基于RFID的无线生理参数采集节点设计与实现

李祯，陈广飞，应俊，乔乔

中国人民解放军总医院　生物医学工程研究室，北京　100853

基于RFID的无线生理参数采集节点设计与实现

李祯，陈广飞，应俊，乔乔

中国人民解放军总医院生物医学工程研究室，北京100853

0　前言

随着电子信息技术的发展，计算机及互联网、移动通信技术，以前所未有的方式改变着人类的生活[1]。与此同时，我们不仅满足于人与人之间的通信，更希望能够在物品与物品之间、人与物品之间，甚至人与现实环境之间实现高效的信息交互，物联网应用而生。1999年美国麻省理工学院建立了自动识别中心，提出了网络无线射频识别系统，通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现了智能化识别管理[2]。射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，实现人们对各类物体或设备在不同状态下的自动识别和管理[3]，具有操作简便，存储数据量大，可适应恶劣条件等优点，同时具有读写认证以及加密机制，保障系统安全。

尽管经过多年的发展，物联网已经演变为基于RFI D的红外感应器、全球定位系统等多种信息传感设备，并按照约定的协议，将物品与互联网连接起来实现智能化管理的网络，但是RFI D作为物联网的重要载体，依然具有广阔的应用空间。

在临床生理参数采集工作中，护士通常将测量后的生理参数手动抄写下来、再录入到护士站系统中，或采用手动输入P D A后再将数据上传。对于一个30张床位的病区来说，完成1次对全体患者血压和脉搏地采集工作需要花费1名护士40min左右的时间，且每天重复多次。这不仅占用护理人员大量工作时间、增加运营成本，而且容易出现由于字迹模糊、抄写错误以及涂改污损造成对患者生理参数录入错误的现象。

本方案中的RFI D读写器可将患者的个人信息写入腕带，在每次采集生理参数之前先读取患者ID，待采集完毕将测量结果与ID绑定，通过Wi-Fi网络发送至护士站。Wi-Fi模块采用Marvell公司的88W8686芯片，支持802.11a/b/g模式，另外还可将本次测量结果以及日期等相关信息存储在腕带中，待下次测量前查看。本研究将生理参数采集工作与医疗物联网有效结合，在简化临床护理工作的同时也推进了医疗物联网的发展。

1　硬件系统组成

本方案采用P N532芯片作为RFI D主芯片，采集标签中存储的信息，并通过高速串口发送给处理器STM32；处理器再将标签信息整合，显示于LCD屏幕，并通过SPI转发给Wi-Fi模块再上传至院内无线网，并实现互联网接入。硬件系统组成，见图1。

图1　硬件系统组成

1.1微处理器

STM32系列是专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。按性能分成2个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。考虑到移植协议栈需要较大存储空间，本方案采用“增强型”STM32F103RE内核，它具有72MH z主频、512kBFlash以及64kBSRAM。

1.2RFID读写芯片与标签

PN532是一款高度集成的非接触式传输模块，工作频率在13.56MH z，内部包含1个80C51处理器，40KbROM，以及1KbRAM。它可以兼容多种工作在13.56MHz的非接触式通信协议，提供给物理层的调制解调模块，并支持I2C 、SPI、HSU等3种接口[4]。

PN532传输模块支持6种工作模式：读写器模式，支持ISO/IEC14443A/ MIFARE机制、FeliCa机制以及ISO/ IEC14443B机制；卡操作模式，支持ISO14443A/ MIFARE机制、FeliCa机制；点对点模式，支持ISO/IEC18092，ECM340。本研究选择MIFARE读写器模式；标签选择PHILIPS的MIFA REo neIC卡，工作频率为13.56MH z，自带8KbitEE PRO M存储空间。

1.388W8686芯片

8W8686芯片的物理层采用一个802.11a/b/g基带，可实现多种调制技术，如DSS S、OFDM、DBPSK、DQPSK、CCK和QAM等，并且可在2.4GHz和5GHz双频无线收发，兼容性强；MAC层定义了2种介质访问控制方式：基本访问机制和集中控制访问机制。本方案中采用基本访问机制中的载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）来实现无线工作站点和接入点之间的媒介共享。同时，该芯片还提供了电源管理和数据加密功能。以上所有的功能模块由其内部自带的ARM处理器来管理协调[5]。

1.4SD卡与SPIFlash芯片

若以点阵方式存储汉字以实现显示功能需要浪费大量存储空间。本方案采用S D卡存储GBK内码字库文件，上电后通过S D卡将字库文件拷贝至SPIFlash芯片—W25X16中，于是W25X16便可作为字库芯片供ARM来查找点阵信息。其原理，见图2。

图2　SD卡与Flash芯片接口

由于LCD占用管脚资源过多，这里采用SD卡与Flash芯片公用SPI1与ARM通信。其中SDCS与FCS两个外设的片选信号通过不同的管脚控制以实现复用。

2　系统软件设计

2.1字库加载

2.1.1FAT32文件系统

在SD卡中采用FAT32文件系统来管理文件，并通过该文件系统找到所需的字库文件。在SD卡中，FAT32文件系统主要包含MBR、DRB、FAT文件分配表和数据区。

其中MBR为主引导记录区，该区域位于SD卡的扇区0，存储SD卡分区表，其中包含了DBR的位置信息；DBR为操作系统引导记录区，包括每个簇的扇区数，每个扇区的字节数以及FAT表份数等重要信息；FAT文件分派表描述簇的分配状态，标明文件或目录的下一簇簇号；数据区分为根文件目录表和真正的用户数据，根文件目录表中记录用户文件的文件名、属性、创建和访问时间以及文件起始簇号等[6]。

通过以上描述可知，若要访问字库文件就要在该文件的目录项中找到文件的起始簇号，然后在F A T文件分配表中找到该簇的下一簇，依次读取簇便可将字库文件读取出来。FAT32文件系统在S D卡中存储结构，见图3。

图3　存储器分区结构图

2.1.2字库更新

将制作好的字库文件放入SD卡中，ARM初始化FAT32文件系统后，首先找到存放字库文件的文件夹，根据返回的簇号查找字体文件；然后将字体文件打开后读取第一扇区的512字节；最后通过SPI口将读取的512字节信息写入W25X 16中。循环读取写入的过程就完成了字库文件的复制，成功后返回0，并在屏幕输出Font Update Successed（字体更新成功）信息。

2.2PN532驱动

2.2.1硬件接口驱动

本方案中，控制器与RFI D读写芯片（下称PN532）通过串口通信，并通过PN532的IRQ管脚产生唤醒信号。具体连接方式，见图4。

图4　RFID与控制器硬件接口

这里采用8bit数据位、无校验，1bit停止位、波特率为115200，数据传输方式为LSB在前。当控制器向PN532发送了初始化指令且并没有检测到外部无线电场时，PN532将进入休眠模式。此时，若控制器也进入休眠模式且PN532又被外部无线电场激活，则需要通过P70_IRQ管脚产生的唤醒信号，通知控制器从休眠模式中被唤醒，并随后发送响应信息。

2.2.2PN532初始化

PN532在工作过程中存在6种不同的操作模式，在这些模式下，芯片完成的具体操作不同，所需要的功耗也不同，其内部的Firmware可以根据接收到的控制命令自动调整芯片的操作模式，以实现在不同功耗需求之间的调度。在芯片初始化过程中使用到的工作模式为低电压模式与正常模式。

当PN532上电或重启之后首先进入低电压模式。此时芯片在系统功能上处于软件掉电模式，功耗仅为20μA，且P70_IRQ端口不能产生中断信号。若要改变操作模式需要满足3个条件：首先要满足与控制器接口电压PVDD3V；其次，控制器需通过串口发送头部为“55550000000000FF”的唤醒指令，唤醒成功后，控制器需要发送指令“1401”使P N532进入正常模式。其具体工作流程[7]，见图5。

2.2.3命令收发

PN532通过HSU_RX端口接收控制器发送来的命令，通过HSU_TX端口确认以及响应并返回给控制器。正常的通信流程，见图6。

图5　PN532初始化流程

图6　命令交互顺序

控制器通过向P N532发送命令并接收返回信息来实现唤醒、扫描、标签认证、读写以及停止等一系列功能。这些命令与返回信息组成基本数据库帧在控制器与P N532之间传输。其数据帧结构[8]，见图7。

图7　数据帧结构

2.3工作流程

由于在本方案中P N532工作在MIFARE读写器模式，下面以一个完整的MIFARE读写流程来总结以上各项叙述。

（1）首先控制器发送以“55550000…”为开头的初始化指令将芯片初始化。

（2）等待初始化成功后，设置扫面模式，搜索当前环境中的RFID标签。在本方案中同一时间只扫描1个标签。

（3）扫描成功后，PN532返回标签ID，利用这个ID加上密钥组成认证指令，对标签进行身份验证。

（4）验证成功后， PN532与标签之间的连接便建立起来，就可通过发送读命令或写命令来实现对标签的读写。具体工作流程[9]，见图8。

3　结束语

经过试验测试，本系统可以迅速完成标签检测、读取以及显示等功能。同时与Wi-Fi模块相连接，可将标签内的信息发送至局域网乃至互联网。这使得物联网采集信息以及接入Internet变得更加方便。

图8　RFID通信流程

在医院内部物联网中，本方案结合体温、脉搏、血压等采集模块用于患者生理参数采集终端设备，能够自动完成日常的生理参数采集、记录、上传等工作，提高了护理人员的工作效率。另外，在家庭医疗系统中，RFI D技术已经成为未来开发的重点。为了应对人口老龄化，未来的医疗系统可能会采用家庭监视系统进行预防，如记录老人服药时间和次数，或监测老人是否摔倒，若出现危险情况可通过Wi-Fi模块或GSM/GPRS模块给老人的家属发送信息[10]。

RFID是物联网概念中的一个重要载体，而Wi-F i技术具有普及性、标准化程度高，以及便于安装、管理等一系列优点。这两种关键技术的融合，让医疗物联网与I n ter net的融合变得简单，能够更好地发挥其自身的巨大优势。

[参考文献]

[1] 孙传宁,张雪.物联网概念及关键技术综述[J].福建电脑,2010,(12):39-41.

[2] 孙其博,刘杰.物联网:概念、架构与关键技术研究综述[J].北京邮电大学学报,2010,33(3):1-9.

[3] 纪震.电子标签原理与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2006:1-15.

[4] NXP Semiconductors.PN532/C1Near field communication(NFC) controller[EB/OL].(2012-09-20)[2013-01-15].http://www.cn.nxp.com.

[5] MARVELL.88W8686Integrated MAC/Baseband/RF LowPower SoC[EB/OL].(2007-02-20)[2012-10-15].http://www.marvell.com.

[6] "SD卡中FAT文件格式快速入门"[EB/OL].(2012-04-22)[2013-05-09].http://blog.csdn.net/mjx91282041/article/details/8904705.

[7] NXP Semiconductors.PN532C106application note[EB/OL](2010-01-05)[2012-04-26].http://www.cn.nxp.com.

[8] NXP Semiconductors.PN532User Manual[EB/OL].(2007-11-15)[2010-02-15].http://www.cn.nxp.com.

[9] NXP Semiconductors.PN532User Manual[EB/OL].(2007-11-15)[2012-08-29].http://www.cn.nxp.com.

[10] 罗旋,卢锦.物联网在医疗领域中的应用[J].中国医疗设备, 2012,27(5):52-54.

作者邮箱：lizhen_301@163.com

[中图分类号]R319

[文献标志码]A

doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2014.02.010

[文章编号]1674-1633(2014)02-0040-04

收稿日期：2013-10-16修回日期：2013-11-23

基金项目：解放军医学院科技创新基金项目（2012FC-TSYS-4009）。

Design and Implementation of RFID-based Wireless Physiological Parameter Collection Node

LI Zhen, CHEN Guang-fei,YING Jun, QIAO Qiao
Research Roomof Biomedical Engineering, General Hospital of PLA, Beijing 100853, China

[摘要]目的设计一种低功耗物联网射频识别（RFI D）接入方案实现生理参数与医院信息系统（HIS）融合。方法采用低功耗ARM作为主控芯片、驱动P N532芯片作为RFI D读写芯片来读取标签数据，再通过查找S D卡中的汉字库，将患者的信息显示于L CD液晶屏上，最后通过Wi-F i模块将所有数据传至护士站 。结果经测试，本系统可准确采集腕带中的患者信息，并清晰显示于L CD屏幕上，数据经绑定后快速连接Wi-F i网络。结论本系统具有准确、快速、稳定以及低功耗等优点，非常适合应用于物联网传感器节点的设计方案中，具有广阔的发展空间。

[关键词]射频识别技术；物联网；红外感应器；Wi-F i网络

Abstract：ObjectiveTo realize integration between physiological parameters of patients and HIS by designing a RFID-based low-power solution accessing to TOI (Things of Internet).MethodsAfter reading the target information by low-power ARM(master chip) and drive PN532chip (RFID reader and writer chip), the patients information would be displayed on the LCD screen through searching Chinese font in SD. Then all data was uploaded to nurse station by Wi-Fi module.ResultsThe test result showed that this systemcan capture patients information accurately fromwristbands, and display it clearly on LCD screen. Then these bound data was quickly connected to Wi-Fi.ConclusionThis systemhas advantages of fast, accurate, stable and low-power which is very suitable for sensor node and will enjoy wide development space in the future.

Key words：radio frequency identif i cation technology; things of Internet; infrared sensors; Wi-Fi Internet