GPRS在生理数据远程传输中的应用研究

GPRS在生理数据远程传输中的应用研究摘要：介绍一种通过GPRS技术传输生理数据的方法。采用网络协议处理器芯片E5112实现TCP/IP协议，单片机检测出人体的心率数据，同时通过串行口发出的命令字符串控制E5112，由E5112再控制GPRS数传模块G18，实现心率数据的发送。接收端采用拨号上网的计算机接收心率数据。这种方法费用少，传输稳定，且传输距离可达到GSM网络能达到的区域。关键词：GPRS串行口心率网络协议处理E5112G18引言GPRS（GeneralPacketRadioService）是通用分组无线业务的简称，是一种以全球手机系统（GSM）为基础的数据传输技术。GPRS和以往连续在频道传输的方式（如GSM）不同，是以分包（packet）的形式来传输，信道是共享使用的，需要的时候才有数据包产生。用户可以随时进行数据传输，而不是每次都需要拨号上网。GPRS的数据传输速率可提升到56Kbps，甚至114Kbps。随着医疗事业的发展，远程医疗（telemedicine）逐渐成为发展的方向。在很多情况下，都要求将现场采集的病人的各种生理参数传到医疗或中心站。如将急求车上病人的数据传输到医院，以及对一般非住院病人的病情监护（社区监护）等。由于GPRS技术的特点，使得它非常适合这一类应用。本文中，将介绍一种基于GPRS技术的生理数据传输的方法。1方法实验中，采用GPRS数据模块G18来完成通信的任务，所以传输的生理数据为心率。由于GPRS技术是一种基于TCP/IP协议的分包传输技术，所以数据在传输前必须进行TCP/IP协议的封装处理。这个任务由协议处理芯片E5112完成。单片机测量心率数据，然后通过串行口，送至E5112进行TCP/IP协议的处理和封装，再送至G18发送。由于心率数据采用TCP/IP协议进行分包传输，所以在接收端不需要再配置G18，只需一台以某种方式联入互联网（必须具有公司的IP地址）的计算机即可。计算机中的系统软件（Windows系统）具有TCP/IP协议处理功能，能提取出网络传输的心率数据，在屏幕上显示。系统框图如图1。（1）G18MotorolaG18是摩托罗拉嵌入式三频900/1800/1900MHzGSM/GPRS模块。该模块具有如下特点：①体积小（40mm×80.2mm×7.5mm）、质量软（22g）；②天线插座（型号MMCX）支持直线或直角连接；③支持9针RS-232串行接口（3VCMOS电平）；④内含用户识别卡（SubscriberIdentityModule,SIM）读卡器；⑤3.0～6.0V工作电压；⑥支持语音、数据、传真、短消息和WAP功能；⑦GPRS分组交换速率可达到57.6Kb/s；⑧待机电流7.2±0.5mA，使用时平均电流300mA;⑨支持CSD模式（AT命令集，包括GSM07.07和GSM07.05）和GPRS模式（AT命令集，支持GSM07.60和07.077.5版）。G19通过36针ZIF插座（或28针双排针式插座）与外部连接。36针插座中包括模拟语音输入/输出和数字语音输入/输出接口，外部SIM卡读卡器接口，以及RS-232串行通信接口（3VCMOS逻辑电平）。由于本实验只用到了数据传输功能，且模块具有内置SIM卡读卡器，所以所有接口中只用到了RS-232串行通信接口。该接口采用串行异步通信方式，能自动识别波特率（300bps、1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps）。在数据传输模式下，G18的初始化、功能控制以及数据的通信都通过RS-232串行异步通信接口进行，因此，该模块与外部的硬件接口相对简单，是标准的RS-232接口接法。相比之下，该模块使用的通信协议则较为复杂，模块与外部所有的数据和控制信息都通过一套由字符组成的命令串（AT命令集）来完成，而这些命令串就是通过RS-232串行异步通信接口进行传递的。命令串都以特定的字符（AT）开始；以特定的字符结束；中间部分根据命令的类型、长度不定，主要包括下列指令类型：模块管理（模块开、关机，状态检测等），语音通信（拨号控制、通信状态报告等），数据、传真控制，短信息功能（短信息的撰写、管理和收发）。（2）网络协议处理器E5112E5112是上海精致科技有限公司研制的网络协议处理器，是完成TCP/IP协议的专用芯片，支持TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据文报协议）协议，实现将嵌入式系统直接与Internet相连。E5112具有客户机功能，可以主动请求TCP连接远方服务器通信。E5112也具有服务器功能，可以监听来自客户机的TCP连接请求，建立TCP连接通信。因此，使用E5112的系统之间只要知道对方IP地址和端口号就可以通过Internet进行通信。E5112一端通过RS-232接口与G18连接，另一端通过并口与上位机相连。E5112提供透明通道和非透明通道两种工作模式。在透明通道模式下，E5112对单片机发出的数据不进行处理直接将数据发送到G18，收到的数据也原封不动地传递给单片机。在这个模式下，短消息和语音功能可以由用户自己通过AT命令来实现。在非透明通道模式下，单片机通过串口采用帧格式与E5112通信。E5112帧格式以十六进制数7E开始，然后是类型、长度、数据三个字段，最后以十六进制数7E结束。类型字段表示本帧的类型。E5112共有输入和输出两大类型。输入帧有读网关IP地址帧、设置服务器端口帧、设置ISP电话号码和用户名用户密码帧、设置SOCKET插口帧、发送TCP数据帧、发送UDP数据帧、读源IP地址帧等共13种。输出帧有物理层失败帧、PPP协商失败帧、PPP协商成功帧、SOCKET关闭帧、接收SOCKET数据帧、接收源IP地址帧等共16种。长度字符存有类型、长度、数据三个字段的长度（字节数）。数据字段只有当有数据发送和接收时才存在。类型、长度、数据三个字段中如含有十六进制数7E，则必须进行转义处理。由于E5112能进行TCP/IP协议和AT命令集的处理，所以编程者完全不需了解TCP/IP协议和AT命令集，只需向E5112发送符合帧格式的字符串，或接收E5112发出的帧，即可实现GPRS数据通信。（3）单片机、E5112、G18之间的连接E5112的接口是5V逻辑，而G18是3V逻辑，两者要连接起来使用必须要进行电平转换G18的RS-232接口输入针（TXD、DTR、RTS）具有5V的容限，最大可接收5.5V的电压，所以E5112的这三个输出脚可直接连接至G18相应引脚。G18的输出最大值不能达到E5112的输入容限，应进行电平转换，我们采用漏极开路的驱动芯片74LVC07完成这一功能。图2为某一路信号进行电平转换的电路，74LVC07电源为3V，所以可以接收3V输入；而输出端经一上拉电阻连至5V，所以输出被上拉至5V。由于上位机只提供并口与上位机连接，所以在单片机与E5112之间插入一个串并转换芯片16C550，进行串行和并行数据的转换单片机、E5112之间的连接见图3。（4）心率采集心率采集采用了从心电信号中提取的方法。采集得到的心电信号放大后，经心率检测电路转化与心电R波同步的脉冲，再由单片机计时测量其频率，求倒数可得心率值。心率数据经单片机测量完成后，存储在单片机的存储器中，需要时经串行口发送，进行无线传输。（5）单片机采用了AT89C51，单片机的软件采用C语言编制。心率脉冲连接至0号外部中断引脚（INT0），定时器0设为连续计时。每当INT0产生中断，即将定时器0数值记录下来，减去上次的记录值，计算心率数值。单片机串行口设为方式1，波特率为9600bps，1位停止位，无奇偶校验。上电后，首先向E5112（通过16C550串并转换）发送设置ISP电话号码、用户名及用户密码帧，其中ISP电话号码必须为“*99#”，用户名和用户密码可以任意设置，但不能为空。成功后，再向E5112发送拨号指令，等待应答帧，当接收到PPP协议成功帧，则拨号成功，否则需继续拨号直至成功为止（拨号成功后，网络连接就一直建立，有数据发送时即可即时发送，不需要拨号）。然后，向E5112发送SOCKET设置帧，设置本地、远端的IP地址和端口，如成功，则点和点通信环境已建立，调用发送TCP数据帧和发送UDP数据帧就可以发送心率数据了，其中心率数据置于TCP和UDP数据帧的数据字段中。（6）接收端编程在接收端的计算机上，主要应用VB的一个Winsock控件来实现接收发送的生理参数。利用WinSock控件可以与远程计算机建立连接，并通过UDP或者TCP协议进行数据交换。这两种协议都可以用来创建客户与服务器应用程序。使用时，只需在接收窗体中插入一个Winsock控件，将Protocol属性设定为使用的协议（TCP或UDP），设置远程（单片机端）IP地址和端口，调用Bind方法，即可建立双方的连接。当单片机端发送心率数据时，将触发Winsock控件的DataArrival事件，在事件处理程序中读取GetData属性的内容，即可获得远端发来的心率数据。端口的设置可以任意，但最好大于1000，以避开与常用的端口冲突。（7）实验过程由于条件限制，接收端计算机上网方式选择了有线电话拨号方式，以获得公网IP。实验时，首先接收端需拨号上网，获得本地的IP地址，运行VB接收程序。然后，在单片机程序中设定远端IP地址和端口，运行单片机C语言程序，检测心率并发送。这时接收端计算机就能收到心率数据并显示。2结果与讨论实验中，传送的心率数据都准确地无误地到达了接收方，传输质量非常稳定，且传输距离可以达到GSM网络能达到的地方。GPRS能实现“永远在线”，所以一旦建立GPRS连接，就可以随时发送数据，不需再拨号。由于心率数据传输的频率和数据量不大，所以耗费的GPRS通信费也是很少的。利用GPRS技术传输生理数据，可以不用考虑建立无线网络的巨额投资，费用只是GPRS模块的一次性投资和传输时的GPRS通信费，且可随时发送，使用非常方便；GSM网络是一个非常成熟的网络，具有完善的纠错机制，因此传输的稳定性很好。由于GSM已经得到非常广泛的应用，传输的距离由网络的漫游功能而能达到全部的城市和绝大部分乡村。可以预见，GPRS技术将在各类数据传输应用（包括生理数据传输）中得到越来越广泛的应用。由于条件限制，本实验在接收端采取了拨号上网的方式，拨号上网，得到的都是动态IP地址，所以单片机程序每一次拨号后都要更改IP地址，重新编译运行，在实际的系统中，接收端可租用固定的IP地址，单片机的程序就不需再修改。另外，采用专用网络协议处理器芯片，可以降低开发难度，但增加了系统成本、体积和功耗，如能用软件实现TCP/IP协议，或采用带TCP/IP协议栈的单片机，则可解决这一矛盾。薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿羁膂莈蚅袇膁蒀蒈螃膀膀蚃虿腿节蒆羈芈莄蚁袄芈蒆蒄螀芇膆蚀蚆袃莈蒃蚂袂蒁螈羀袁膀薁袆袁芃螆螂袀莅蕿蚈衿蒇莂羇羈膇薇袃羇艿莀蝿羆蒂薆螅羅膁蒈蚁羅芄蚄罿羄莆蒇袅羃蒈蚂螁羂膈蒅蚇肁芀蚁薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿羁膂莈蚅袇膁蒀蒈螃膀膀蚃虿腿节蒆羈芈莄蚁袄芈蒆蒄螀芇膆蚀蚆袃莈蒃蚂袂蒁螈羀袁膀薁袆袁芃螆螂袀莅蕿蚈衿蒇莂羇羈膇薇袃羇艿莀蝿羆蒂薆螅羅膁蒈蚁羅芄蚄罿羄莆蒇袅羃蒈蚂螁羂膈蒅蚇肁芀蚁薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇