摘要： 傳統(tǒng)的醫(yī)療電子設(shè)備并不具備無線功能，不能實(shí)現(xiàn)隨時隨地的醫(yī)療監(jiān)控。文中提出一個基于IPV6 的用于醫(yī)療電子無線網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，并基于國產(chǎn)CK610 CPU 和TI 公司的CC2520射頻芯片實(shí)現(xiàn)了基本無線通信，并在PC 上通過圖形界面顯示出醫(yī)療檢驗結(jié)果。
0 引言
醫(yī)療電子領(lǐng)域中，在嵌入式處理器方面，目前使用最廣泛和主流的象ARM.MIPS 都是國外廠商生產(chǎn)的CPU，而國內(nèi)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的CPU 卻很少被人注意。
此外，隨著無線技術(shù)的進(jìn)步和無線設(shè)備成本的降低，醫(yī)療電子無線化必將是未來發(fā)展的趨勢。目前已經(jīng)有一些企業(yè)和團(tuán)體在醫(yī)療電子無線化的方向上作出了研究和開發(fā)，但是目前的無線醫(yī)療電子使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基本都是基于IPV4 的，將更加先進(jìn)的IPV6 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用到無線醫(yī)療電子是未來發(fā)展必須面臨的問題。
本文主要為醫(yī)療電子設(shè)計了一個基于IPV6 的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，為實(shí)現(xiàn)該協(xié)議編寫了路由協(xié)議程序和射頻適配程序，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療電子的無線功能。
1 系統(tǒng)概述
主要系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示： 單個節(jié)點(diǎn)由CK610開發(fā)板與醫(yī)療電子板和CC2520 射頻芯片組成，控制器為普通節(jié)點(diǎn)與PC 相連接.Linux 用作CK610 的操作系統(tǒng)，CK610 通過操作FPGA IP 核模擬的SPI 來控制CC2520，CC2591 由CC2520 的管腳控制。
在整個醫(yī)療電子應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，可以有多個節(jié)點(diǎn)，但是只有一個控制器。所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送的終點(diǎn)是控制器，距離較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)可以通過其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來傳輸數(shù)據(jù)。
2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計
為了實(shí)現(xiàn)圖1 的系統(tǒng)架構(gòu)，需要為系統(tǒng)設(shè)計一個基于IPV6 的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
2. 1 路由算法設(shè)計
建立和維護(hù)無線網(wǎng)絡(luò)，必須要發(fā)送和處理三種形式的數(shù)據(jù)包，分別是路由請求包。路由廣播包和路由匯報包。
網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)都維護(hù)一個路由表，路由表的每項都是與本節(jié)點(diǎn)相鄰的節(jié)點(diǎn)。一個典型節(jié)點(diǎn)路由表內(nèi)容如表1所示。
每個節(jié)點(diǎn)會對路由表中的每項根據(jù)總鏈路代價進(jìn)行排序，總鏈路代價最小的對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)會被選為默認(rèn)路由，只要節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送或者轉(zhuǎn)發(fā)，都會將數(shù)據(jù)發(fā)往默認(rèn)路由。
總鏈路代價表示的是這條鏈路信道的質(zhì)量，該值越小越好，它是本地鏈路代價和前驅(qū)節(jié)點(diǎn)鏈路代價兩者之和。前驅(qū)節(jié)點(diǎn)鏈路代價是從本節(jié)點(diǎn)定期發(fā)送的路由廣播包中獲取的。如果前驅(qū)節(jié)點(diǎn)是控制器，那么前驅(qū)節(jié)點(diǎn)鏈路代價是0.本地鏈路代價指的是自身節(jié)點(diǎn)同前驅(qū)節(jié)點(diǎn)之間信道的鏈路代價，表示的是通信信道質(zhì)量，該值越小越好。為了計算本地鏈路代價，必須要維護(hù)長期發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)LT.長期發(fā)送數(shù)據(jù)包成功數(shù)LS.近期發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)ST 和近期發(fā)送數(shù)據(jù)包成功數(shù)SS 這四個數(shù)據(jù)。
ST 和SS 從零開始計數(shù)，節(jié)點(diǎn)每發(fā)送一次數(shù)據(jù)（ 包括重傳） ，近期發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)ST 就會加1，而近期發(fā)送數(shù)據(jù)包成功數(shù)SS 則是每成功發(fā)送一次數(shù)據(jù)就加1.這兩個值會在RTIMER 定時器到期之時更新完長期發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)LT 和長期發(fā)送數(shù)據(jù)包成功數(shù)LS 之后清零。長期發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)LT 和長期發(fā)送數(shù)據(jù)包成功數(shù)LS 在RTIMER 定時器到期之時更新，更新的規(guī)則是將當(dāng)前長期發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)LT 加上近期發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)ST 作為新的長期發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)LT，將長期發(fā)送數(shù)據(jù)包成功數(shù)LS加上近期發(fā)送數(shù)據(jù)包成功數(shù)SS 作為新的長期發(fā)送數(shù)據(jù)包成功數(shù)LS，如果此時長期發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)LT 大于0XF000，那么將長期發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)LT 和長期發(fā)送數(shù)據(jù)包成功數(shù)LS 右移一位。這樣做有兩個好處：
（ 1） 避免長期發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)LT 和長期發(fā)送數(shù)據(jù)包成功數(shù)LS 無限增大到無法存儲。
（ 2） 離當(dāng)前時間越遠(yuǎn)的統(tǒng)計值對計算鏈路代價的影響越小，符合自然規(guī)律。
本地鏈路代價的計算公式如下：
節(jié)點(diǎn)會在收到鄰居節(jié)點(diǎn)的路由廣播包和RTIMER定時器到期的時候更新路由表鏈路代價信息。
2. 2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的加入
當(dāng)節(jié)點(diǎn)1 要加入網(wǎng)絡(luò)中時首先要發(fā)送一個路由請求包，申請加入無線網(wǎng)絡(luò)。控制器接收到這個請求之后，向節(jié)點(diǎn)1 發(fā)送一個路由廣播包。節(jié)點(diǎn)1 接收到該路由廣播包之后，將網(wǎng)絡(luò)地址前綴加上自己的節(jié)點(diǎn)ID 組成自己的網(wǎng)絡(luò)地址，并且將控制器加入自己的路由表。此時節(jié)點(diǎn)1 的默認(rèn)路由是控制器。
同時，節(jié)點(diǎn)1 會立即啟動TTIMER 和RTIMER 兩個定時器，當(dāng)TTIMER 到期時，節(jié)點(diǎn)1 就會向控制器發(fā)送路由匯報包，控制器收到該包及時更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/span>
而控制器的RTIMER 到期之時，也會給節(jié)點(diǎn)1 發(fā)送路由廣播，節(jié)點(diǎn)1 立即更新路由表。
網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的過程中，有新的節(jié)點(diǎn)要加入這個網(wǎng)絡(luò)，且該節(jié)點(diǎn)能夠直接同控制器通信，此時的情況比第一個節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的情況復(fù)雜些。節(jié)點(diǎn)2 啟動時，首先發(fā)送一個路由請求包，控制器和節(jié)點(diǎn)1 接收到該包后會先后發(fā)送路由廣播包，節(jié)點(diǎn)2 收到這些包之后修改自己的網(wǎng)絡(luò)地址，并且將控制器和節(jié)點(diǎn)1 都加入自己的路由表中。當(dāng)RTIMER 定時器到期時，會發(fā)送路由匯報包給控制器，經(jīng)過一段時間穩(wěn)定之后，路由匯報包的內(nèi)容應(yīng)該包括節(jié)點(diǎn)1 和控制器。
之后節(jié)點(diǎn)1 的RTIMER 定時器到期，發(fā)送路由廣播包，控制器和節(jié)點(diǎn)2 都能收到，節(jié)點(diǎn)2 更新其路由表，節(jié)點(diǎn)2 的RTIMER 定時器到期也會發(fā)送路由廣播包，此時節(jié)點(diǎn)1 將節(jié)點(diǎn)2 加入自己的路由表。
如果新加入的節(jié)點(diǎn)無法直接同控制器通信，即節(jié)點(diǎn)1 已經(jīng)存在于網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)2 無法同控制器通信。節(jié)點(diǎn)2 啟動的時候也會發(fā)送路由請求包，這個包只有節(jié)點(diǎn)1 可以收到，于是節(jié)點(diǎn)1 給節(jié)點(diǎn)2 回復(fù)一個路由廣播包，節(jié)點(diǎn)2 和控制器都可以收到。節(jié)點(diǎn)2 收到這個包之后，會設(shè)置好自己的網(wǎng)絡(luò)地址，同時將節(jié)點(diǎn)1 加入自己的路由表中。此時節(jié)點(diǎn)2 的路由表只有節(jié)點(diǎn)1 這一項，因此節(jié)點(diǎn)2 的默認(rèn)路由是節(jié)點(diǎn)1.節(jié)點(diǎn)2 的TTIMER 定時器到期時會向默認(rèn)路由，即節(jié)點(diǎn)1 發(fā)送路由匯報包，節(jié)點(diǎn)1 收到路由匯報包之后將其轉(zhuǎn)發(fā)給控制器。節(jié)點(diǎn)1 的RTIMER 定時器到期，發(fā)送路由廣播包，節(jié)點(diǎn)2 更新其路由表。
節(jié)點(diǎn)2 的RTIMER 定時器到期之時發(fā)送路由廣播包，節(jié)點(diǎn)1 接收到該包之時更新路由表。
2. 3 網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)與更新
網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中，信道都是隨時變化的。為了使整個網(wǎng)絡(luò)工作正常，必須要及時更新網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。
網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和更新是通過每個節(jié)點(diǎn)的RTIMER 定時器實(shí)現(xiàn)的，每當(dāng)該定時器到期，節(jié)點(diǎn)都會廣播路由廣播包，所有接收到該廣播包的節(jié)點(diǎn)都會更新自己的路由表信息，這樣整個網(wǎng)絡(luò)的信道信息得到了更新。
3 軟件和硬件設(shè)計
3. 1 硬件結(jié)構(gòu)
圖1 中的硬件主要包括CK610 開發(fā)板.CC2591和
CK610 為杭州中天微系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的CPU，主要特性有： 八級流水線； 雙發(fā)射超標(biāo)量流水線技術(shù)，提升性能近50%; 非阻塞指令發(fā)射。投機(jī)執(zhí)行和按序退休； 返回地址預(yù)測（ 4 – entry returnstack） ; 哈佛結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)/指令Cache 和SPM，大小可配置； 數(shù)據(jù)Cache Write – back /Write – through 動態(tài)可配置； 內(nèi)部雙通用數(shù)據(jù)總線； AHB /AXI 總線接口，和可擴(kuò)展的協(xié)處理器接口。
CC2520 為TI 公司生產(chǎn)的一款低功耗射頻芯片，主要特性有： 發(fā)射功率可達(dá)到5dBm; 數(shù)據(jù)傳輸速率最大可達(dá)250kbps; 工作在2. 4GHz ISM 頻段；4 – 線SPI; 6 個可配置
CC2591 為TI 公司生產(chǎn)的一款高性能低成本前端，適用于如ZigBee 網(wǎng)絡(luò)等2. 4GHz 無線系統(tǒng)，可以改善RF 性能。
CC2520 與CC2591 結(jié)合使用可以使得輸出功率范圍擴(kuò)大到- 24dBm ~ 22dBm，接收靈敏度增加到- 90dBm，傳輸距離可達(dá)到幾百米甚至上千米。
3. 2 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)
為了實(shí)現(xiàn)在第3 節(jié)中定義的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，需要在Linux 之上編寫一個應(yīng)用程序，該程序需要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的規(guī)則。除此以外，還需要根據(jù)協(xié)議，選擇合適的路由，該程序稱為路由協(xié)議程序。此外，為了使IPV6 運(yùn)行在CC2520 射頻芯片上，移植了6LoWPAN協(xié)議到Linux 系統(tǒng)中，大大減小了包頭的字節(jié)，減少了能量消耗。
在用戶應(yīng)用程序中，當(dāng)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，Linux內(nèi)核會查找內(nèi)核路由表，找到下一跳的地址，然后將數(shù)據(jù)交給相應(yīng)的設(shè)備以發(fā)送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)所用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是CC2520 射頻芯片，但是Linux 并沒用為CC2520 開發(fā)對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動，因此可以虛擬一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備tun，將網(wǎng)絡(luò)層傳過來的數(shù)據(jù)都交給tun，讀取tun 接口便能夠得到要發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。射頻適配層得到該數(shù)據(jù)之后，經(jīng)過適配層6LoWPAN 協(xié)議的壓縮之后，然后再通過SPI 操作CC2520 芯片發(fā)送數(shù)據(jù)。對應(yīng)從底層來的數(shù)據(jù)，其處理過程跟上述方式類似。
3. 3 射頻適配程序的設(shè)計
當(dāng)內(nèi)核有數(shù)據(jù)要發(fā)送之時，要使用正確的方法驅(qū)動CC2520 芯片無線發(fā)送出去，負(fù)責(zé)這部分內(nèi)容的程序稱為射頻適配程序。
在實(shí)現(xiàn)過程中，使用CC2520 芯片作為無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)設(shè)備。在Linux 內(nèi)核中，并無CC2520 作為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動。為了實(shí)現(xiàn)使用CC2520 收發(fā)數(shù)據(jù)的功能，可以建立一個虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備tun.字符設(shè)備tun 是內(nèi)核空間和用戶空間的數(shù)據(jù)接口，內(nèi)核將數(shù)據(jù)包發(fā)送到虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，數(shù)據(jù)包會被保存到設(shè)備的隊列中，此時用戶空間可以通過打開字符設(shè)備tun 并調(diào)用read 函數(shù)讀取其中的數(shù)據(jù)，此時數(shù)據(jù)傳遞到了用戶空間，程序可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
同樣，用戶空間程序可以通過write 函數(shù)將收到的數(shù)據(jù)包交給內(nèi)核。這樣就可以在上層有數(shù)據(jù)來的時候先經(jīng)過6LoWPAN 的處理壓縮，再通過驅(qū)動CC2520發(fā)送數(shù)據(jù)，在CC2520 收到數(shù)據(jù)的時候，將數(shù)據(jù)經(jīng)過6LoWPAN 還原之后交給Linux 內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)無線收發(fā)數(shù)據(jù)包的功能。
4 系統(tǒng)測試
整個系統(tǒng)的工作流程為： 醫(yī)療板首先采集醫(yī)療檢驗結(jié)果，將其傳遞給CK610 開發(fā)板，開發(fā)板通過操作CC2520 進(jìn)行無線發(fā)送。而當(dāng)CC2520 接收到數(shù)據(jù)時，通過讀取CC2520 SO 管腳獲得收到的數(shù)據(jù)，通過UART 輸出給PC，PC 運(yùn)行C#編寫的圖形界面將檢驗結(jié)果顯示出來，如圖2 所示。
5 結(jié)束語
本文主要提出了一種基于國產(chǎn)CPU 的SOC 醫(yī)療電子無線網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議以及整個平臺的軟件架構(gòu)和射頻適配程序，并實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療電子板的點(diǎn)對點(diǎn)無線通信，實(shí)驗結(jié)果證明，系統(tǒng)運(yùn)行正常，達(dá)到預(yù)期效果。在后期工作中，將加入更多節(jié)點(diǎn)來驗證系統(tǒng)性能.