GPRS在生理數(shù)據(jù)遠程傳輸中的應用研究

摘要：介紹一種通過GPRS技術傳輸生理數(shù)據(jù)的方法。采用網(wǎng)絡協(xié)議處理器芯片E5112實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，單片機檢測出人體的心率數(shù)據(jù)，同時通過串行口發(fā)出的命令字符串控制E5112，由E5112再控制GPRS數(shù)傳模塊G18，實現(xiàn)心率數(shù)據(jù)的發(fā)送。接收端采用撥號上網(wǎng)的計算機接收心率數(shù)據(jù)。這種方法費用少，傳輸穩(wěn)定，且傳輸距離可達到GSM網(wǎng)絡能達到的區(qū)域。

關鍵詞：GPRS 串行口心率 網(wǎng)絡協(xié)議處理 E5112 G18

引言

GPRS（General Packet Radio Service）是通用分組無線業(yè)務的簡稱，是一種以全球手機系統(tǒng)（GSM）為基礎的數(shù)據(jù)傳輸技術。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞剑ㄈ鏕SM）不同，是以分包（packet）的形式來傳輸，信道是共享使用的，需要的時候才有數(shù)據(jù)包產(chǎn)生。用戶可以隨時進行數(shù)據(jù)傳輸，而不是每次都需要撥號上網(wǎng)。GPRS的數(shù)據(jù)傳輸速率可提升到56Kbps，甚至114Kbps。

隨著醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展，遠程醫(yī)療（telemedicine）逐漸成為發(fā)展的方向。在很多情況下，都要求將現(xiàn)場采集的病人的各種生理參數(shù)傳到醫(yī)療或中心站。如將急求車上病人的數(shù)據(jù)傳輸?shù)结t(yī)院，以及對一般非住院病人的病情監(jiān)護（社區(qū)監(jiān)護）等。由于GPRS技術的特點，使得它非常適合這一類應用。

本文中，將介紹一種基于GPRS技術的生理數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ā?/P>

1 方法

實驗中，采用GPRS數(shù)據(jù)模塊G18來完成通信的任務，所以傳輸?shù)纳頂?shù)據(jù)為心率。由于GPRS技術是一種基于TCP/IP協(xié)議的分包傳輸技術，所以數(shù)據(jù)在傳輸前必須進行TCP/IP協(xié)議的封裝處理。這個任務由協(xié)議處理芯片E5112完成。單片機測量心率數(shù)據(jù)，然后通過串行口，送至E5112進行TCP/IP協(xié)議的處理和封裝，再送至G18發(fā)送。

由于心率數(shù)據(jù)采用TCP/IP協(xié)議進行分包傳輸，所以在接收端不需要再配置G18，只需一臺以某種方式聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)（必須具有公司的IP地址）的計算機即可。計算機中的系統(tǒng)軟件（Windows系統(tǒng)）具有TCP/IP協(xié)議處理功能，能提取出網(wǎng)絡傳輸?shù)男穆蕯?shù)據(jù)，在屏幕上顯示。系統(tǒng)框圖如圖1。

（1）G18

Motorola G18是摩托羅拉嵌入式三頻900/1800/1900MHz GSM/GPRS模塊。該模塊具有如下特點：①體積?。?0mm80.2mm7.5mm）、質(zhì)量軟（22g）；②天線插座（型號MMCX）支持直線或直角連接；③支持9針RS-232串行接口（3V CMOS電平）；④內(nèi)含用戶識別卡（Subscriber Identity Module,SIM）讀卡器；⑤3.0～6.0V工作電壓；⑥支持語音、數(shù)據(jù)、傳真、短消息和WAP功能；⑦GPRS分組交換速率可達到57.6Kb/s；⑧待機電流7.20.5mA，使用時平均電流300mA;⑨支持CSD模式（AT命令集，包括GSM 07.07和GSM07.05）和GPRS模式（AT命令集，支持GSM07.60和07.07 7.5版）。

G19通過36針ZIF插座（或28針雙排針式插座）與外部連接。36針插座中包括模擬語音輸入/輸出和數(shù)字語音輸入/輸出接口，外部SIM卡讀卡器接口，以及RS-232串行通信 接口（3V CMOS邏輯電平）。由于本實驗只用到了數(shù)據(jù)傳輸功能，且模塊具有內(nèi)置SIM卡讀卡器，所以所有接口中只用到了RS-232串行通信接口。該接口采用串行異步通信方式，能自動識別波特率（300bps、1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps）。在數(shù)據(jù)傳輸模式下，G18的初始化、功能控制以及數(shù)據(jù)的通信都通過RS-232串行異步通信接口進行，因此，該模塊與外部的硬件接口相對簡單，是標準的RS-232接口接法。

相比之下，該模塊使用的通信協(xié)議則較為復雜，模塊與外部所有的數(shù)據(jù)和控制信息都通過一套由字符組成的命令串（AT 命令集）來完成，而這些命令串就是通過RS-232串行異步通信接口進行傳遞的。命令串都以特定的字符（AT）開始；以特定的字符結(jié)束；中間部分根據(jù)命令的類型、長度不定，主要包括下列指令類型：模塊管理（模塊開、關機，狀態(tài)檢測等），語音通信 （撥號控制、通信狀態(tài)報告等），數(shù)據(jù)、傳真控制，短信息功能（短信息的撰寫、管理和收發(fā)）。

（2）網(wǎng)絡協(xié)議處理器E5112

E5112是上海精致科技有限公司研制的網(wǎng)絡協(xié)議處理器，是完成TCP/IP協(xié)議的專用芯片，支持TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)文報協(xié)議）協(xié)議，實現(xiàn)將嵌入式系統(tǒng)直接與Internet相連。E5112具有客戶機功能，可以主動請求TCP連接遠方服務器通信。E5112也具有服務器功能，可以監(jiān)聽來自客戶機的TCP連接請求，建立TCP連接通信。因此，使用E5112的系統(tǒng)之間只要知道對方IP地址和端口號就可以通過Internet進行通信。

E5112一端通過RS-232接口與G18連接，另一端通過并口與上位機相連。E5112提供透明通道和非透明通道兩種工作模式。在透明通道模式下，E5112對單片機發(fā)出的數(shù)據(jù)不進行處理直接將數(shù)據(jù)發(fā)送到G18，收到的數(shù)據(jù)也原封不動地傳遞給單片機。在這個模式下，短消息和語音功能可以由用戶自己通過AT命令來實現(xiàn)。在非透明通道模式下，單片機通過串口采用幀格式與E5112通信。

E5112幀格式以十六進制數(shù)7E開始，然后是類型、長度、數(shù)據(jù)三個字段，最后以十六進制數(shù)7E結(jié)束。類型字段表示本幀的類型。E5112共有輸入和輸出兩大類型。輸入幀有讀網(wǎng)關IP地址幀、設置服務器端口幀、設置ISP電話號碼和用戶名用戶密碼幀、設置SOCKET插口幀、發(fā)送TCP數(shù)據(jù)幀、發(fā)送UDP數(shù)據(jù)幀、讀源IP地址幀等共13種。輸出幀有物理層失敗幀、PPP協(xié)商失敗幀、PPP協(xié)商成功幀、SOCKET關閉幀、接收SOCKET數(shù)據(jù)幀、接收源IP地址幀等共16種。長度字符存有類型、長度、數(shù)據(jù)三個字段的長度（字節(jié)數(shù)）。數(shù)據(jù)字段只有當有數(shù)據(jù)發(fā)送和接收時才存在。類型、長度、數(shù)據(jù)三個字段中如含有十六進制數(shù)7E，則必須進行轉(zhuǎn)義處理。

由于E5112能進行TCP/IP協(xié)議和AT命令集的處理，所以編程者完全不需了解TCP/IP協(xié)議和AT命令集，只需向E5112發(fā)送符合 幀格式的字符串，或接收E5112發(fā)出的幀，即可實現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)通信。

（3）單片機、E5112、G18之間的連接

E5112的接口是5V邏輯，而G18是3V邏輯，兩者要連接起來使用必須要進行電平轉(zhuǎn)換G18的RS-232接口輸入針（TXD、DTR、RTS）具有5V的容限，最大可接收5.5V的電壓，所以E5112的這三個輸出腳可直接連接至G18相應引腳。G18的輸出最大值不能達到E5112的輸入容限，應進行電平轉(zhuǎn)換，我們采用漏極開路的驅(qū)動芯片74LVC07完成這一功能。圖2為某一路信號進行電平轉(zhuǎn)換的電路，74LVC07電源為3V，所以可以接收3V輸入；而輸出端經(jīng)一上拉電阻連至5V，所以輸出被上拉至5V。

由于上位機只提供并口與上位機連接，所以在單片機與E5112之間插入一個串并轉(zhuǎn)換芯片16C550，進行串行和并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換單片機、E5112之間的連接見圖3。

（4）心率采集

心率采集采用了從心電信號中提取的方法。采集得到的心電信號放大后，經(jīng)心率檢測電路轉(zhuǎn)化與心電R波同步的脈沖，再由單片機計時測量其頻率，求倒數(shù)可得心率值。心率數(shù)據(jù)經(jīng)單片機測量完成后，存儲在單片機的存儲器中，需要時經(jīng)串行口發(fā)送，進行無線傳輸。

（5）單片機采用了AT89C51，單片機的軟件采用C語言編制。心率脈沖連接至0號外部中斷引腳（INT0），定時器0設為連續(xù)計時。每當INT0產(chǎn)生中斷，即將定時器0數(shù)值記錄下來，減去上次的記錄值，計算心率數(shù)值。

單片機串行口設為方式1，波特率為9600bps，1位停止位，無奇偶校驗。上電后，首先向E5112（通過16C550串并轉(zhuǎn)換）發(fā)送設置ISP電話號碼、用戶名及用戶密碼幀，其中ISP電話號碼必須為“*99#”，用戶名和用戶密碼可以任意設置，但不能為空。成功后，再向E5112發(fā)送撥號指令，等待應答幀，當接收到PPP協(xié)議成功幀，則撥號成功，否則需繼續(xù)撥號直至成功為止（撥號成功后，網(wǎng)絡連接就一直建立，有數(shù)據(jù)發(fā)送時即可即時發(fā)送，不需要撥號）。然后，向E5112發(fā)送SOCKET設置幀，設置本地、遠端的IP地址和端口，如成功，則點和點通信環(huán)境已建立，調(diào)用發(fā)送TCP數(shù)據(jù)幀和發(fā)送UDP數(shù)據(jù)幀就可以發(fā)送心率數(shù)據(jù)了，其中心率數(shù)據(jù)置于TCP和UDP數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)字段中。

（6）接收端編程

在接收端的計算機上，主要應用VB的一個Winsock控件來實現(xiàn)接收發(fā)送的生理參數(shù)。利用WinSock控件可以與遠程計算機建立連接，并通過UDP或者TCP協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換。這兩種協(xié)議都可以用來創(chuàng)建客戶與服務器應用程序。

使用時，只需在接收窗體中插入一個Winsock控件，將Protocol屬性設定為使用的協(xié)議（TCP或UDP），設置遠程（單片機端）IP地址和端口，調(diào)用Bind方法，即可建立雙方的連接。當單片機端發(fā)送心率數(shù)據(jù)時，將觸發(fā)Winsock控件的DataArrival事件，在事件處理程序中讀取GetData屬性的內(nèi)容，即可獲得遠端發(fā)來的心率數(shù)據(jù)。

端口的設置可以任意，但最好大于1000，以避開與常用的端口沖突。

（7）實驗過程

由于條件限制，接收端計算機上網(wǎng)方式選擇了有線電話撥號方式，以獲得公網(wǎng)IP。實驗時，首先接收端需撥號上網(wǎng)，獲得本地的IP地址，運行VB接收程序。然后，在單片機程序中設定遠端IP地址和端口，運行單片機C語言程序，檢測心率并發(fā)送。這時接收端計算機就能收到心率數(shù)據(jù)并顯示。

2 結(jié)果與討論

實驗中，傳送的心率數(shù)據(jù)都準確地無誤地到達了接收方，傳輸質(zhì)量非常穩(wěn)定，且傳輸距離可以達到GSM網(wǎng)絡能達到的地方。GPRS能實現(xiàn)“永遠在線”，所以一旦建立GPRS連接，就可以隨時發(fā)送數(shù)據(jù)，不需再撥號。由于心率數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率和數(shù)據(jù)量不大，所以耗費的GPRS通信費也是很少的。

利用GPRS技術傳輸生理數(shù)據(jù)，可以不用考慮建立無線網(wǎng)絡的巨額投資，費用只是GPRS模塊的一次性投資和傳輸時的GPRS通信費，且可隨時發(fā)送，使用非常方便；GSM網(wǎng)絡是一個非常成熟的網(wǎng)絡，具有完善的糾錯機制，因此傳輸?shù)姆€(wěn)定性很好。由于GSM已經(jīng)得到非常廣泛的應用，傳輸?shù)木嚯x由網(wǎng)絡的漫游功能而能達到全部的城市和絕大部分鄉(xiāng)村。可以預見，GPRS技術將在各類數(shù)據(jù)傳輸應用（包括生理數(shù)據(jù)傳輸）中得到越來越廣泛的應用。

由于條件限制，本實驗在接收端采取了撥號上網(wǎng)的方式，撥號上網(wǎng)，得到的都是動態(tài)IP地址，所以單片機程序每一次撥號后都要更改IP地址，重新編譯運行，在實際的系統(tǒng)中，接收端可租用固定的IP地址，單片機的程序就不需再修改。另外，采用專用網(wǎng)絡協(xié)議處理器芯片，可以降低開發(fā)難度，但增加了系統(tǒng)成本、體積和功耗，如能用軟件實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，或采用帶TCP/IP協(xié)議棧的單片機，則可解決這一矛盾。