GPRS在生理數據遠程傳輸中的應用研究
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摘要：介紹一種通過(guò)GPRS技術(shù)傳輸生理數據的方法。采用網(wǎng)絡(luò )協(xié)議處理器芯片E5112實(shí)現TCP/IP協(xié)議，單片機檢測出人體的心率數據，同時(shí)通過(guò)串行口發(fā)出的命令字符串控制E5112，由E5112再控制GPRS數傳模塊G18，實(shí)現心率數據的發(fā)送。接收端采用撥號上網(wǎng)的計算機接收心率數據。這種方法費用少，傳輸穩定，且傳輸距離可達到GSM網(wǎng)絡(luò )能達到的區域。 關(guān)鍵詞：GPRS 串行口心率 網(wǎng)絡(luò )協(xié)議處理 E5112 G18 引言 GPRS（General Packet Radio Service）是通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種以全球手機系統（GSM）為基礎的數據傳輸技術(shù)。GPRS和以往連續在頻道傳輸的方式（如GSM）不同，是以分包（packet）的形式來(lái)傳輸，信道是共享使用的，需要的時(shí)候才有數據包產(chǎn)生。用戶(hù)可以隨時(shí)進(jìn)行數據傳輸，而不是每次都需要撥號上網(wǎng)。GPRS的數據傳輸速率可提升到56Kbps，甚至114Kbps。 隨著(zhù)醫療事業(yè)的發(fā)展，遠程醫療（telemedicine）逐漸成為發(fā)展的方向。在很多情況下，都要求將現場(chǎng)采集的病人的各種生理參數傳到醫療或中心站。如將急求車(chē)上病人的數據傳輸到醫院，以及對一般非住院病人的病情監護（社區監護）等。由于GPRS技術(shù)的特點(diǎn)，使得它非常適合這一類(lèi)應用。 本文中，將介紹一種基于GPRS技術(shù)的生理數據傳輸的方法。 1 方法 實(shí)驗中，采用GPRS數據模塊G18來(lái)完成通信的任務(wù)，所以傳輸的生理數據為心率。由于GPRS技術(shù)是一種基于TCP/IP協(xié)議的分包傳輸技術(shù)，所以數據在傳輸前必須進(jìn)行TCP/IP協(xié)議的封裝處理。這個(gè)任務(wù)由協(xié)議處理芯片E5112完成。單片機測量心率數據，然后通過(guò)串行口，送至E5112進(jìn)行TCP/IP協(xié)議的處理和封裝，再送至G18發(fā)送。 （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(diǎn)：①體積?。?0mm80.2mm7.5mm）、質(zhì)量軟（22g）；②天線(xiàn)插座（型號MMCX）支持直線(xiàn)或直角連接；③支持9針RS-232串行接口（3V CMOS電平）；④內含用戶(hù)識別卡（Subscriber Identity Module,SIM）讀卡器；⑤3.0～6.0V工作電壓；⑥支持語(yǔ)音、數據、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(shí)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(guò)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(yǔ)音輸入/輸出和數字語(yǔ)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(shí)驗只用到了數據傳輸功能，且模塊具有內置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(dòng)識別波特率（300bps、1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps）。在數據傳輸模式下，G18的初始化、功能控制以及數據的通信都通過(guò)RS-232串行異步通信接口進(jìn)行，因此，該模塊與外部的硬件接口相對簡(jiǎn)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據和控制信息都通過(guò)一套由字符組成的命令串（AT 命令集）來(lái)完成，而這些命令串就是通過(guò)RS-232串行異步通信接口進(jìn)行傳遞的。命令串都以特定的字符（AT）開(kāi)始；以特定的字符結束；中間部分根據命令的類(lèi)型、長(cháng)度不定，主要包括下列指令類(lèi)型：模塊管理（模塊開(kāi)、關(guān)機，狀態(tài)檢測等），語(yǔ)音通信 （撥號控制、通信狀態(tài)報告等），數據、傳真控制，短信息功能（短信息的撰寫(xiě)、管理和收發(fā)）。 （2）網(wǎng)絡(luò )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(luò )協(xié)議處理器，是完成TCP/IP協(xié)議的專(zhuān)用芯片，支持TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶(hù)數據文報協(xié)議）協(xié)議，實(shí)現將嵌入式系統直接與Internet相連。E5112具有客戶(hù)機功能，可以主動(dòng)請求TCP連接遠方服務(wù)器通信。E5112也具有服務(wù)器功能，可以監聽(tīng)來(lái)自客戶(hù)機的TCP連接請求，建立TCP連接通信。因此，使用E5112的系統之間只要知道對方IP地址和端口號就可以通過(guò)Internet進(jìn)行通信。 E5112一端通過(guò)RS-232接口與G18連接，另一端通過(guò)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)出的數據不進(jìn)行處理直接將數據發(fā)送到G18，收到的數據也原封不動(dòng)地傳遞給單片機。在這個(gè)模式下，短消息和語(yǔ)音功能可以由用戶(hù)自己通過(guò)AT命令來(lái)實(shí)現。在非透明通道模式下，單片機通過(guò)串口采用幀格式與E5112通信。 E5112幀格式以十六進(jìn)制數7E開(kāi)始，然后是類(lèi)型、長(cháng)度、數據三個(gè)字段，最后以十六進(jìn)制數7E結束。類(lèi)型字段表示本幀的類(lèi)型。E5112共有輸入和輸出兩大類(lèi)型。輸入幀有讀網(wǎng)關(guān)IP地址幀、設置服務(wù)器端口幀、設置ISP電話(huà)號碼和用戶(hù)名用戶(hù)密碼幀、設置SOCKET插口幀、發(fā)送TCP數據幀、發(fā)送UDP數據幀、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(guān)閉幀、接收SOCKET數據幀、接收源IP地址幀等共16種。長(cháng)度字符存有類(lèi)型、長(cháng)度、數據三個(gè)字段的長(cháng)度（字節數）。數據字段只有當有數據發(fā)送和接收時(shí)才存在。類(lèi)型、長(cháng)度、數據三個(gè)字段中如含有十六進(jìn)制數7E，則必須進(jìn)行轉義處理。 由于E5112能進(jìn)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(shí)現GPRS數據通信。 （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(lái)使用必須要進(jìn)行電平轉換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(gè)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(jìn)行電平轉換，我們采用漏極開(kāi)路的驅動(dòng)芯片74LVC07完成這一功能。圖2為某一路信號進(jìn)行電平轉換的電路，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(gè)串并轉換芯片16C550，進(jìn)行串行和并行數據的轉換單片機、E5112之間的連接見(jiàn)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)心率檢測電路轉化與心電R波同步的脈沖，再由單片機計時(shí)測量其頻率，求倒數可得心率值。心率數據經(jīng)單片機測量完成后，存儲在單片機的存儲器中，需要時(shí)經(jīng)串行口發(fā)送，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸。 （5）單片機采用了AT89C51，單片機的軟件采用C語(yǔ)言編制。心率脈沖連接至0號外部中斷引腳（INT0），定時(shí)器0設為連續計時(shí)。每當INT0產(chǎn)生中斷，即將定時(shí)器0數值記錄下來(lái)，減去上次的記錄值，計算心率數值。 單片機串行口設為方式1，波特率為9600bps，1位停止位，無(wú)奇偶校驗。上電后，首先向E5112（通過(guò)16C550串并轉換）發(fā)送設置ISP電話(huà)號碼、用戶(hù)名及用戶(hù)密碼幀，其中ISP電話(huà)號碼必須為“*99#”，用戶(hù)名和用戶(hù)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，否則需繼續撥號直至成功為止（撥號成功后，網(wǎng)絡(luò )連接就一直建立，有數據發(fā)送時(shí)即可即時(shí)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(diǎn)和點(diǎn)通信環(huán)境已建立，調用發(fā)送TCP數據幀和發(fā)送UDP數據幀就可以發(fā)送心率數據了，其中心率數據置于TCP和UDP數據幀的數據字段中。 （6）接收端編程 在接收端的計算機上，主要應用VB的一個(gè)Winsock控件來(lái)實(shí)現接收發(fā)送的生理參數。利用WinSock控件可以與遠程計算機建立連接，并通過(guò)UDP或者TCP協(xié)議進(jìn)行數據交換。這兩種協(xié)議都可以用來(lái)創(chuàng )建客戶(hù)與服務(wù)器應用程序。 使用時(shí)，只需在接收窗體中插入一個(gè)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，調用Bind方法，即可建立雙方的連接。當單片機端發(fā)送心率數據時(shí)，將觸發(fā)Winsock控件的DataArrival事件，在事件處理程序中讀取GetData屬性的內容，即可獲得遠端發(fā)來(lái)的心率數據。 端口的設置可以任意，但最好大于1000，以避開(kāi)與常用的端口沖突。 （7）實(shí)驗過(guò)程 由于條件限制，接收端計算機上網(wǎng)方式選擇了有線(xiàn)電話(huà)撥號方式，以獲得公網(wǎng)IP。實(shí)驗時(shí)，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(yǔ)言程序，檢測心率并發(fā)送。這時(shí)接收端計算機就能收到心率數據并顯示。 2 結果與討論 實(shí)驗中，傳送的心率數據都準確地無(wú)誤地到達了接收方，傳輸質(zhì)量非常穩定，且傳輸距離可以達到GSM網(wǎng)絡(luò )能達到的地方。GPRS能實(shí)現“永遠在線(xiàn)”，所以一旦建立GPRS連接，就可以隨時(shí)發(fā)送數據，不需再撥號。由于心率數據傳輸的頻率和數據量不大，所以耗費的GPRS通信費也是很少的。 利用GPRS技術(shù)傳輸生理數據，可以不用考慮建立無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的巨額投資，費用只是GPRS模塊的一次性投資和傳輸時(shí)的GPRS通信費，且可隨時(shí)發(fā)送，使用非常方便；GSM網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)非常成熟的網(wǎng)絡(luò )，具有完善的糾錯機制，因此傳輸的穩定性很好。由于GSM已經(jīng)得到非常廣泛的應用，傳輸的距離由網(wǎng)絡(luò )的漫游功能而能達到全部的城市和絕大部分鄉村?？梢灶A見(jiàn)，GPRS技術(shù)將在各類(lèi)數據傳輸應用（包括生理數據傳輸）中得到越來(lái)越廣泛的應用。 由于條件限制，本實(shí)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(dòng)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(shí)際的系統中，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(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )協(xié)議處理器芯片，可以降低開(kāi)發(fā)難度，但增加了系統成本、體積和功耗，如能用軟件實(shí)現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。 |
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