多功能監(jiān)護(hù)儀的無線通訊系統(tǒng)在醫(yī)療中的應(yīng)用

1 引 言

多功能監(jiān)護(hù)儀是一種常用的臨床醫(yī)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(shù)顯示出來，通過24小時(shí)對(duì)病人各種生理參數(shù)的監(jiān)測(cè)及分析。

在某一生理機(jī)能參數(shù)超出規(guī)定數(shù)值時(shí)便發(fā)出警報(bào)，提醒醫(yī)護(hù)人員及病人家屬進(jìn)行搶救的一種監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，是醫(yī)護(hù)人員診斷、治療及搶救的重要器械。

傳統(tǒng)的監(jiān)護(hù)儀一般通過串口與主監(jiān)護(hù)室相連，布線不方便而且僅局限于手術(shù)過程和ICU病房的監(jiān)護(hù)，限制了其使用價(jià)值，不能滿足所有臨床科室的使用。本文設(shè)計(jì)了一套無線通訊系統(tǒng)，通過星型網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)無線網(wǎng)關(guān)把一個(gè)房間內(nèi)的監(jiān)護(hù)儀的信號(hào)送入公司的局域網(wǎng)，使監(jiān)護(hù)儀擺脫了電纜的限制，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，同時(shí)通過內(nèi)置的電池，可以放在任何臨床病人需要的場(chǎng)合。

2 系統(tǒng)描述

本系統(tǒng)不需要改動(dòng)原監(jiān)護(hù)儀的任何軟件，最大限度地保護(hù)原有的設(shè)計(jì)投入。本系統(tǒng)只是在監(jiān)護(hù)儀與醫(yī)院的局域網(wǎng)之間通過無線網(wǎng)絡(luò)，建立起上行與下行的兩個(gè)虛擬通道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。該系統(tǒng)的無線頻率選擇在2.4 GHz的ISM頻段，由1臺(tái)主機(jī)與6臺(tái)分機(jī)構(gòu)成。由于原來設(shè)計(jì)的串口通訊速度一般為19 200 b／s，在6臺(tái)分機(jī)同時(shí)需要傳輸數(shù)據(jù)的情況下，主機(jī)的速度會(huì)達(dá)到19 200*6 b／s，再加上協(xié)議的開銷，因此對(duì)主機(jī)的處理能力和無線傳輸?shù)乃俣忍岢隽撕芨叩囊?，同時(shí)還要處理與局域網(wǎng)連接的TCP／IP協(xié)議，一般的8位單片機(jī)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)采用了ST的STR912FW44作為主機(jī)的控制器，而從機(jī)由于只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)，采用了相對(duì)簡(jiǎn)單的8位機(jī)ATmega 8作為控制器，無線芯片采用nRF的nRF24L01，2Mb／s無線數(shù)據(jù)鏈路，可以確保系統(tǒng)對(duì)速度的要求。另外，nRF24L01集成了自動(dòng)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包、發(fā)送和應(yīng)答信號(hào)、檢測(cè)和重發(fā)丟失數(shù)據(jù)包、存儲(chǔ)沒有收到應(yīng)答信號(hào)的數(shù)據(jù)包等功能，所以可以自動(dòng)重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包，從而確保用戶終端的可靠性。詳細(xì)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的主機(jī)，采用了ST公司的STR912FW44。STR912FW44是ST最新ARM9單片工業(yè)級(jí)微控制器STR91x系列之一，基于ARM966E-S內(nèi)核，片內(nèi)自帶FLASH，USB，CAN，SPI，以太網(wǎng)等外設(shè)。具有緊密耦合的512 kB的FLASH存儲(chǔ)器，以及96 kB的SRAM，由于本系統(tǒng)不涉及到復(fù)雜的應(yīng)用程序，所以不需要外擴(kuò)存儲(chǔ)器。STR912FW44內(nèi)部已經(jīng)包括了以太網(wǎng)的MAC和MII接口，在他與已太網(wǎng)相連時(shí)，僅需要添加一個(gè)以太網(wǎng)的物理層芯片(PHY)RTL8201BL。

STR912FW44具有一個(gè)可以工作在主從模式下的SPI接口，通過該接口與nRF24L011進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在本應(yīng)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(dá)2 Mb／s的傳輸速度，縮短了數(shù)據(jù)在空中的延遲時(shí)間，對(duì)于多從模式下的數(shù)據(jù)傳輸，可以減少數(shù)據(jù)碰撞的機(jī)會(huì)。詳細(xì)的主機(jī)硬件框圖如圖2所示。

對(duì)于本設(shè)計(jì)的射頻部分，希望傳送盡可能遠(yuǎn)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-個(gè)射頻模擬開關(guān)UPG2214來切換nRF24L01的工作狀態(tài)，即發(fā)射狀態(tài)或接收狀態(tài)，使發(fā)射功率可以達(dá)到20 dBm，在空曠地，傳輸距離可以超過500 m。

對(duì)于從機(jī)，采用了相對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)?？刂破鳛锳TMEL公司的AVR系列中的一款：ATmega8，射頻部分與主機(jī)相同，同樣通過SPI接口與ATmega8交換數(shù)據(jù)。一方面，ATmega8接收從UART傳過來的數(shù)據(jù)，打包后通過射頻部分發(fā)射出去，同時(shí)，通過SPI接口接收從nRF24L01傳來的數(shù)據(jù)，去除協(xié)議部分，然后交給UART。

由于本系統(tǒng)中包括混合的電路系統(tǒng)，對(duì)PCB的設(shè)計(jì)提出了很高的要求，本設(shè)計(jì)使用普通的FR4板材，要注意以下幾點(diǎn)：

(1)將PCB分成獨(dú)立的模擬部分和數(shù)字部分。

(2)合適的零件布局，注意電源的濾波。

(3)布線的時(shí)候盡量減少環(huán)路的面積，以降低感應(yīng)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(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性具有很高的要求，必須仔細(xì)計(jì)算與調(diào)整協(xié)議的時(shí)間開銷和數(shù)據(jù)包的大小。鑒于nRF24L01內(nèi)部已經(jīng)具有了簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)鏈路層和32 BFIFO，并且包括CRC校驗(yàn)和出錯(cuò)重傳機(jī)制，故可以在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)鏈路層。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為1臺(tái)主機(jī)，6臺(tái)從機(jī)，采用簡(jiǎn)單的輪詢機(jī)制。首先主機(jī)根據(jù)不同的從機(jī)地址，向其中的一臺(tái)從機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求，在一段確定的時(shí)間之內(nèi)，如果沒有得到回傳的數(shù)據(jù)，就可以判斷為超時(shí)。如果得到的數(shù)據(jù)有錯(cuò)誤，nRF24L01會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)錯(cuò)誤重傳機(jī)制。由于經(jīng)過了CRC校驗(yàn)，可以確認(rèn)上層得到的數(shù)據(jù)就是正確的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)鏈路層，由于上行(數(shù)據(jù)由從機(jī)到主機(jī))和下行(數(shù)據(jù)由主機(jī)到從機(jī))的數(shù)據(jù)量不同，上行的數(shù)據(jù)量較大，是主要的數(shù)據(jù)通道，下行的數(shù)據(jù)量很小，只有一些控制信號(hào)，所以上行的數(shù)據(jù)包采用32 B／包，而下行的數(shù)據(jù)包采用8 B／包。按照從機(jī)的UART接收的數(shù)據(jù)速率為19 200 b／s，每秒的數(shù)據(jù)量約為19 200／8 B，即2 400 B／s。按照32 B／包計(jì)算，每秒需要傳輸2 400／32包，即75包。從機(jī)使用的控制器只負(fù)責(zé)存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)，ATmega8具有1 000 B的SRAM，可以開辟出320 B，即10個(gè)數(shù)據(jù)包的上行緩沖區(qū)，在每個(gè)輪詢周期，每臺(tái)從機(jī)傳送320 B的數(shù)據(jù)。所以把輪詢廚期設(shè)為10 ms，在每個(gè)輪詢周期內(nèi)，主機(jī)分別與6臺(tái)從機(jī)交換一次數(shù)據(jù)，每秒可以有大于10個(gè)輪詢周期，射頻部分收發(fā)狀態(tài)的切換時(shí)間，只有幾個(gè)μs，可以忽略?？鄢齋PI通訊中協(xié)議的開銷，每秒上行通道可以傳送大于3 200 B的數(shù)據(jù)，這個(gè)速度超過從機(jī)從UART接收數(shù)據(jù)的速度，可以保證不丟數(shù)據(jù)。至于下行數(shù)據(jù)鏈路，由于數(shù)據(jù)量很小，可以忽略不計(jì)。

5 本設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)

為什么不用藍(lán)牙：藍(lán)牙具有完善的協(xié)議層，可以保證不同手持設(shè)備之間數(shù)據(jù)的自由交換，但藍(lán)牙為了確?；Q性而形成的協(xié)議包結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，這不僅導(dǎo)致了其硬件的復(fù)雜性，也大幅度增加了處理量和同步處理需求，導(dǎo)致電池消耗迅速增加。

為什么不用WiFi：不可否認(rèn)WiFi具有更好的通用性、更快的數(shù)據(jù)速率，但同樣對(duì)接口的硬件具有相當(dāng)高的性能要求，無法與普通的單片機(jī)相連。如果采用更高性能的處理器，會(huì)增加硬件的復(fù)雜度和軟件的成本，同時(shí)WiFi的高功耗也不適合使用電池供電的多功能監(jiān)護(hù)儀。

為什么不使用ZigBee：ZigBee也是一種近距離低速率數(shù)據(jù)交換的可選設(shè)計(jì)，但ZigBee的傳輸速率只有250 k／s，不能滿足本系統(tǒng)的需求。ZigBee協(xié)議復(fù)雜、開發(fā)難度大、周期長(zhǎng)，這進(jìn)一步限制了中小廠商的使用。

6 結(jié) 語

本嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該以系統(tǒng)本身的需求為中心，而不能把一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)生搬硬套到另外，一個(gè)系統(tǒng)上。另外一個(gè)優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)還要兼顧硬件、軟件、功耗、應(yīng)用環(huán)境等各種因素。