基于国产CPU的嵌入式医疗电子无线网络设计

基于国产CPU的嵌入式医疗电子无线网络 : 1009 , 2552( 2012) 10 , 0153 , 04: TN915, 04: A文章编号中图分类号文献标识码 CPU基于国产的嵌入式医疗电子无线网络设计 ，，，裴家俊张辉刘芸戎蒙恬 ( )，200240上海交通大学电子工程系上海 : ，。摘 要传统的医疗电子设备并不具备无线功能不能实现随时随地的医疗监控文中提出一 P6 ，CK610 CPU T CC2520IVI个基于 的用于医疗电子无线网络的路由并基于国产 和 公司的 ，PC 。射频芯片实现了基本无线通信并在 上通过图形界面显示出医疗检验结果 CK610;: ;关键词医疗电子无线网络 Wieless netwok design of embedded medical rr electronics based on domestic CPU P Jaun，ZG u， Yun，RONG engtanEIi-jHANHiLIUM-i ( Depamen of Eeconc EngneengShangha Jaoong UnvesyShangha 200240Chna) rttltriiri，iitirit，i，iAbstract: The traditional medical electronic equipment does not have wireless capabilities，and medical montorng can not be acheved anywhere，anytme, Ths paper presents an PV6 routng protocos used iiiiiIilin medical electronics wireless network，and a basic wireless communication is achieved based on domestic CK610 CPU and TIs CC2520 RF chip，and medical test results are presented through the ’ graphical interface on the PC, ey wods: medca eectroncs; C610; wreess networ KrilliKilk CC2520 ，开发板与医疗电子板和 射频芯片组成控 0引言PC Lnux CK610 。i制器为普通节点与 相连接用作 的 ，，医疗电子领域中在嵌入式处理器方面目前使 ，CK610 FPGA IP SPI 操作系统通过操作 核模拟的 来 ARM、MIPS 用最广泛和主流的象 都是国外厂商生CC2520，CC2591 CC2520 。控制 由 的管脚控制 CPU，CPU 产的 而国内的具有自主知识产权的 却很 ，在整个医疗电子应用的网络系统中可以有多 。少被人注意 ，。个节点但是只有一个控制器所有节点数据发送 ，此外随着无线技术的进步和无线设备成本的 ，的终点是控制器距离较远的节点可以通过其他节 ，。降低医疗电子无线化必将是未来发展的趋势目 。点转发来传输数据 前已经有一些企业和团体在医疗电子无线化的方向 ，上作出了研究和开发但是目前的无线医疗电子使 2网络协议设计 1 ，为了实现图 的系统需要为系统设计一 P4 ，IV用的网络协议基本都是基于 的将更加先进的 PV6 I。个基于 的网络协议 PV6 I网络运用到无线医疗电子是未来发展必须面 。临的问 2, 1路由算法设计 ，建立和维护无线网络必须要发送和处理三种 IPV6 本文主要为医疗电子设计了一个基于 的 ，网络协议为实现该协议编写了路由协议程序和射 ，、形式的数据包分别是路由请求包路由广播包和路,1,。，。由汇报包 频适配程序实现了医疗电子的无线功能 1系统概述 : 2012 , 06 , 13收稿日期: CK6101 主要系统架构如图 所示单个节点由 : ( 1988 ,) ，，，作者简介裴家俊男硕士研究生研究方向为无线传感 。 器网络 图 1 系统结构 ，1。网络中的每个节点都维护一个路由表路由表节点路由表内容如表 所示,2, 。的每项都是与本节点相邻的节 点一 个 典 型 表 1典型的节点路由表 长期发送数长期发送数近期发送数近期发送数前驱节点链路 ( ID)总链路代价 C下一跳节点LTLSSTSSP据包总数 据包成功数 据包总数 据包成功数 代价 3, 20, 08201000988605810 4 20, 66 1062 1024 61 57 10, 29 LS，每个节点会对路由表中的每项根据总链路代价如果此时长期发送数据包总数数据包成功数 ，LT 0XF000，LT 进行排序总链路代价最小的对应的节点会被选为 大于 那么将长期发送数据包总数 和 ，，LS 。默认路由只要节点有数据要发送或者转发都会将 长期发送数据包成功数 右移一位这样做有两 ,3,:个好处 。数据发往默认路由 ( 1) LT 避免长期发送数据包总数 和长期发送 ，总链路代价表示的是这条链路信道的质量该 LS 。数据包成功数 无限增大到无法存储 ，值越小越好它是本地链路代价和前驱节点链路代 ( 2) 离当前时间越远的统计值对计算链路代价 。价两者之和前驱节点链路代价是从本节点定期发 ，。的影响越小符合自然规律 。送的路由广播包中获取的如果前驱节点是控制 :本地链路代价的计算公式如下，0。器那么前驱节点链路代价是 本地链路代价指 ，的是自身节点同前驱节点之间信道的链路代价表 LT C = 10 ×，。示的是通信信道质量该值越小越好为了计算本 LS ，LT、 地链路代价必须要维护长期发送数据包总数 RTIM-节点会在收到邻居节点的路由广播包和 ER 。SL、定时器到期的时候更新路由表链路代价信息 长期发送数据包成功数 近期发送数据包总数 2, 2 网络节点的加入 ST SS 。和近期发送数据包成功数 这四个数据 1 当节点 要加入网络中时首先要发送一个路由 ST SS ，和 从零开始计数节点每发送一次数据 ，。请求包申请加入无线网络控制器接收到这个请 ( ) ，ST 1，包括重传近期发送数据包总数 就会加 而 ，1 。1 求之后向节点 发送一个路由广播包节点 接 SS 近期发送数据包成功数 则是每成功发送一次数 ，收到该路由广播包之后将网络地址前缀加上自己 1RTMER 。I据就加 这两个值会在 定时器到期之时 ID ，的节点 组成自己的网络地址并且将控制器加入 LT 更新完长期发送数据包总数 和长期发送数据包 LS 。LT 成功数 之后清零长期发送数据包总数 和 。1 。自己的路由表此时节点 的默认路由是控制器 LS RTIMER 长期发送数据包成功数 在 定时器到期 ，1 TTIMER RTIMER 同时节点 会立即启动 和 两个，之时更新更新的规则是将当前长期发送数据包总 ，TTMER ，1 I定时器当 到期时节点 就会向控制器发 ，。网络运行的过程中有新的节点要加入这个网和可扩展的协处理器接口 ，，络且该节点能够直接同控制器通信此时的情况比 CC2520 TI 为 公司生产的一款低功耗射频芯 。2 ，: 5dBm; 第一个节点加入网络的情况复杂些节点 启动 片主要特性有发射功率可达到 数据传输 ，，1 250kbps; 2, 4GHz ISM ;时首先发送一个路由请求包控制器和节点 接收 速率最大可达 工作在 频段 ，2 4 , SP; 6 GPOII。到该包后会先后发送路由广播包节点 收到这些 线 个可配置 ，包之后修改自己的网络地址并且将控制器和节点 CC2591 T I为 公司生产的一款高性能低成本前 1 。RTIMER 都加入自己的路由表中当 定时器到期 ，ZigBee 2, 4GHz ，端适用于如 网络等 无线系统可以 ，，时会发送路由汇报包给控制器经过一段时间稳定 RF 。改善 性能 ，1 。 之后路由汇报包的内容应该包括节点 和控制器CC2520 CC2591 与 结合使用可以使得输出功 RTIMER ，1 之后节点 的 定时器到期发送路由广播 ,2 4dBm :2 2dBm，率范围扩大到 接收灵敏度增加 ，2 ，2 包控制器和节点 都能收到节点 更新其路由 , 90dBm，。到 传输距离可达到几百米甚至上千米 ，2 RTIMER 表节点 的 定时器到期也会发送路由广 ，1 2 。播包此时节点 将节点 加入自己的路由表 , 23网络系统架构，如果新加入的节点无法直接同控制器通信即 3 ，为了实现在第 节中定义的网络协议需要在 1 ，2 节点 已经存在于网络中节点 无法同控制器通 Lnux ，i之上编写一个应用程序该程序需要实现网络 。2 ，信节点 启动的时候也会发送路由请求包这个 。，，协议中的规则除此以外还需要根据协议选择合 1 ，1 2 包只有节点 可以收到于是节点 给节点 回复 ，。，适的路由该程序称为路由协议程序此外为了使 ，2 。一个路由广播包节点 和控制器都可以收到节 IPV6 CC2520 ，6LoWPAN 运行在 射频芯片上移植了 2 ，，点 收到这个包之后会设置好自己的网络地址同 inux ，，L协议到 系统中大大减小了包头的字节减少 1 。2 时将节点 加入自己的路由表中此时节点 的路 。了能量消耗 1 ，2 由表只有节点 这一项因此节点 的默认路由是 ，，Lnux i在用户应用程序中当有数据要发送时1。TTIMER 2 节点 节点 的 定时器到期时会向默认 ，，内核会查找内核路由表找到下一跳的地址然后将 ，1 ，1 路由即节点 发送路由汇报包节点 收到路由汇 。数据交给相应的设备以发送数据系统所用的网络 T 。1 RIMER报包之后将其转发给控制器节点 的 定 CC2520 ，Linux 设备是 射 频 芯 片但 是 并 没 用 为 ，，2 。 时器到期发送路由广播包节点 更新其路由表CC2520 ，开发对应的网络驱动因此可以虚拟一个网 RTIMER 2 节点 的 定时器到期之时发送路由广播 tun，tun，络设备 将网络层传过来的数据都交给 读取 ，1 。包节点 接收到该包之时更新路由表 tun 。接口便能够得到要发送的网络数据射频适配 ，6LoWPAN 层得到该数据之后经过适配层 协议的 ，SPI CC2520 压缩之后然后再通过 操作 芯片发送数 ,4,。，据对应从底层来的数据其处理过程跟上述方 2, 3网络的维护与更新。式类似 ，。网络运行过程中信道都是随时变化的为了 ，。 使整个网络工作正常必须要及时更新网络参数 RTIMER 网络的维护和更新是通过每个节点的 定时 , 33射频适配程序的设计，，器实现的每当该定时器到期节点都会广播路由广 ，当内核有数据要发送之时要使用正确的方法 ，播包所有接收到该广播包的节点都会更新自己的 CC2520 ，驱动 芯片无线发送出去负责这部分内容 ，。路由表信息这样整个网络的信道信息得到了更新 。的程序称为射频适配程序 3 软件和硬件设计，CC2520 在实现过程中使用 芯片作为无线网 。inux ，CC2520 L络收发设备在 内核中并无 作为网 3, 1硬件结构。CC2520 络设备的驱动为了实现使用 收发数据的 1 CK610 、CC2591图 中的硬件主要包括 开发板 ，tun。功能可以建立一个虚拟网络设备 字符设备 CC2520。和 tun ，是内核空间和用户空间的数据接口内核将数 CK610 为杭州中天微系统有 限 公 司 生 产 的 ，据包发送到虚拟网络设备上数据包会被保存到设 CPU，: ; 主要特性有八级流水线双发射超标量流水 ，50% ; 、线技术提升性能近 非阻塞指令发射投机执 ，备的队列中此时用户空间可以通过打开字符设备 tun read ，并调用 函数读取其中的数据此时数据传 ; ( 4,en try return行和 按 序 退 休返 回 地 址 预 测 ，。stack) ; / Cache SPM，递到了用户空间程序可以对这些数据进行处理哈佛结构数据 指令 和 大小可 ; Cache rte ,b ack / rte ,t hrough WiWi配置数据 动态 write ，函数将收到的数同样用户空间程序可以通过 ; ; AHB / AXI ，可配置内部双通用数据总线总线接口 。据包交给内核这样就可以在上层有数据来的时候 6LoWPAN ，CC2520先经过 的处理压缩再通过驱动 5结束语，CC2520 ，发送数据在 收到数据的时候将数据经过 CPU SOC 本文主要提出了一种基于国产 的 医 6LoWPAN Linux ，还原之后交给 内核实现无线收发 疗电子无线网络的路由协议以及整个平台的软件架 。数据包的功能 ，构和射频适配程序并实现了医疗电子板的点对点 ，，，无线通信实验结果证明系统运行正常达到预期 4系统测试。，效果在后期工作中将加入更多节点来验证系统 : 整个系统的工作流程为医疗板首先采集医疗 。性能 ，CK610 ，检验结果将其传递给 开发板开发板通过 :参 考 文 献 CC2520 。CC2520 操作 进行无线发送而当 接收到 ,1,Stephen Dawson-Haggerty, Design，Implementation，and Evaluation ，CC2520 SO 数据时通过读取 管脚获得收到的数 of an Embedded Pv6 Stack,D,, UC Berkeey，2010, Il ，UART PC，PC C # 据通过 输出给 运行 编写的图形 ,2, Stephen Dawson-Haggerty, Hydro: A Hybrid Routing Protocol for ，2 。Low-Power and Lossy Networks,C,, Smart G rid Communications 界面将检验结果显示出来如图 所示 ( SmartGrdComm ) ，2010 Frst nternatona Conference，iiIEEE Iil 2010: 268 , 273, ,3, Blip Tutora ,EB / OL,, ( 2011 ,3 ,25 ) ,h ttp: / d/ocs, tnyos, ili net / tnywk / ndex, php / BLPTutora, iiiiI_il ,4, Zach Shelby，Carsten Bormann, 6LoWPAN: The Wireless Embed- ded Internet,M,, Wiley，2010, : 责任编辑肖滨 图 2 医疗电子检验结果 櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀 ( 152 )上接第 页 。信息部门也逐步从最初单纯的广泛的重视和认同。要监控并持续完善流程这也是应用系统建设业务 IT 、系统开发运行维护等技术定位转向以业务需求 、。、导向需求牵引的具体表现业务流程初步梳理优 ，，为核心以支持业务能力提升为目标力争作为业务 ，，化系统开发配置时流程的设计与调整其对应软件 ，单位的合作伙伴成为企业管理变革的发起者和推 、、; 工程的内容即业务需求调研分析设计与优化而 。、，动者要实现这一点就必须加强信息化战略管理，，需求是系统建设的基石需求把握不准整个系统就 、、、信息化规划管理信息化项目管理业务需求管理。，可能偏离方向而彻底失败在有些企业为强化对 ，IT 、业务需求的管理信息部门已经把工作重心转向流 服务管理以及信息化安全技术管理等信息 ，化管理职能逐渐成为实现业务发展的战略支撑 ，、程的分析与设计而把系统开发运行维护等技术性 。力量 。工作外包给外部的专业厂商 ，基于流程的信息化建设能使信息部门准确把 ，企业流程管理与信息化是一个有机整体相互 ，，，握实际需求理解业务全貌针对实际问题有的放 。，，不能割裂究其所以流程是基础信息化是战略手 ，，。矢切实解决瓶颈问题提高信息化投资效益 ，，段优化企业管理是目的企业管理必须和信息化有 ，IT ，机融合构建管理加 的精细化管理模型才能打 ，、造出数字化企业的特有竞争能力保障企业持续健 3 结束语 。康发展 ，随着社会全面进入信息时代信息化的重要性 :参 考 文 献 ，和战略地位日益凸现信息化和工业化融合也已成,1, , Z,, : AMT ,,王玉荣流程管理北京管理咨询研究院 。为我国的国家发展战略因其对业务影响的全领 ,2, , M,, : ,,秦杨勇平衡计分卡与流程管理北京中国经济出版社 、，域多角度和深入性信息化管理已逐渐分离并发展 : 责任编辑刘新影 ，成为企业一项新的重要管理职能并日益上升为企