與SPIFlash芯片

若以點陣方式存儲漢字以實現顯示功能需要浪費大量存儲空間。本方案采用S D卡存儲GBK內碼字庫文件，上電后通過S D卡將字庫文件拷貝至SPIFlash芯片—W25X16中，于是W25X16便可作為字庫芯片供ARM來查找點陣信息。其原理，見圖2。

圖2　SD卡與Flash芯片接口

由于LCD占用管腳資源過多，這里采用SD卡與Flash芯片公用SPI1與ARM通信。其中SDCS與FCS兩個外設的片選信號通過不同的管腳控制以實現復用。

2　系統軟件設計

2.1字庫加載

2.1.1FAT32文件系統

在SD卡中采用FAT32文件系統來管理文件，并通過該文件系統找到所需的字庫文件。在SD卡中，FAT32文件系統主要包含MBR、DRB、FAT文件分配表和數據區。

其中MBR為主引導記錄區，該區域位于SD卡的扇區0，存儲SD卡分區表，其中包含了DBR的位置信息；DBR為操作系統引導記錄區，包括每個簇的扇區數，每個扇區的字節數以及FAT表份數等重要信息；FAT文件分派表描述簇的分配狀態，標明文件或目錄的下一簇簇號；數據區分為根文件目錄表和真正的用戶數據，根文件目錄表中記錄用戶文件的文件名、屬性、創建和訪問時間以及文件起始簇號等[6]。

通過以上描述可知，若要訪問字庫文件就要在該文件的目錄項中找到文件的起始簇號，然后在F A T文件分配表中找到該簇的下一簇，依次讀取簇便可將字庫文件讀取出來。FAT32文件系統在S D卡中存儲結構，見圖3。

圖3　存儲器分區結構圖

2.1.2字庫更新

將制作好的字庫文件放入SD卡中，ARM初始化FAT32文件系統后，首先找到存放字庫文件的文件夾，根據返回的簇號查找字體文件；然后將字體文件打開后讀取第一扇區的512字節；最后通過SPI口將讀取的512字節信息寫入W25X 16中。循環讀取寫入的過程就完成了字庫文件的復制，成功后返回0，并在屏幕輸出Font Update Successed（字體更新成功）信息。

2.2PN532驅動

2.2.1硬件接口驅動

本方案中，控制器與RFI D讀寫芯片（下稱PN532）通過串口通信，并通過PN532的IRQ管腳產生喚醒信號。具體連接方式，見圖4。

圖4　RFID與控制器硬件接口

這里采用8bit數據位、無校驗，1bit停止位、波特率為115200，數據傳輸方式為LSB在前。當控制器向PN532發送了初始化指令且并沒有檢測到外部無線電場時，PN532將進入休眠模式。此時，若控制器也進入休眠模式且PN532又被外部無線電場激活，則需要通過P70_IRQ管腳產生的喚醒信號，通知控制器從休眠模式中被喚醒，并隨后發送響應信息。

2.2.2PN532初始化

PN532在工作過程中存在6種不同的操作模式，在這些模式下，芯片完成的具體操作不同，所需要的功耗也不同，其內部的Firmware可以根據接收到的控制命令自動調整芯片的操作模式，以實現在不同功耗需求之間的調度。在芯片初始化過程中使用到的工作模式為低電壓模式與正常模式。

當PN532上電或重啟之后首先進入低電壓模式。此時芯片在系統功能上處于軟件掉電模式，功耗僅為20μA，且P70_IRQ端口不能產生中斷信號。若要改變操作模式需要滿足3個條件：首先要滿足與控制器接口電壓PVDD3V；其次，控制器需通過串口發送頭部為“55550000000000FF”的喚醒指令，喚醒成功后，控制器需要發送指令“1401”使P N532進入正常模式。其具體工作流程[7]，見圖5。

2.2.3命令收發

PN532通過HSU_RX端口接收控制器發送來的命令，通過HSU_TX端口確認以及響應并返回給控制器。正常的通信流程，見圖6。

圖5　PN532初始化流程

圖6　命令交互順序

控制器通過向P N532發送命令并接收返回信息來實現喚醒、掃描、標簽認證、讀寫以及停止等一系列功能。這些命令與返回信息組成基本數據庫幀在控制器與P N532之間傳輸。其數據幀結構[8]，見圖7。

圖7　數據幀結構

2.3工作流程

由于在本方案中P N532工作在MIFARE讀寫器模式，下面以一個完整的MIFARE讀寫流程來總結以上各項敘述。

（1）首先控制器發送以“55550000…”為開頭的初始化指令將芯片初始化。

（2）等待初始化成功后，設置掃面模式，搜索當前環境中的RFID標簽。在本方案中同一時間只掃描1個標簽。

（3）掃描成功后，PN532返回標簽ID，利用這個ID加上密鑰組成認證指令，對標簽進行身份驗證。

（4）驗證成功后， PN532與標簽之間的連接便建立起來，就可通過發送讀命令或寫命令來實現對標簽的讀寫。具體工作流程[9]，見圖8。

3　結束語

經過試驗測試，本系統可以迅速完成標簽檢測、讀取以及顯示等功能。同時與Wi-Fi模塊相連接，可將標簽內的信息發送至局域網乃至互聯網。這使得物聯網采集信息以及接入Internet變得更加方便。

圖8　RFID通信流程

在醫院內部物聯網中，本方案結合體溫、脈搏、血壓等采集模塊用于患者生理參數采集終端設備，能夠自動完成日常的生理參數采集、記錄、上傳等工作，提高了護理人員的工作效率。另外，在家庭醫療系統中，RFI D技術已經成為未來開發的重點。為了應對人口老齡化，未來的醫療系統可能會采用家庭監視系統進行預防，如記錄老人服藥時間和次數，或監測老人是否摔倒，若出現危險情況可通過Wi-Fi模塊或GSM/GPRS模塊給老人的家屬發送信息[10]。

RFID是物聯網概念中的一個重要載體，而Wi-F i技術具有普及性、標準化程度高，以及便于安裝、管理等一系列優點。這兩種關鍵技術的融合，讓醫療物聯網與I n ter net的融合變得簡單，能夠更好地發揮其自身的巨大優勢。

[參考文獻]

[1] 孫傳寧,張雪.物聯網概念及關鍵技術綜述[J].福建電腦,2010,(12):39-41.

[2] 孫其博,劉杰.物聯網:概念、架構與關鍵技術研究綜述[J].北京郵電大學學報,2010,33(3):1-9.

[3] 紀震.電子標簽原理與應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2006:1-15.

[4] NXP Semiconductors.PN532/C1Near field communication(NFC) controller[EB/OL].(2012-09-20)[2013-01-15].http://www.cn.nxp.com.

[5] MARVELL.88W8686Integrated MAC/Baseband/RF LowPower SoC[EB/OL].(2007-02-20)[2012-10-15].http://www.marvell.com.

[6] "SD卡中FAT文件格式快速入門"[EB/OL].(2012-04-22)[2013-05-09].http://blog.csdn.net/mjx91282041/article/details/8904705.

[7] NXP Semiconductors.PN532C106application note[EB/OL](2010-01-05)[2012-04-26].http://www.cn.nxp.com.

[8] NXP Semiconductors.PN532User Manual[EB/OL].(2007-11-15)[2010-02-15].http://www.cn.nxp.com.

[9] NXP Semiconductors.PN532User Manual[EB/OL].(2007-11-15)[2012-08-29].http://www.cn.nxp.com.

[10] 羅旋,盧錦.物聯網在醫療領域中的應用[J].中國醫療設備, 2012,27(5):52-54.

作者郵箱：lizhen_301@163.com

[中圖分類號]R319

[文獻標志碼]A

doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2014.02.010

[文章編號]1674-1633(2014)02-0040-04

收稿日期：2013-10-16修回日期：2013-11-23

基金項目：解放軍醫學院科技創新基金項目（2012FC-TSYS-4009）。

Design and Implementation of RFID-based Wireless Physiological Parameter Collection Node

LI Zhen, CHEN Guang-fei,YING Jun, QIAO Qiao
Research Roomof Biomedical Engineering, General Hospital of PLA, Beijing 100853, China

[摘要]目的設計一種低功耗物聯網射頻識別（RFI D）接入方案實現生理參數與醫院信息系統（HIS）融合。方法采用低功耗ARM作為主控芯片、驅動P N532芯片作為RFI D讀寫芯片來讀取標簽數據，再通過查找S D卡中的漢字庫，將患者的信息顯示于L CD液晶屏上，最后通過Wi-F i模塊將所有數據傳至護士站 。結果經測試，本系統可準確采集腕帶中的患者信息，并清晰顯示于L CD屏幕上，數據經綁定后快速連接Wi-F i網絡。結論本系統具有準確、快速、穩定以及低功耗等優點，非常適合應用于物聯網傳感器節點的設計方案中，具有廣闊的發展空間。

[關鍵詞]射頻識別技術；物聯網；紅外感應器；Wi-F i網絡

Abstract：ObjectiveTo realize integration between physiological parameters of patients and HIS by designing a RFID-based low-power solution accessing to TOI (Things of Internet).MethodsAfter reading the target information by low-power ARM(master chip) and drive PN532chip (RFID reader and writer chip), the patients information would be displayed on the LCD screen through searching Chinese font in SD. Then all data was uploaded to nurse station by Wi-Fi module.ResultsThe test result showed that this systemcan capture patients information accurately fromwristbands, and display it clearly on LCD screen. Then these bound data was quickly connected to Wi-Fi.ConclusionThis systemhas advantages of fast, accurate, stable and low-power which is very suitable for sensor node and will enjoy wide development space in the future.

Key words：radio frequency identif i cation technology; things of Internet; infrared sensors; Wi-Fi Internet