CC3000的膠囊內窺鏡WiFi轉發(fā)器設計

近年，由于微電子技術(shù)和便攜式電子設備的發(fā)展，使用傳感器獲取身體的生理數據成為熱門(mén)的研究領(lǐng)域。越來(lái)越多的嵌入式處理器和無(wú)線(xiàn)技術(shù)應用于生理參數的獲取。使用傳感器可以獲取如血壓、血氧飽和度、血糖、脈搏、體溫、呼吸、心率、心電、腦電等生理信息。這方面的研究已經(jīng)許多成果，如使用安卓手機進(jìn)行心電監測、ZigBee的多生理參數監測等，這些信息可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送給便攜式數據記錄儀或遠程服務(wù)器。如今，智能手機有足夠的處理和存儲能力來(lái)完成這些身體參數的處理，可以使用藍牙或WiFi接收這些數據，但考慮到藍牙或WiFi芯片的體積和功耗，膠囊內窺鏡的圖像不宜采用藍牙或WiFi進(jìn)行傳輸。因此，如不借助其他設備，膠囊內窺鏡使用專(zhuān)用的無(wú)線(xiàn)傳輸芯片采集到的圖像無(wú)法直接傳輸到智能手機或遠程服務(wù)器。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文設計了一種用于膠囊內窺鏡的轉發(fā)器，主要功能是轉發(fā)膠囊內窺鏡的圖像數據。提出的適配器通過(guò)使用與膠囊內窺鏡配套的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊來(lái)接收圖像數據，然后由微處理器控制WiFi模塊轉發(fā)圖像數據到手持設備。此外，適配器也可直接通過(guò)WiFi將圖像發(fā)送到遠程服務(wù)器存儲，從而實(shí)現膠囊內窺鏡的遠程診斷。

1 系統總體設計

作為膠囊內窺鏡和數據采集終端的中間設備，轉發(fā)器主要用于轉發(fā)膠囊內窺鏡的圖像數據。本文使用Android手機作為數據采集終端，膠囊內窺鏡使用的是nRF24L01+傳輸芯片。圖1是使用轉發(fā)器的膠囊內窺鏡遠程診斷系統。

2 轉發(fā)器設計

2.1 硬件設計

轉發(fā)器的硬件設計如圖2所示，包括微控制器STM32F103RCT6、無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF24L01+、WiFi芯片CC3000，各模塊使用SPI總線(xiàn)進(jìn)行通信。轉發(fā)器保留了其他傳輸方式的外部接口，因此也能用于其他傳輸方式的生理傳感器。

(1)微控制器

微控制器STM32F103RCT6，主要負責數據的緩存、處理轉換，并根據預定義的方式從相關(guān)接口傳送數據。它控制RF接收器和WiFi模塊的數據傳輸相關(guān)的所有活動(dòng)，以及總體管理產(chǎn)生的控制信號。STM32系列專(zhuān)為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用而設計。時(shí)鐘頻率為72 MHz時(shí)，STM32功耗為36 mA，相當于0.5 mA/MHz。

(2)RF接收器

選擇nRF24L01+作為轉發(fā)器的接收芯片，是由于其具有低功耗、小尺寸和高帶寬等特點(diǎn)。它與單片機SPI口的通信速度可達8 MHz;最大支持2 Mbps的數據傳輸速率，且正常的功耗為14 mA;支持自動(dòng)應答及自動(dòng)重發(fā)，內置地址及CRC數據校驗等功能。雖然自動(dòng)應答降低了通信速度，但它是生物醫學(xué)應用中所必需的。

(3)WiFi模塊

轉發(fā)器的功能取決于設備本身和接收工作站之間的通信。WiFi的應用越來(lái)越廣泛，在許多地方都作為一種主要的通信媒介。本文使用TI公司的WiFi嵌入式芯片CC3000，為電子設備提供Internet連接能力。這款芯片包含完整的TCP/IP協(xié)議棧和WiFi驅動(dòng)，支持標準的Socket編程，具有IEEE802.11b/g無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡功能。在IEEE802.11g工作模式下，傳輸功耗為190 mA，接收功耗為92 mA。CC3000的外圍電路設計如圖3所示，只保留了SPI通信接口和UART調試接口。

(4)電源供應

采用輸出3.7 V的鋰電池作為電源的供應，電池可以通過(guò)USB線(xiàn)進(jìn)行充電。

2.2 控制程序設計

軟件控制程序是分層模塊化的，以便添加新的硬件時(shí)不必對軟件進(jìn)行大規模改動(dòng)。底層驅動(dòng)程序是由ST公司提供的一個(gè)完整的STM32設備固件庫。該庫提供了STM32所有外設的底層驅動(dòng)函數，開(kāi)發(fā)人員不必自己編寫(xiě)驅動(dòng)函數，只需在這些底層函數的基礎上編寫(xiě)應用程序。CC3 000使用官方提供的Hostdriver驅動(dòng)庫，上層應用層包括數據處理、系統配置等模塊。STM32通過(guò)SPI初始化CC3000和RF射頻模塊，配置nRF24 L01+為接收模式，自動(dòng)應答，每次傳輸32字節數據。為了確保數據接收與發(fā)送同步操作，CC3000的數據包也設置為32字節。因為針對的是遠程診斷，而遠程服務(wù)器的IP地址一般是固定的，因此配置CC3000為服務(wù)端的工作模式。轉發(fā)器工作時(shí)，從RF的SPI口讀取到的數據先存到存儲緩沖器中，然后由STM32將數據交由CC3000轉發(fā)出去。

轉發(fā)器的工作流程如圖4所示。

當連接指定AP超時(shí)，CC3000便進(jìn)入Smart Config模式，Smart Config是CC3000獨有的AP配置信息模式，可以使用任何帶WiFi的設備配置CC3000連接到AP。很多嵌入式的設備不帶有鍵盤(pán)和液晶，而WiFi配置又極其復雜，為了便于客戶(hù)重新配置WiFi的連接，CC3000模塊設計了Sma rt Config模式。

3 Android手機接收程序

本文使用Android手機完成圖像數據的接收、處理、顯示、保存。轉發(fā)器通過(guò)WiFi將圖片發(fā)送到手機，圖像數據是通過(guò)轉發(fā)器的TCP/IP協(xié)議轉發(fā)的。Android是一個(gè)開(kāi)源移動(dòng)操作系統，它有一個(gè)強大的基于Java框架的軟件開(kāi)發(fā)包。Bitmap類(lèi)是Android系統中有關(guān)圖像處理的最重要類(lèi)之一，可以用于獲取圖像文件信息，進(jìn)行圖像相關(guān)處理。

開(kāi)發(fā)的圖像采集應用程序主要由3部分組成：

①DeviceListActivity：主要完成設備的連接，連接后的設備通過(guò)Socket通信。

②RecieveService：Android后臺服務(wù)進(jìn)程，它長(cháng)時(shí)間運行在手機應用程序進(jìn)程的主線(xiàn)程內，不會(huì )干擾其他組件或用戶(hù)界面。這里包括Socket的監聽(tīng)、數據的接收、圖片的顯示與寫(xiě)入SD卡的后臺服務(wù)。

③WiFiWCERecieve：與用戶(hù)交互的Activity組件，是應用程序的可見(jiàn)部分。

CC3000與手機利用WiFi連接立TCP連接，通過(guò)Socket傳輸圖片。配置Android手機為服務(wù)端，使用ServerSocket來(lái)建立帶有端口的Socket服務(wù)器，然后一直監聽(tīng)請求連接。其中Android終端和CC3000處于同一局域網(wǎng)。圖像啟動(dòng)采集的時(shí)候，客戶(hù)端使用Socket的構造器連接服務(wù)器，指定服務(wù)器IP和端口號。服務(wù)器端的accept()方法得到響應后，服務(wù)器端和客戶(hù)端就形成了一對互相連接的Socket。Socket通信時(shí)都是通過(guò)輸入/輸出流進(jìn)行。從手機Socket口獲取到的圖像數據流，通過(guò)Android里面的bitmap類(lèi)生成JPEG圖像并顯示，添加SD權限，把圖像寫(xiě)進(jìn)SD卡中。

4 實(shí)驗與分析

膠囊內窺鏡使用nRF24L01+發(fā)送圖像數據。轉發(fā)器處理接收到的數據，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )轉發(fā)給Android處理、顯示、保存。圖5為Android機接收到的圖片。

不同組件的平均功耗如圖6所示?？梢钥闯?，最耗電的為CC3000?？偟暮碾娏繛?00mA，在2000 mAh鋰電源的工作環(huán)境下，能工作10小時(shí)。由于膠囊內窺鏡一般工作8小時(shí)左右，因此足夠膠囊內窺鏡的應用。

實(shí)驗結果表明，該轉發(fā)器能夠穩定轉發(fā)膠囊內窺鏡圖片，可作為膠囊內窺鏡遠程診斷的轉發(fā)裝置。轉發(fā)器有以下優(yōu)勢：

①體積小、功耗低。

②安裝相關(guān)軟件，任何帶有WiFi的安卓手機都可以用作膠囊內窺鏡數據采集和處理設備。

③可以使用手機實(shí)時(shí)監控膠囊內窺鏡圖像。

④可以直接通過(guò)WiFi將圖像傳輸到遠程服務(wù)器。

⑤預留其他外部接口，可以支持其他的傳感器。

結語(yǔ)

本文設計了基于STM32F103的WiFi轉發(fā)器，并用于膠囊內窺鏡的圖像轉發(fā);系統地分析了膠囊內窺鏡圖像數據的轉發(fā)、數據傳輸的原理和過(guò)程，在軟件設計方面，設計了基于A(yíng)ndroid智能手機的采集程序。通過(guò)系統測試，整個(gè)系統成功實(shí)現了對圖像的實(shí)時(shí)監測和數據接收。