基于nRF24AP2芯片的穿戴式医疗监护系统设计

【摘要】为了更好的对特殊群体进行长期的医疗监护，采用基于ANT协议的无线通信技术搭接无线传感器网络的通信架构，构建远程医疗监护系统，实现对目标对象相应的生理数据的实时采集。本系统采用与ANT协议相兼容的无线芯片nRF24AP2作为医疗监护系统无线网络节点的核心器件，充分利用ANT协议的高效率、低功耗、低成本、灵活便利且通信可跳频的特性，在运行可靠的前提下节省系统开销和成本。文中对nRF24AP2芯片本身的应用方法及特点进行了详细的介绍，经实验结果表明其具有良好的应用前景。

【关键词】nRF24AP2芯片；ANT；穿戴式；混合拓扑；超低功耗

1.引言

为了降低医疗护理领域的投入，提高医疗监护的质量，方便慢性病患者、手术后的病人、老年人、孕妇、婴幼儿等其他需要接受长期的医疗监护的特殊群体，需要在医疗监护中引入新的监护模式。穿戴式生理检测技术克服了传统有线医疗检测技术的局限，具有体积小、重量轻、成本低、佩戴方便等特点。

本系统采用基于ANT协议的无线通信技术实现系统基本通信架构。ANT协议简单、成本低廉、应用方便，它采用超低功耗设计，具有灵活性、可靠性等特点。其典型应用场景包括传感器网络、远程控制系统等，并且在健康、运动、医疗领域取得了巨大的成功。本系统可实现对个人健康进行一些评估诊断和监控，主要用于家庭小区、养老院等社区内的病人、老年人的医疗监护，也可用于井下矿工的生理数据采集与监护。

2.系统总体结构和工作原理

2.1 系统的硬件组成

系统由传感器节点、路由节点、基站以及医疗中心服务器组成。其中传感器节点和路由节点穿戴在使用者得身上，基站置于家庭小区、养老院等社区内。节点和基站都有一个基于ANT协议的无线收发模块，通过无线数据的收发，实现一个小型的无线智能网络。系统的工作流程为：节点中的MCU通过串口对无线收发模块进行信道参数配置，所有节点在空中实现配对，之后通过空中接口完成数据信息包的发送与接收，从而实现数据传输的目的。图1为系统总体框架。

2.2 系统网络拓扑结构

为了保证了节点数据传输的可靠性，增强网络的扩展性，并降低了网络的复杂度和成本，系统采用混合拓扑结构。路由节点和传感器节点距离很近，可以直接通信，所以路由节点和传感器节点采用简单的星状网络结构。路由节点和基站直接的距离较远，可能会超过ANT协议支持的通信距离，为了保证数据的正常传输，可能需要采用多跳的数据转发方式。所以路由节点和基站采用复杂的网状网络结构。

2.3 系统节点地址分配

医疗监护系统中，考虑对每个节点编排唯一的地址以便于区分，方便根据节点地址判断节点的分布及类型等，对节点地址划分字段并分别赋予一定的含义。本课题中，为每个节点分配了一个2字节的地址。地址分配方式如下：

“用户号”用于区分不同的用户。对于同一个用户来说，所有节点的用户号都是相同的。为“用户号”分配12bit。“设备号”用于区分节点的类型，对于所有相同功能节点来说，它们的设备号都是相同的。例如将分类号0用于路由节点，1用于采集体温的传感器节点等，2用于采集脉搏的传感器节点等。用户号、设备号为全l（即节点地址为全1）的地址保留作为新设备的入网初始地址。而用户号、设备号为全0（即节点地址为全0）的地址保留给设备地址查询时使用。

2.4 系统通信数据包格式

①帧头：固定为0xA4。

②目的地址：它表示了本数据包的最终目标节点。接收节点根据此判断该数据包的流向。

③源地址：它表示了本数据包的来源节点。接收节点根据此判断该数据包的来源。

④数据包长度指示：它表示了整个数据包的长度，最大允许长度设定。

⑤消息ID：表明消息的类型和消息的来源。

⑥用户数据：数据0～数据7。

⑦校验和字段为数据帧中自帧头开始直至用户数据的所有字节的异或和。

表2为数据包结构。

3.系统硬件设计

基于ANT协议的穿戴式医疗监护系统硬件部分分为传感器节点、路由节点、基站三个部分。传感器节点负责对使用者的体温、脉搏等生理数据进行测量并发送给路由节点。路由节点建立简单星型ANT网络，并接收从各个传感器节点传输过来的数据，将这些数据打包之后发送给基站，同时也负责接收基站发送过来的指令。基站建立网状ANT网络，并负责接收路由节点发送来的生理数据，初步处理并后发送至医疗中心服务器。

3.1 传感器节点：由生命体征传感器、微控制器、ANT射频模块构成。微控制器选用STC系列的STC11L08单片机，用于节点设备的控制、任务调度以及功能协调。无线收发模块则选用nRF24AP2，用于节点间的数据收发，nRF24AP2与MCU之间通过异步串口方式实现通信，其工作电压为3V，由CR2032锂离子电池提供。

nRF24AP2包含异步串行接口UART、时钟模块、ANT协议机和1Mb/s的射频收发信机等4个模块。nRF24AP2可通过简单的同步或异步串口实现与外部主机的通信，也可将nRF24AP2看作一个黑盒的无线解决方案，无需深入理解物理层和协议，仅需通过串口配置信道参数，就可发送或接收数据消息。nRF24AP2执行配置任务，并通过空中接口完成与其他设备间的消息包的发送与接收。图2为传感器节点的结构框图。

3.2 路由节点：由声光报警电路、微控制器、ANT射频模块构成。微控制器选用自带EEPROM的STC11L08XE单片机，无线收发模块则选用具有八通道的nRF24AP2-8CH，图3为路由节点的结构框图。

3.3 基站：由按键输入和液晶显示电路、微控制器、ANT射频模块、GPRS模块构成。微控制器选用高速双串口的STC12C5A60S2单片机，无线收发模块则选用具有八通道的nRF24AP2-8CH，GPRS单元选用SIMCOM公司的SIM300模块，液晶显示采用LCD12864，按键采用独立输入方式。图4为基站的结构框图。

4.系统软件设计

4.1 系统初始化

系统在初始化过程中主要完成以下任务：

①根据硬件连接设置单片机各I/O端口为所需的输入输出状态。

②使能单片机各的外部中断0并设置为下降沿触发方式。

③使能单片机串口并设置为异步工作模式，设置波特率为9600kbps。

④利用单片机的I/O端口设置nRF24AP2的工作模式。

图5为系统初始化程序流程图。

4.2 ANT协议通信流程

nRF24AP2芯片内部集成了ANT协议机，简化了通信过程中MCU的控制负担。在ANT节点实现通信之前，必须对信道参数进行配置，这些参数包括网络号、射频频率、信道ID（生产商ID/设备类型/设备号）、信道类型和信道周期。MCU通过串口对信道参数进行配置，配置及通信过程以及如图6所示。

4.3 服务器用户程序

医疗中心服务器负责将基站发送来的生理数据进行存储、分析、处理以及动态显示。服务器会将最新采集到的病人的生理参数信息与其以往的生理数据以及正常的生理数据做对比。根据数据的分析处理结果，命令基站进行相应的调整。此外，采集到的生理数据信息往往会因为受到干扰而变得不准确，所以编写相应的算法程序以排除干扰准确获取数据。以心率测量为例，由于传感器输出信号存在较大的噪声干扰（如呼吸对心跳信号的干扰），则基于心跳信号的频率为1-2Hz呼吸信号为0.3Hz左右的事实，在中心服务器上设计相应的滤波算法处理心跳加速度数据，从而实现精确心率检测。软件结构框图见图7。

5.结语

本设计利用nRF24AP2自带的无线收发引擎，基本实现了穿戴式的远程监护系统的设计。经过对硬件程序的测试，可实现传感器节点、路由节点、基站的在超低功耗下的数据采集、无线组网和数据传输等相应功能。不过在整个设计研究过程中有些技术还有待提高，如表面贴片封装天线的设计，如何进一步减少节点体积和功耗并提高无线传输效率的。这些问题只有在以后的工作中，不断学习、总结经验，才能将系统更完善。

参考文献

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作者简介：尤明（1986—），男，内蒙古根河人，硕士研究生，研究方向：嵌入式应用系统的研究与设计。

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