（检测技术与自动化装置专业论文）基于TFTP协议的嵌入式远程数据传输系统的研究.pdf

摘要 摘要 信息化热潮是本世纪末的重要特征。随着信息化社会的进程，人们的生活和 生产方式正在发生巨大的变化，医疗保健的观念和方式也随之发生了根本性的变 革，其中远程医疗技术的发展和应用已成为一个引人注目的热点。远程医疗不仅 可以减少医护人员和病人及家属的路途奔波，还可使医疗资源得到充分的利用， 进而缩小由于地区、贫富、种族不同而形成的医疗条件的差别，减少医疗费用， 提高医疗效率和质量，特别是在急救方面，可以提供更及时和有效的救护，减少 死亡率和提高治疗的效率。 本文从现代医学发展的不平衡性和远程医疗的需求出发，论述了对人类心电 信号进行监测的现实意义，简明地阐述了现有监测系统的不足以及改进现有设备 的方法；应用嵌入式技术、网络协议技术、套接字和多线程技术，对心电信号数 据进行远程传输，研制远程数据传输系统。在比较了若干方案的利弊后，提出一 种通过嵌入式系统连接g p r s 移动通信平台，实现数据远程实时传输的应用方 案。课题具有前瞻性和现实意义，本文的研究内容为医院对患者做出及时、准确、 科学的决策和诊断提供了良好的数据基础。 本文选用客户端服务器的传输模式，在客户端选用t i 公司的1 6 位微处 理器m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 作为系统的主控制器，利用其高性能实现对心电数据的接收 与协议封装。应用p i m l 模块与主控制器连接实现客户端无线接入g p r s 网络， 从而实现患者心电数据无固定位置限制的高速传输。在客户端和服务器之间选用 t f t p 协议实现数据的传输是本文的特点。t f t p 可以完成简单的数据发送和接 收，不包含f t p 中许多繁杂的功能，因而可以降低开发难度，缩短开发周期， 有利于系统的产品化。 从软件实现的层面上讲：客户端程序采用c 语言在i a r 环境下进行编写调 试，服务器程序采用v c + + 语言在v c 6 0 环境下编写调试。经过对系统的测试表 明，本系统在传输数据时具有很好的准确率和很强的稳定性，连接入网时问较短， 可以很好的满足用户传输数据的要求，为整个远程实时心电监护系统的成功运行 奠定了良好的基础。 关键词：远程数据传输t f t p 协议m s p 4 3 0g p r s 网络 a b s t r a c t a b s t r a c t i n f o r m a t i z a t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf e a t u r e si nt h ee n do fl a s tc e n t u r y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o ns o c i e t y , g r e a tc h a n g e sh a v eo c c u r r e di np e o p l e s l i f e s t y l ea n dp r o d u c t i o nm o d e t h e r ea r ef u n d a m e n t a lr e f o r m si nt h ec o n c e p ta n d m o d eo ft h em e d i c a ls a n i t a r i a n t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h er e m o t e m e d i c a lt e c h n o l o g yh a sb e c o m eo n eo ft h e h o ts p o t s n o to n l yc a nt h er e m o t em e d i c a l t r e a t m e n tr e d u c et h et r o u b l ef o rd o c t o r sa n dp a t i e n t s ，b u ta l s oi tc a nm a k et h em e d i c a l r e s o u r c e sb ee f f i c i e n t l yu s e d ，r e d u c et h ed i f f e r e n c eo fm e d i c a lc o n d i t i o n sf o r t h ep o o r a n dt h er i c k , d i f f e r e n tr e g i o na n dd i f f e r e n tr a c e ，r e d u c em e d i c a lc o s t ，i m p r o v em e d i c a l e f f i c i e n c ya n dq u a l i t y , e s p e c i a l l ya tf i r s ta i d ，p r o v i d et h er e s c u em o r et i m e l ya n d e f f e c t i v e l y , d e c r e a s ed e a t hr a t e ，i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft r e a t m e n t b a s e do nt h ed e m a n do fr e m o t em e d i c a la n dt h ei m b a l a n c eo fm o d e r nm e d i c a l d e v e l o p m e n t ，t h i st h e s i se x p a t i a t e so nt h ed e f i c i e n c ya n dt h ei m p r o v e m e n tf o rt h e s y s t e m ， a n dd e v e l o p st h er e m o t et r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do nt h ee m b e d d e d t e c h n o l o g y , s o c k e t ，m u l t i t h r e a d i n ga n dn e t w o r kt e c h n o l o g y a na p p l i c a t i o ns c h e m e f o rr e m o t ea n dr e a l t i m eo ft h ed a t at r a n s f e r s u t i l i z i n g t h ee m b e d d e ds y s t e m c o n n e c t e dw i t ht h ew i r e l e s sg p r si s p r o p o s e d t h i sp r o s p e c t i v ep r o j e c th a sg r e a t r e a l i t ys i g n i f i c a n c ew h i c hp r o v i d e sr e l i a b l ed a t af o rt h ed o c t o r st om a k et i m e l y , c o r r e c ta n ds c i e n t i f i cd e c i s i o n s t h i st h e s i su s em s p 4 3 0a st h em a i nc o n t r o l l e rt or e c e i v ea n ds e n de c gd a t a b a s e do nc l i e n t - - s e r v e rt r a n s f e rm o d e t or e a l i z et h eh i 曲s p e e di n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o nw i t hn ol i m i t a t i o no nl o c a t i o n s ，w eu s ep i m lc o n n e c t i n gw i t ht h em a i n c o n t r o l l e rt oa c c e s st h eg p r sn e t w o r k t h ef i r s tc h a r a c t e ro ft h et h e s i si st h et f t p p r o t o c o l ，w h i c hi su s e dt ot r a n s f e rt h ed a t ab e t w e e nt h ec l i e n ta n dt h es e r v e r u s i n g t f t pp r o t o c o lc a nr e d u c et h ed e v e l o p m e n td i f f i c u l t ya n ds h o r t e nt h er e s e a r c hp e r i o d ， b e c a u s ei th a su s a b l ef u n c t i o n ss u c ha ss e n d i n ga n dr e c e i v i n gd a t a f o rt h er e a l i z a t i o no ft h es o f t w a r e ，i nt h ec l i e n t ，t h ep r o g r a ml a n g u a g ei sc u n d e ri a re n v i r o n m e n t i nt h es e r v e r t h ep r o g r a ml a n g u a g ei sv c + + w h o s e p r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n ti sv c 6 0 t h r o u 曲t h et e s ts h o w e dt h a tt h es y s t e mc a n w o r kv e r yf a s ta n dc o r r e c t ，i tc a np r o v i d eag o o df o u n d a t i o nf o rt h es u c c e s so p e r a t i o n o fd a t at r a n s f e r k e yw o r d s ：r e m o t ed a t at r a n s f e r ，t f t pp r o t o c o l ，m s p 4 3 0 ，g p r sn e t w o r k 1 1 i 一 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 蔓复王些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j e 宝王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：亏尹差么仝一日期：捌 第1 章绪论 1 1 课题背景介绍 第1 章绪论 现代社会，无论在发达国家还是在发展中国家，其医疗保健状况都存在地域 发展的不均衡性。城市的医疗条件相对于农村更丰富，中心区域的医疗条件则要 优于边远地区。这不光体现在医院规模和医疗设备的配置上，更主要的是表现在 医疗人员资源分布得不均衡性。世界卫生组织将“人人享有保健”作为目标，我 国政府也对实现这一目标做出了承诺。为了达到这一目标，我们所面临的主要问 题有：由地区差异、贫富差距、种族差异而造成的医疗不平等，医疗费用问题， 老龄化社会所带来的新的保健需求问题等。上述问题并非我国的特殊问题，而是 世界性( 包括发达国家在内) 的普遍问题。远程医疗为解决上述问题提供了可能 性。远程医疗不仅可以减少医护人员和病人及家属的路途奔波，还可使医疗资源 得到充分的利用，进而缩小由于地区、贫富、种族不同而形成的医疗条件的差别， 减少医疗费用，提高医疗效率和质量，特别是在急救方面，可以提供更及时和有 效的救护，减少死亡率和提高治疗的效率。正因为如此，近年来，远程医疗已在 世界范围内引起了普遍重视f l 】。 信息化热潮是本世纪末的重要特征。随着信息化社会的进程，人们的生活和 生产方式正在发生巨大的变化，医疗保健的观念和方式也随之发生了根本性的变 革，其中远程医疗技术的发展和应用已成为一个引人注目的热点，它所提供的服 务涉及医学的各个领域，如诊断、治疗、手术、监护、家庭医疗保健、医学信息 和图像的归档、传输与处理等等，正在形成跨世纪的医疗新模式【2 j 。 1 2 远程医疗 1 2 1 远程医疗的目的和意义 我国幅员辽阔，目前，在老少边穷地区缺医少药现象仍很严重。远程医疗的 北京工业大学工学硕士学位论文 主要目的是增加获得医疗服务和诊疗的可能，减少因地区差异、贫富差别、种族 差别等造成医疗水平的不平等，使患者以负担得起的价格获得高水平的医疗服 务。 在过去的数十年间，我国政府采取了大量措施用以解决医疗资源分配不均的 问题，其中远程医疗是最行之有效的办法，远程医疗的意义主要在于如下四个方 面： 使广大偏远地区的患者获得平等的就医机会，减少因地区差异和医疗资 源分配不均带来的影响； 远程医疗能提供及时的诊疗和救治，特别是在发生意外伤害时能缩短诊 治时间； 能对高发病人群，如老年人、残疾人和慢性病患者实行远程家庭监护， 提高了患者的生活独立性和生活质量； 远程监护可以在患者熟悉的环境中进行，减少了患者的心理压力，提高 了诊断的准确性，同时也有利于疾患的康复【l 】。 1 2 2 远程医疗的组成 在远程医疗中，医疗服务的提供者和被服务对象分别位于两地，因此，结构 上( 如图1 1 所示) 远程医疗可以分为三个部分。 医疗服务的提供者，即医疗服务源所在地，一般位于大城市的医疗中心， 具有丰富的医学资源和诊疗经验； 远程寻求医疗服务的需求方，可以是当地不具备足够医疗能力或条件的 医疗机构，也可以是家庭患者； 联系两者的通信网络及诊疗装置。其中网络的形式多种多样，从日常生 活使用的普通电话网、无线通信网到卫星通信【3 】。 第1 章绪论 服务提供者 服务需求方 图1 1 远程医疗的基本构架 f i g u r ei 一1b a s i cf r a m eo f t h et e l e m e d i c i n e 1 2 3 远程医疗应用在远程心电监护 随着人民生活条件的改善，心脏病的发病率不断增加，据统计，仅美国每年 有超过4 0 万人死于心律不齐，其中1 0 万人死于心肌梗塞。由于心脏病发病时具 有突发性和危险性的特点，因此，仅通过医院内常规心电图检查、发病入院后的 重症监护和冠心病监护是远不能满足心脏病人的监护要求的，必须发展面向家 庭、面向人民日常生活的监测技术。 常用的心电图远程监护系统为电话传输心电图类设备，系统一般由病人端心 电图监测设备、远程医疗监护中心和两者问的通信连接构成。病人端心电图监测 设备有以下三种：一是智能化心电图发射机，它只有一个心电电极大小，能实现 心电图连续长时间检测，并在异常心电图超过阈值时自动发射心电图。由于遥测 距离有限，因此，一般限于一栋大厦内使用。二是心电图短时记录仪，当检测到 异常心电或患者按下记录按钮时它能记录几十秒心电图，然后通过电话网送往医 疗中心。一般采用电话声耦合方式通信，适用于外出工作人员使用。三是智能化 心电监护设备，它采用无线电遥测方式实现心电图长时间实时监护。当检测的异 常心电图超过报警阈值或病人不适时均能自动将当时的心电图实时送往医疗中 心报警，此外还具有心电图长时问记录及自动传送功能。这种仪器智能化水平较 一3 一 北京工业大学工学硕士学位论文 高，非常适合心脏病患者在家中使用【1 1 。 心电图远程监护系统一般采用普通电话、i s d n 、计算机网络以及g s m 实现 病人端与监护中心间的数据通信。监护中心可根据监护人数和监护方式采用一台 p c 机或几台p c 机构成的局域网或高性能工作站，接收来自患者的心电图，并具 有数据归档、信号处理和病案管理等功能。远程监护中心可以设在诊所、医院、 急救中心，并要求能与专科医院互联实现远程会诊。 1 3 国内外远程医疗的研究应用现状 如前所述，远程医疗的研究与应用工作一般认为是从2 0 世纪6 0 年代开始的， 主要通过电话网和有线网络传送从文字到视频图像信息，供医生间交流信息，或 向专家进行病案咨询以辅助诊断1 4 1 。远程医疗在三十多年的发展中，运用了传真、 电话、无线电通信到静止图像和实时交互电视技术，以及虚拟现实和远程机器人 等一系列新的通信技术和电子学技术，并与医疗保健技术相结合，形成了许多新 的研究方向，其中相当一部分研究由政府资助【5 】。 1 3 1 国外的研究应用现状 开展远程医疗较早的是欧美各国，其中除了美国之外，欧盟在1 9 8 6 年设置 的研究基金a i m ( a d v a n c e di n f o r m a t i c si nm e d i c i n e ) 主要用于资助有关远程医疗 的项目。已经实施的有法国的流行病统计网、葡萄牙采用个人电脑开发的医院间 脑电图传输系统、西班牙的远程血压监测系统和危急报警系统等。英国的布法罗 大学等还成立了远程医疗系专门从事这方面研究。据1 9 9 6 年的统计数字，欧洲 已有1 7 国建立了远程医疗系统。与此同时，欧美的许多公司也纷纷将远程医疗 作为其发展领域，其中包括h p ，i b m ，i n t e l 等大公司，也不乏批中小公司介 入其中例。 其他国家目前也在争相投入人力物力丌发远程医疗系统，例如，澳大利亚因 其地广人稀而积极发展远程医疗，加拿大每年举办一次远程医疗的学术年会 ( t e l e h e a l t hi nc a n a d a ) ，俄罗斯与美国联手建立了为支持发展中国家医疗保健的 第1 章绪论 借助卫星的远程医疗计划( s a t e l l i f e ) ，以色列推出一系列远程心脏监测产品( 如 c a r dg u a r d ) ，拉丁美洲也和美国建立了远程医疗伙伴，通过一个称为 s t u d i o c l i n i c s 的远程医疗所将本地获取的检测信息发送至美国的医院以获得美 国专家的诊断意见。同时，日本、韩国、墨西哥、肯尼亚、纳米比亚也先后开展 了远程医疗的研究与应用，其中日本主要侧重于家庭健康检测管理和远程手术等 方面【9 】。 1 3 2 国内的研究应用现状 进入2 0 世纪9 0 年代后，我国大力发展了通信和信息联网的基础设施建设， 为发展远程医疗创造了条件。自9 0 年代中期开始，在“金卫工程”的带动下， 远程医疗的项目纷纷上马。我国较早开展的应用包括远程会渗和心脏监测两方 面。远程会诊首先在著名大医院与地区医院之间开通，此外还力图藉此对疑难病 症获取国际专家的辅助意见。目前已见诸报道的有上海华山、北京协和、北京医 院、3 0 1 医院、中日友好医院，以及深圳、广州、辽宁阜新等。会诊用的设备和 技术基本上由国外引进。为抢占这一市场，许多公司积极介入，其中包括惠普、 i b m 、四通、i n t e l 等。心脏监测则在技术引进的同时亦发展了国产体系，包括卡 迪欧公司开发的“护心神”系列产品、珠海中立电子公司开发的“院外心脏病集 群监护系统”、清华大学开发的“远程心电血压家庭监护系统”等等。 目前，远程医疗已覆盖临床医学的多数学科，尽管远程医疗已进入热潮阶段， 其所涉及的相关技术已日渐成熟，然而，远程医疗毕竟还是一个新兴的研究领域， 如何利用现有技术解决其所面临的种种问题并推广应用还有很多问题有待进一 步研究。 1 3 3 现有设备的不足之处 心电h o l t e r 只能对心电信号进行记录，没有任何分析功能，更不具备远 程传输能力，使用者在使用后，必须第二天回到医院，由专用设备读取、回放、 分析。 北京工业大学工学硕士学位论文 心电b p 机虽试图做到及时救治，但它必须要有患者参与，当患者在室外 时，还要在近处寻找电话。而对于一个发病的患者要完成这样一系列救护操作是 困难的，极有可能因操作而延误报警。特别遇到患者出现昏迷时，更因失去操作 能力而使整个监护工作失败。心脏b p 机另一更重要的问题是，由于采用人工操 作，它只能对患者可察觉到的心律失常进行报警，而无法对许多感觉不到的心脏 异常进行报警，造成漏报。因此，自动化和智能化程度较低的心脏b p 机对于心 脏功能监护还不是一种有效的工具。 心电实时监护系统虽然较好地解决了心电信号的实时监测问题，但它通 常不具备移动性，其应用范围和推广都受到很大限制。为了保证受试者所检测的 心电信号的准确性和科学性，远程心电监护系统要求用户在日常生活中保持一定 的活动。正因为如此，由于移动通信能为用户提供更大的活动范围、更为灵活的 通讯方式，基于移动通信技术的远程心电监护越来越受到人们的重视，并成为当 今远程心电监护系统的研究热点【l o l 。 1 4 本文研究内容 1 4 1 课题来源 本课题来自北京市自然科学基金资助项目远程实时心电监护系统关键 技术研究( 项目编号：4 0 5 2 0 1 0 ) 。本项目属于数字小区、数字家庭和医疗保健的 交叉领域。 幽1 2 远程实时心电监护系统示意图 第1 章绪论 f i g u r ei - 2r e m o t er e a l t i m ee c gm o n i t o r i n gs y s t e ms k e t c hm 印 远程实时心电监护系统可以监护患者的心电信号，当患者的心电信号出现病 态特征时，给出及时的报警信号。示意图如图l - 2 所示。 该系统能够实时采集被测试者的心电信号，并对采集到的心电信号压缩，将 压缩后的数据包通过g p r s 网络实时传输至医院，医院监控中心的计算机不断接 收测试者的心电数据并解压缩、消噪、r 波、p 波、t 波提取、病情诊断、显示 并保存【1 1 l 。 由于移动式远程心电监护系统是目前最新型的心电监护形式，为了提高系统 的监护质量，也为了提升系统的整体性能，对系统采集到的心电信号进行实时传 输势在必行。本文的主要研究目的就是实现移动心电监护系统的e c g 信号的实 时传输，这为医院对患者做出及时、准确、科学的决策和诊断提供了良好的数据 基础。 1 4 2 本文的组织结构 本文分为六个章节对具体内容进行介绍，分别是第一章、绪论，第二章、系 统整体性介绍，第三章、远程数据传输系统硬件平台的设计，第四章、网络协议 的选择，第五章、软件设计实现，第六章、调试与分析。每章的具体内容如下所 述： 第一章本章首先简要的介绍了远程医疗需求产生的原因和本课题的应用 背景，远程医疗的目的、意义和组成，远程医疗在国内外发展的 现状，而后给出了本课题来自北京市自然科学基金的支持，最后 介绍了本文每一章所涉及到的内容。 第二章本章对远程心电监护系统的整体性作了简要的介绍，对目前常用 的方案进行讨论与比对，最后阐述了所选方案的优势与特点。 第三章本章主要内容是硬件平台的实现，首先对系统的需求进行分析， 并由需求出发进行器件的选型，而后对所选择的t l 公司的 m s p 4 3 0 单片机以及德信无线公司研发的p i m l 一9 0 0 18 0 0 模块进 行了介绍，并将所设计的原理图附在本章。 一7 一 北京工业大学工学硕士学位论文 第四章本章是对网络协议的讨论。首先我们对通讯时的应用需求进行分 析，得出在应用层选用t f t p 协议的结论，并对其实现机制进行 讨论，最后对应用到的g p r s 网络进行了简要的介绍。 第五章本章是本论文的重点。首先我们在通讯过程中使用了s o c k e t 套接 字为客户机与服务器的进程间传送数据报，并在服务器端应用了 多线程的编程方式，详细叙述了对标准t f t p 通讯流程做出修改 的原因以及具体方法，最后给出了客户端和服务器端程序实现的 具体方式与流程。 第六章本章是全文的最后一章，主要讲述了对通信过程中的调试与分析。 首先介绍了一款优秀的网络协议分析软件_ e t h e r e a l ，然后分别 对客户端和服务器端的调试过程进行了介绍，最后对系统性能进 行了测试。 1 4 3 本文的主要内容 1 分析了远程心电监护系统传输部分硬件的需求，并由需求出发进行器件 的选型；设计并搭建了由m s p 4 3 0 单片机和p i m l 9 0 0 1 8 0 0 模块组成的硬件平台。 2 通过分析远程心电监护系统通讯中的应用需求，选择1 1 叮p 协议作为应 用层协议，并通过对t f t p 标准通信流程的修改，设计并实现了客户端和服务器 端的应用程序。 3 对远程数据传输系统性能进行了测试，测试结果表明数据传输速率和准 确率均符合要求。 1 5 本章内容小结 本章首先简要的介绍了远程医疗需求产生的原因和应用背景，远程医疗的目 的、意义和组成，远程医疗在国内外发展的现状，而后给出了本课题来自北京市 自然科学基金的支持，最后给出了本文每一章节的主要内容。 第2 章系统整体性介绍 第2 章系统整体性介绍 本章的主要内容是对系统的整体性进行介绍，对目前常用的嵌入式接入 i n t e r n e t 方案进行对比，并阐述所选方案的优势，最后对本文应用到的关键 技术进行罗列与介绍。 2 1 系统整体性介绍 我们的远程心电监护系统主要由两部分组成。第一部分是佩戴在患者身上的 心电监护检测装置，其功能是获取心电信号、压缩心电信号，并通过电信网与医 院服务中心实现远程通信。第二部分是医院服务中心，它主要是实现两个功能： 数据实时分析和数据管理。实时分析主要将网络传输过来的e c g 信号进行在线 的分析和诊断，以便及时为用户提供在线决策支持。数据管理主要实现数据库的 常规管理功能。其结构图大致如图2 1 所示。 惹蓍霍萼 数据打包无线网络医院接收分析诊断 块： 一囱一叁一固呻 图2 - 1 远程实时心电监护系统示意图 f i g u r e2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fr e a l t i m et e l e m e d i c i n ee c gm o n i t o r i n gs y s t e m 按照远程实时心电监护系统需要实现的功能，将该项目划分成以下七个模 采集模块 压缩模块 发送模块 接收模块 去噪声模块 一9 一 北京工业大学工学硕士学位论文 詈i n 皇曼量皇曼量曼量量置 处理突变干扰模块 各种参数检测模块 其中的采集模块、压缩模块使用d s p 处理器在硬件中实现；发送模块使用 单片机微处理器加无线网络模块在硬件中实现；接收模块、去噪声模块、处理突 变干扰模块以及各种参数检测模块使用p c 机软件实现。远程实时心电监护系统 功能模块示意图如图2 2 所示。 图2 - 2 远程实时心电监护系统模块图 f i g u r e2 - 2m o d u l ed i a g r a mo fr e a l t i m et e l e m e d i c i n ee c gm o n i t o r i n gs y s t e m 在远程实时心电监护系统中，首先由采集模块将患者的心电信号采集并转换 成数字信号，然后由压缩模块d s p 进行压缩，而后压缩好的心电数据会在单片机 内进行协议的封装，并通过无线网络模块发送到电信网、由医院监护中心的接收 模块接收并解压缩，存成文件保存。接下来由去噪声模块进行去噪处理、对去噪 处理后的信号进行突变干扰检测，最后对各种关键参数进行检测，在进行检测的 同时，在医院监护中心的计算机上实时显示所采集到的心电图，最后将病情分类 的结果存档储存。 本文所作的工作涉及发送和接收模块。发送模块用来将采集并压缩好的数据 通过无线网络发送至远程医院，而接收模块则是在医院服务器上运行的软件，接 收从客户端传来的数据并解压缩保存成文件，等待分析诊断程序的调用。 第2 章系统整体性介绍 本文提出了一种新型的基于无线g p r s 网络的远程实时心电监护系统。在系 统需求和特性分析的基础上，对远程数据传输模块的软、硬件分别进行了研究与 设计。现对本文所作的工作进行简要介绍： ( 1 ) 在客户端和服务器之间选用t f t p 实现数据的传输是本文的特点。t f t p 全称是简单文件传送协议，这个协议是专门为传送简单文件而设计的。t f t p 把 操作限制在简单的文件传输而不提供用户认证和授权等功能。 由于t f t p 协议只完成简单的数据发送和接收功能，并不包含f t p 中许多繁 杂的功能，因此t f t p 协议更能满足我们的需求，降低开发难度，缩短开发周期， 降低系统的复杂性，从而降低了系统出错误的风险性，进而有利于系统的产品化 以及推广。 ( 2 ) 在客户端我们选用了美国t i 公司设计研发的1 6 位处理器m s p 4 3 0 f 1 6 11 作为我们系统的主控制器，它具有超低功耗、强大的处理能力、高性能模拟技术 及丰富的片上外围模块、系统工作稳定和方便高效的开发环境的优点。 利用其丰富的片上资源构建高性能的心电数据传输平台，实现了外围各类接 口电路的设计。主要包括：串行通信接口电路、j t a g 在线调试电路和无线网络 模块电路等。实现心电数据的接收、协议封装与无线发送。 ( 3 ) 由于我们的系统是应用在移动状态下，根据这个需求我们决定在实现数 据传输时采用无线网络。g p r s 具有实时在线、按量计费、快捷登录、高速传输 的优点，所以我们采用g p r s 作为我们的无线网络接入，这样患者就可以在熟悉 的环境中进行远程监护，从而减少了患者的心理压力，提高了诊断的准确性，同 时也有利于疾患的康复。 我们选用的是德信无线公司推出的p i m l 一9 0 0 18 0 0 模块，它带g p r s 功能， 主要为语音传输、短消息和数掘业务提供无线接口，适合于开发一些g p r s 无线 应用产品。 ( 4 ) 为了更好的实现服务器的数据接收工作，我们应用了套接字技术和多线 程技术。套接字是网络通信端点的一种抽象概念，它为用户提供了一种发送和接 收数据的机制。s o c k e t 通常用来实现客户端和服务端的连接，是t c p i p 协议的 一个十分流行的编程界面。多线程是为了使得多个线程并行的工作以完成多项任 一1 】 一 北京工业大学工学硕士学位论文 务，以提高系统的效率。线程是在同一时间需要完成多项任务的时候被实现的。 ( 5 ) 在标准的通信流程中，由于p i m l 9 0 0 1 8 0 0 模块无法解析服务器的端口 号，所以无法进行数据的传输，因此我们对标准的册通信流程做出了修改。 我们采用了发送文件名来指定服务器新开t i d 端口的方法，解决了上述问题。 ( 6 ) 从软件实现的层面上讲：客户端程序我们采用c 语言编写，并在m s p 4 3 0 单片机配套的i a r 环境下进行编写调试；而服务器程序我们采用v c + + 语言编写， 在m i c r o s o f t 出品的v c 6 0 环境下编写并调试。 ( 7 ) 最后我们应用网络协议分析软件e t h e r e a l 对系统进行了测试。经过对系 统的测试表明，本系统在传输数据时具有很好的准确率和很强的稳定性，连接入 网时间较短，可以很好的满足用户传输数据的要求，为整个远程实时心电监护系 统的成功运行奠定了良好的基础。 2 2 嵌入式接入i n t e r n e t 方案对比 嵌入式网络通信是远程医疗的新兴应用领域，随着高位微处理器性能提高、 价格下降，更多的数字化设备具有更强的处理能力。就嵌入式i n t e r n e t 技术的 研究现状分析可知，实现嵌入式系统接入i n t e r n e t 主要有以下几种方案： 2 2 13 2 位高档m c u + 嵌入式实时操作系统 3 2 位m c u 有足够的资源来扩充利用，可以有足够大的r a m 和r o m 空间，来 存放整个t c p i p 协议簇，甚至可以嵌入一个带t c p i p 协议簇的操作系统。所以 3 2 位微处理器除了可以实现复杂仪器功能外，还能较容易的进行网络通信的 t c p i p 协议处理，因而能够方便的接入i n t e r n e t 。但其缺点也是很明显的，3 2 位微处理器开发难度大，丌发工具昂贵，并且大多用在高端产品，在成本较低的 嵌入式远程监护系统中目前用的还比较岁”】。 第2 章系统整体性介绍 2 2 2 低档8 位机组成的嵌入式终端+ 专用网关 本方案通过采用专用网络( r s 一2 3 2 ，r s - 4 8 5 ，c a nb u s 等) 把若干嵌入式终 端连接在一起，该网络再与p c 相连，由此建成p cg a t e w a y 专用网。此时把p c 作为网关，并由p c 把该网络上数据转换为t c p i p 协议数据包，发送到i n t e r n e t 上实现信息共享，这样就使嵌入式终端连到i n t e r n e t 。但这种方案要一台p c 机 或类似p c 机功能的设备作为网关，进行协议转换，即把其它协议的信息转换成 适合在i n t e r n e t 传输的i p 包，这使得方案的应用场合受到了限制，并且专门配 制一台p c 机成本也会很高【1 4 】。 2 2 31 6 位单片机+ 无线模块 本方案实现的过程是利用1 6 位单片机连接无线网络模块，实现数据的无线 收发。由于接口和网络协议比较复杂，占用的资源( r o m ，r a m ，c p u ) 比较多， 所以要求单片机要有足够快的运行速度，这样在m c u 执行数据接收和控制功能的 同时才能足够快的把数据打包，发送到i n t e r n e t 上。 虽然可行方案很多，但具体应用在我们远程实时心电监护系统当中，必须满 足低功耗、低成本，易开发、易扩展性的要求；再加上我们系统只需要简单数据 传输功能的需求，我们最终选择了1 6 位单片机连接无线模块的方案，这种方案 除了具有以上提到的优点外，还有开发难度适中、开发周期短、系统结构简单、 易于修改升级的优点。 2 3 本章小结 本章首先对远程心电监护系统的整体性作了详细的介绍，然后对目前常用的 嵌入式接入i n t e r n e t 方案进行讨论与比对，最后阐述了所选方案的优势与特 点。 一1 3 第3 章远程数据传输系统硬件平台的设计 第3 章远程数据传输系统硬件平台的设计 在嵌入式远程数据传输系统中，硬件的设计非常重要，因为硬件的设计结构 与选择直接影响到软件的设计。合理的硬件设计将提供充足的内部硬件资源和外 部扩充接口，有利于系统以后的扩展、升级。 硬件资源的选择需要考虑各种各样的因素，除了技术上的因素之外，成本和 货源的因素也很重要。一项设计要具有应用价值，要在实际应用中有可操作性， 其价格因素不可轻视，因而选择合适性价比的硬件便是权衡技术与价格后的重要 结果【2 l 】。 3 1 处理器的选型 为了保证系统的实用性和可扩展性，设计中采用了1 6 位微控制器作为整个 系统的核心。对于微控制器的选择，系统遵守了以下原则： 超低功耗：由于我们的远程数据传输系统是应用在移动场合，被监护人 要携带装置随意行走，所以要求系统的功耗一定要低，这就对处理器的低功耗要 求很耐2 2 1 。 u a r t 的数量：几乎所有的1 6 位芯片都支持1 个或2 个串口。由于我们 的系统需要将单片机与前项d s p 和后项g p r s 模块相连，所以需要至少有2 个 串行的u a r t 接口【2 3 】【2 4 】。 强大的开发工具：“工欲善其事，必先利其器”，一个功能强大的集成开 发环境可以提供方便且功能丰富的窗口界面，它可以使丌发和调试的效率大大提 高f 2 5 】。 根据以上的需求以及原则，本系统选用的美国t l 公司生产的m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 型单片机，其它的一切外围设计都是围绕这个芯片进行的。 北京工业大学工学硕士学位论文 3 2 远程数据传输系统硬件平台的设计 选定了处理器之后，其它的外围电路就可以按照系统设计要求和的标准外设 电路进行设计，基于芯片m s p 4 3 0 f 1 6 1l 的硬件系统设计原理如图3 1 所示。 i 詈塞li 皇望三：三ll 皇塑三：竺l l 电路ll 广- jl 广_ j 心电数据 lll无线发送 d s p m s p 4 3 0 i u a r t 。l p i m l f 1 6 11i h l9 0 0 1 8 0 0 时钟llj t a glis i m 卡 图3 - 1 系统硬件组成 f i g u r e3 - 1h a r d w a r es y s t e m 系统中各个模块的工作原理如下： 1 m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 单片机 m s p 4 3 0 单片机为系统中的主控芯片，完成整个系统调度、接收并封装数据、 控制g p r s 模块发送数据的任务。 具体流程为：m s p 4 3 0 单片机首先接收经采集压缩后的心电数据，将数据按 t f t p 协议封装，封装好后m s p 4 3 0 单片机会利用a t 指令调用p i m l 模块，通 过控制模块将t f t p 数据包发送至远程服务器上，p i m l 模块是基于2 5 代无线 通讯网络g p r s 网完成的数据传输。m s p 4 3 0 单片机和p i m l 模块是通过异步串 行通信接口u a r t 相连。 2 g p r s 模块p i m l 9 0 0 18 0 0 g p r s 模块p i m l 一9 0 0 18 0 0 是集成了t c p i p 协议栈的无线网络通信模块， 它接收m s p 4 3 0 单片机发送的a t 指令，将t f t p 数据包进行t c p i p 封装，并利 用g p r s 无线网络将数据包发送至远程数据库。 一1 6 一 第3 章远程数据传输系统硬件平台的设计 模块必须通过配备s i m 卡以获得一个接入无线网络的i d 。 3 3p i m l 9 0 0 18 0 0 模块 p i m l 9 0 0 1 8 0 0 是t e c h f a i t hw i r e l e s s 推出的无线模块，带g p r s 功能，主要 为语音传输、短消息和数据业务提供无线接口【2 7 1 。 3 4 系统总体电路图 以上各节分别对每个模块进行了具体的介绍，系统总体电路图如图3 2 所示。 3 5 本章小结 本章的主要内容是硬件平台介绍。本章首先阐述了处理器选型的原则，选定 美国t i 公司生产的m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 型单片机为主处理器，p i m l 模块为g p r s 模 块，并对芯片进行了简要介绍；之后根据系统需求设计了硬件平台，并给出了 m s p 4 3 0 单片机和p i m l 模块的系统电路图。 北京工业大学工学硕士学位论文 图3 2 系统整体电路幽 f i g u r e3 - 2t h ec i r c u i to fs y s t e m 一1 8 第4 章通信协议的选择 第4 章通讯协议的选择 本章的主要内容是对所用到的通信协议的介绍。我们会对系统中用到的应用 层协议t f t p 进行详细的阐述，之后对应用到的g p r s 网络进行简单的介绍。 4 1 应用层协议的选择 我们系统的要求是利用客户端向服务器发送数据，在t c p i p 协议的应用层 协议中，有f t p 和t f t p 两个协议可以满足我们的要求，最终我们选择了t f t p 协议作为我们的应用层协议，主要基于以下两点考虑： 系统需求相对简单 由于我们的系统只需要完成简单的数据发送和接收功能，并不需要其他更为 复杂的功能，因此选择t f t p 协议更能满足我们的需求，这样可以降低开发难度， 缩短开发周期，降低系统的复杂性，从而降低了系统出错误的风险性，进而有利 于系统的产品化以及推广【28 1 。 模块同时只有一个端口工作，所以无法应用f t p 协议 我们知道，f t p 协议需要有两个端口同时工作，2 l 端口是控制连接，用来 传送控制信息；2 0 端口是数据连接，专门用来传送数据。而我们的p i m l 模块 同时只支持一个端口工作，所以就无法应用f t p 协议。而t f t p 协议只需要有一 个端口就可以工作，所以在这点上也促使我们选择了t f t p 协谢2 9 1 。 4 2t f t p 协议 简单文件传送协议( t f t p ) 就是为传送简单文件而设计的。t f t p 把操作限 制在简单的文件传输而不提供用户认证和授权等功能。f 是因为这些功能上的限 制，t f t p 的软件要比f t pd , q t 多。t f t p 可以为用户读或写文件。读表示从服 务器端把文件复制到客户端。写表示从客户端把文件复制到服务器端1 3 0 】【3 l 】。 一1 9 北京工业大学工学硕士学位论文 4 2 1 报文 呷共有五种类型的报文，r r q 、w r q 、d a t a 、a c k 和e r r o r ，如图 4 1 所示。 4 2 1 1r r q 图4 1 报文的种类 f i g u r e4 1s o r to fm e s s a g e 读请求( r r q ) 报文由客户使用，用来建立一条从服务器读数据的连接。它 的格式如图4 2 所示。 l 竺箜竺! 三j苎竺墨 ：全! j塑茎l 竺竺j 2 字节 可变 1 字节 可变 l 字节 图4 2r r q 的格式 f