摘要:以傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)IEEE1451. 2為基礎(chǔ),介紹了無線網(wǎng)絡(luò)化傳感器實現(xiàn)的一些具體技術(shù)要點,提出了一種基于藍牙協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)化傳感器結(jié)構(gòu)模型,并給出了基于該模型開發(fā)的一個實驗室遠程測溫裝置的具體軟、硬件實現(xiàn),最后探討了該裝置在病人遠程監(jiān)護中的應(yīng)用。

在測控系統(tǒng)中,傳感器作為信息采集必不可少的裝置,實現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)前的熱點研究問題。當(dāng)前大多數(shù)測控系統(tǒng)中,傳感器多是采用有線方式,但是在一些特殊情況下,有線線纜連接顯然會造成很多不便,不能夠滿足現(xiàn)實需要。隨著新興無線技術(shù)(如藍牙技術(shù))的發(fā)展以及其芯片價格的降低,無線方式在很多場合都得到應(yīng)用以取代原有的有線接口方式。無線網(wǎng)絡(luò)化傳感器勢必成為傳感器發(fā)展的一個重要方向。筆者在介紹IEEE1451. 2和藍牙技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出了一種基于藍牙協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)化傳感器結(jié)構(gòu)模型,并著重討論基于該模型開發(fā)的模擬實驗裝置的實現(xiàn)及其在病人遠程監(jiān)護中的應(yīng)用。

1　基于IEEE1451. 2和藍牙協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)化傳感器

1. 1　IEEE1451. 2標(biāo)準(zhǔn)

IEEE1451. 2作為智能傳感器接口模塊標(biāo)準(zhǔn),它提供了將傳感器和變送器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的接口標(biāo)準(zhǔn),采用通用的A /D 或D /A 轉(zhuǎn)換裝置作為傳感器的I/O 接口,將各種傳感器模擬量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定格式的數(shù)據(jù),連同一個小存儲器———傳感器電子數(shù)據(jù)表( TEDS,transducer electronic data sheet)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的處理器目標(biāo)模型———網(wǎng)絡(luò)適配器(NCAP, network capable ap2p lication p rocess)連接,如此,數(shù)據(jù)可以按網(wǎng)絡(luò)規(guī)定的協(xié)議連接入網(wǎng)絡(luò)。該標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)模型提供了一個連接智能變送器接口模型( STIM, smart transducer interfacemodule)和NCAP的10線標(biāo)準(zhǔn)接口———變送獨立接口(TII, transducer independence interface) 。其工作流程是敏感元件輸出的模擬信號經(jīng)A /D轉(zhuǎn)換及相應(yīng)數(shù)據(jù)處理(濾波、校準(zhǔn))后,由網(wǎng)絡(luò)處理裝置根據(jù)程序設(shè)定和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(TCP / IP)將其封裝成數(shù)據(jù)幀,通過網(wǎng)絡(luò)接口傳到網(wǎng)絡(luò)上。

1. 2　藍牙技術(shù)

藍牙技術(shù)作為一種新的短距離無線通信協(xié)議,提供了一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放標(biāo)準(zhǔn),它具有許多特有的優(yōu)勢:很強的移植性,可應(yīng)用于多種通信場合;硬件集成電路應(yīng)用簡單,成本低廉,實現(xiàn)容易,且易于推廣;藍牙功耗低,對人體危害小;藍牙采用擴頻跳頻技術(shù),抗干擾能力強,增加了信息傳輸?shù)陌踩浴?strong>藍牙技術(shù)正以其特有的優(yōu)勢引起許多專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。

1. 3　傳感器結(jié)構(gòu)模型

基于IEEE1451. 2的有線網(wǎng)絡(luò)化傳感器結(jié)構(gòu)模型包含STIM、TII和NCAP 三部分。而本設(shè)計的基于IEEE1451. 2和藍牙協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)化傳感器,采用藍牙模塊替代TII實現(xiàn)無線連接,類似于實現(xiàn)了一個無線的STIM和無線NCAP接收終端的模式,它們以點對多點方式在藍牙匹克網(wǎng)以主從方式實現(xiàn)相互通信。

STIM通過無線的NCAP接入以太網(wǎng)( Ethernet)或In2ternet,同時NCAP通過分配的IP地址與網(wǎng)絡(luò)相連,如圖1所示。與典型的有線方式相比,上述無線網(wǎng)絡(luò)模型增加了兩個藍牙模塊,對于藍牙模塊部分,標(biāo)準(zhǔn)的藍牙對外接口電路一般使用RS232或USB 接口,而TII是一個控制鏈接到它的STIM的串行接口,因此必須設(shè)計一個類似于TII接口的藍牙電路,構(gòu)造一個專門的處理器來完成控制STIM和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)到藍牙主控制接口(HCI, host control interface)的功能。硬件實現(xiàn)上可以采用接口模塊,軟件實現(xiàn)上可以采用標(biāo)準(zhǔn)的STIM軟件模塊: STIM 模塊、STIM 傳感器接口模塊、TII模塊、TEDS模塊以及地址和函數(shù)模塊。

2　模擬實驗裝置的實現(xiàn)

下面以實驗室開發(fā)的模擬裝置為例來說明該傳感器的實現(xiàn)。該裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,利用前端無線STIM中的MCU 定時采集溫度傳感器中的溫度值,經(jīng)藍牙無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至NCAP。NCAP將存放于特定的位置,當(dāng)有瀏覽器要查看該數(shù)值時,將該數(shù)值嵌入到相應(yīng)的網(wǎng)頁程序中,并對整段程序進行TCP /IP封裝處理,傳送到客戶端的瀏覽器上。

2. 1　STIM的實現(xiàn)

STIM中MCU 采用的是AD 公司的微轉(zhuǎn)換芯片ADμC812。該芯片內(nèi)有一個8052兼容的微處理器,遵從IEEE1451. 2標(biāo)準(zhǔn),利用芯片ADμC812內(nèi)部的640 B的數(shù)據(jù)存儲器作為可重復(fù)寫的TEDS存儲,利用內(nèi)部的一個通道12位的ADC實現(xiàn)A /D轉(zhuǎn)換以及通過芯片內(nèi)的UART串行口實現(xiàn)與藍牙模塊的通信。藍牙模塊選用的是支持點對多點的愛立信ROK 101 008 系列,同時該模塊自帶射頻微帶天線。ROK 101 008 藍牙模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)遵從藍牙規(guī)范1. 1,其內(nèi)部基帶控制器同樣提供了UART接口。藍牙模塊內(nèi)部提供了主機控制器接口(HCI)來實現(xiàn)對藍牙硬件訪問的統(tǒng)一接口,結(jié)合RS232串口就可以實現(xiàn)主控制器和主機之間在傳輸層上的數(shù)據(jù)通信,基帶和射頻則提供了上層的鏈接和服務(wù)。同時,ADμC812還應(yīng)完成對溫度傳感器的初始化、數(shù)據(jù)采集和處理。

(1)溫度傳感器DS18B20接口和驅(qū)動。

溫度傳感器選用的是DS18B20, 該溫度芯片是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器,主要由4部分組成: 64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。ROM中的64位序列號是該DS18B20 的地址序列碼, ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同,這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20 的目的。主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個步驟:初始化、ROM操作指令、存儲器操作指令。其工作流程是: 初始化→ROM操作指令→存儲器操作指令→數(shù)據(jù)傳輸,工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序。操作時必須先啟動DS18B20開始轉(zhuǎn)換,再讀出溫度轉(zhuǎn)換值。其硬件接口如圖3所示。

(2)藍牙模塊ROK 101 008初始化。

藍牙模塊上電即讓其完成初始化工作,使其能與信號范圍內(nèi)藍牙建立連接通道。這一過程主要通過單片機MCU對藍牙模塊發(fā)送HC I指令完成。HCI指令包括指令分組,數(shù)據(jù)分組和事件分組,具體的格式為: 操作碼+參數(shù)總長+參數(shù)0 +...參數(shù)N 。

下面給出主從設(shè)備間實現(xiàn)ACL數(shù)據(jù)連接的HCI指令(字符對應(yīng)指令的操作碼,由前10位和后6位兩部分組成,括弧內(nèi)為該指令的參數(shù)) : 從設(shè)備上電后實現(xiàn)查詢使能進行復(fù)位Write_ scan_enable ( 0x03 ) 。主設(shè)備發(fā)送查詢HC I指令I(lǐng)nquiry(0x9c8b33, 8, 0) ,假定從設(shè)備地址為0x00000000000,則建立ACL 連接的HC I指令為Creat_Connection (0x000000000000, 0x18, 0, 0, 0, 0) ,從設(shè)備接收連接請求指令為Accep t_connection _ request( 0x111111111111, 0 ) , 假定主設(shè)備地址為0x111111111111。這樣主從設(shè)備之間就建立了ACL數(shù)據(jù)連接。如Inquiry對應(yīng)操作碼為x0001, 0x01。具體的HCI指令參見藍牙規(guī)范。

2. 2　NCAP的實現(xiàn)

NCAP的功能為實現(xiàn)藍牙模塊對以太網(wǎng)( Ether2net)的接入,同樣選用ROK 101 008系列藍牙模塊,如此可以實現(xiàn)多個STIM對同一NCAP的連接。采用8位微處理器W77E58 和TCP / IP協(xié)議棧芯片W3100A一起實現(xiàn)對以太網(wǎng)( Ethernet)的接入的網(wǎng)絡(luò)化接口。

(1)協(xié)議棧芯片W3100A初始化。

W3100A是一TCP / IP協(xié)議棧芯片,包含的各協(xié)議層有: TCP、IP、UDP、ICMP和以太網(wǎng)協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路DLC和MAC 協(xié)議, 其工作方式類似于Windows的Soket AP I,為便于實現(xiàn)對傳感器的訪問,可以將傳感器設(shè)計為具有Web服務(wù)器功能。W3100A 支持全雙工模式,內(nèi)部帶有雙口的SRAM數(shù)據(jù)緩沖區(qū),其封裝是64腳的LQFP,提供了并口和串口兩種方式實現(xiàn)與MCU的通信。MCU和W3100A的硬件接口如圖4所示。其中, RTL8201 芯片為以太網(wǎng)物理層選用設(shè)備。

W3100A提供M II接口與RTL8201 相連, 其中引腳RX_CLK, RXDV, RXD [ 0∶3 ]以及COL用于數(shù)據(jù)的接收,而TX_CLK, TXE, TXD [ 0 ∶3 ]用于數(shù)據(jù)的發(fā)送。

MCU中提供模擬的I2 C接口與W3100A 通信。

芯片W3100A正常工作必須對其完成相應(yīng)的初始化。初始化主要是對必要的寄存器進行相應(yīng)的設(shè)置,這些寄存器包括: 網(wǎng)關(guān)地址寄存器GAR、子網(wǎng)掩碼寄存器SMR、硬件地址寄存器SHAR以及IP地址寄存器SIPR等。上述寄存器被設(shè)置后通過執(zhí)行控制寄存器CR的0位Sys_init激活芯片。

(2)WEB服務(wù)功能實現(xiàn)。

協(xié)議棧芯片W3100A從硬件上實現(xiàn)了TCP / IP協(xié)議,因此將該裝置集成Web服務(wù)功能顯然比較容易,即在無線NCAP上應(yīng)實現(xiàn)相應(yīng)的HTTP協(xié)議,NCAP在網(wǎng)絡(luò)功能上相當(dāng)于“網(wǎng)關(guān)”。要實現(xiàn)遠程瀏覽器與傳感器交互, 可以利用傳感器NCAP 中增加了的E2 PROM ( FM24C04 ) 來存儲相應(yīng)的網(wǎng)頁文件。交互時, HTTP通過統(tǒng)一資源定位器URL ( uniform resourcelocator)來確定傳感器應(yīng)該為瀏覽器提供哪些資源。

網(wǎng)頁文件存放在傳感器中的FM24C04里。當(dāng)監(jiān)測中心的瀏覽器發(fā)出頁面請求時, NCAP 上的處理器在TCP打包的時候,把來自STIM端的監(jiān)測值嵌入到相應(yīng)的網(wǎng)頁文件中的特殊標(biāo)志處,再為該網(wǎng)頁文件添加相應(yīng)的HTTP頭,返回給請求的用戶,如此用戶可以在瀏覽器上看到實際的監(jiān)測值。因此要實現(xiàn)Web功能,軟件上要在NCAP上完成HTTP協(xié)議,硬件上增加了一塊E2 PROM ( FM24C04) 。

3　模擬裝置在病人監(jiān)護系統(tǒng)中的應(yīng)用

將上述網(wǎng)絡(luò)化傳感器(實驗裝置)用于病人監(jiān)護中,病人就可以在異地(如家里)通過其身上攜帶的傳感器來采集和檢測某一信號,同時該傳感器將信號通過Ethernet或Internet傳送到監(jiān)測中心。病人遠程監(jiān)護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

利用模擬裝置中的WEB 功能,本方案采用B /S(瀏覽器/服務(wù)器)方式實現(xiàn)遠程監(jiān)測中心PC機對傳感器的訪問。如此可以最大程度地降低監(jiān)測中心PC機的要求,也免去客戶端軟件的設(shè)計。監(jiān)測PC只要通過其瀏覽器(如IE)即可方便實現(xiàn)對傳感器的信息進行查詢和監(jiān)測。下面為存儲在溫度傳感器中的一個簡單的動態(tài)網(wǎng)頁程序,其中的“@”用來在網(wǎng)頁中插入溫度的標(biāo)志,網(wǎng)頁文件存放在傳感器中的E2 PROM里。當(dāng)監(jiān)測中心的瀏覽器發(fā)出頁面請求時, NCAP上的處理器在TCP打包的時候,把來自STIM端的監(jiān)測值嵌入到相應(yīng)的網(wǎng)頁文件中的“@”處,再為該網(wǎng)頁文件添加相應(yīng)的HTTP頭,返回給請求的用戶,如此用戶可以在瀏覽器上看到實際的監(jiān)測值。

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4　結(jié)束語

筆者提出的基于藍牙協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)化傳感器設(shè)計,信息傳輸安全可靠,可行性強。其無線的特殊優(yōu)勢,能夠滿足某些特殊情況的需要,具有廣闊的應(yīng)用前景和良好的市場價值。開發(fā)的模擬實驗裝置如再進一步通過臨床驗證與完善,即可用于病人遠程監(jiān)護系統(tǒng)實現(xiàn)人體體溫的實時檢測、監(jiān)護、記錄和儲存。如在此基礎(chǔ)上增加血壓、心率等傳感器之后,即可實現(xiàn)對人體的血壓、心率等實施監(jiān)護與記錄處理。