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GPRS在生理數據遠程傳輸中的應用研究
摘要：介紹一種通過GPRS技術傳輸生理數據的方法。采用網絡協議處理器芯片E5112實現TCP/IP協議，單片機檢測出人體的心率數據，同時通過串行口發出的命令字符串控制E5112，由E5112再控制GPRS數傳模塊G18，實現心率數據的發送。接收端采用撥號上網的計算機接收心率數據。這種方法費用少，傳輸穩定，且傳輸距離可達到GSM網絡能達到的區域。關鍵詞：GPRS 串行口心率 網絡協議處理 E5112 G18
引言
GPRS（General Packet Radio Service）是通用分組無線業務的簡稱，是一種以全球手機系統（GSM）為基礎的數據傳輸技術。GPRS和以往連續在頻道傳輸的方式（如GSM）不同，是以分包（packet）的形式來傳輸，信道是共享使用的，需要的時候才有數據包產生。用戶可以隨時進行數據傳輸，而不是每次都需要撥號上網。GPRS的數據傳輸速率可提升到56Kbps，甚至114Kbps。
隨著醫療事業的發展，遠程醫療（telemedicine）逐漸成為發展的方向。在很多情況下，都要求將現場采集的病人的各種生理參數傳到醫療或中心站。如將急求車上病人的數據傳輸到醫院，以及對一般非住院病人的病情監護（社區監護）等。由于GPRS技術的特點，使得它非常適合這一類應用。
本文中，將介紹一種基于GPRS技術的生理數據傳輸的方法。
1 方法
實驗中，采用GPRS數據模塊G18來完成通信的任務，所以傳輸的生理數據為心率。由于GPRS技術是一種基于TCP/IP協議的分包傳輸技術，所以數據在傳輸前必須進行TCP/IP協議的封裝處理。這個任務由協議處理芯片E5112完成。單片機測量心率數據，然后通過串行口，送至E5112進行TCP/IP協議的處理和封裝，再送至G18發送。
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由于心率數據采用TCP/IP協議進行分包傳輸，所以在接收端不需要再配置G18，只需一臺以某種方式聯入互聯網（必須具有公司的IP地址）的計算機即可。計算機中的系統軟件（Windows系統）具有TCP/IP協議處理功能，能提取出網絡傳輸的心率數據，在屏幕上顯示。系統框圖如圖1。
（1）G18
Motorola G18是摩托羅拉嵌入式三頻900/1800/1900MHz GSM/GPRS模塊。該模塊具有如下特點：①體積小（40mm×80.2mm×7.5mm）、質量軟（22g）；②天線插座（型號MMCX）支持直線或直角連接；③支持9針RS-232串行接口（3V CMOS電平）；④內含用戶識別卡（Subscriber Identity Module,SIM）讀卡器；⑤3.0～6.0V工作電壓；⑥支持語音、數據、傳真、短消息和WAP功能；⑦GPRS分組交換速率可達到57.6Kb/s；⑧待機電流7.2±0.5mA，使用時平均電流300mA;⑨支持CSD模式（AT命令集，包括GSM 07.07和GSM07.05）和GPRS模式（AT命令集，支持GSM07.60和07.07 7.5版）。
G19通過36針ZIF插座（或28針雙排針式插座）與外部連接。36針插座中包括模擬語音輸入/輸出和數字語音輸入/輸出接口，外部SIM卡讀卡器接口，以及RS-232串行通信 接口（3V CMOS邏輯電平）。由于本實驗只用到了數據傳輸功能，且模塊具有內置SIM卡讀卡器，所以所有接口中只用到了RS-232串行通信接口。該接口采用串行異步通信方式，能自動識別波特率（300bps、1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps）。在數據傳輸模式下，G18的初始化、功能控制以及數據的通信都通過RS-232串行異步通信接口進行，因此，該模塊與外部的硬件接口相對簡單，是標準的RS-232接口接法。
相比之下，該模塊使用的通信協議則較為復雜，模塊與外部所有的數據和控制信息都通過一套由字符組成的命令串（AT 命令集）來完成，而這些命令串就是通過RS-232串行異步通信接口進行傳遞的。命令串都以特定的字符（AT）開始；以特定的字符結束；中間部分根據命令的類型、長度不定，主要包括下列指令類型：模塊管理（模塊開、關機，狀態檢測等），語音通信 （撥號控制、通信狀態報告等），數據、傳真控制，短信息功能（短信息的撰寫、管理和收發）。
（2）網絡協議處理器E5112
E5112是上海精致科技有限公司研制的網絡協議處理器，是完成TCP/IP協議的專用芯片，支持TCP（傳輸控制協議）和UDP（用戶數據文報協議）協議，實現將嵌入式系統直接與Internet相連。E5112具有客戶機功能，可以主動請求TCP連接遠方服務器通信。E5112也具有服務器功能，可以監聽來自客戶機的TCP連接請求，建立TCP連接通信。因此，使用E5112的系統之間只要知道對方IP地址和端口號就可以通過Internet進行通信。
E5112一端通過RS-232接口與G18連接，另一端通過并口與上位機相連。E5112提供透明通道和非透明通道兩種工作模式。在透明通道模式下，E5112對
單片機發出的數據不進行處理直接將數據發送到G18，收到的數據也原封不動地傳遞給單片機。在這個模式下，短消息和語音功能可以由用戶自己通過AT命令來實現。在非透明通道模式下，單片機通過串口采用幀格式與E5112通信。
E5112幀格式以十六進制數7E開始，然后是類型、長度、數據三個字段，最后以十六進制數7E結束。類型字段表示本幀的類型。E5112共有輸入和輸出兩大類型。輸入幀有讀網關IP地址幀、設置服務器端口幀、設置ISP電話號碼和用戶名用戶密碼幀、設置SOCKET插口幀、發送TCP數據幀、發送UDP數據幀、讀源IP地址幀等共13種。輸出幀有物理層失敗幀、PPP協商失敗幀、PPP協商成功幀、SOCKET關閉幀、接收SOCKET數據幀、接收源IP地址幀等共16種。長度字符存有類型、長度、數據三個字段的長度（字節數）。數據字段只有當有數據發送和接收時才存在。類型、長度、數據三個字段中如含有十六進制數7E，則必須進行轉義處理。
由于E5112能進行TCP/IP協議和AT命令集的處理，所以編程者完全不需了解TCP/IP協議和AT命令集，只需向E5112發送符合 幀格式的字符串，或接收E5112發出的幀，即可實現GPRS數據通信。
（3）單片機、E5112、G18之間的連接
E5112的接口是5V邏輯，而G18是3V邏輯，兩者要連接起來使用必須要進行電平轉換G18的RS-232接口輸入針（TXD、DTR、RTS）具有5V的容限，最大可接收5.5V的電壓，所以E5112的這三個輸出腳可直接連接至G18相應引腳。G18的輸出最大值不能達到E5112的輸入容限，應進行電平轉換，我們采用漏極開路的驅動芯片74LVC07完成這一功能。圖2為某一路信號進行電平轉換的電路，74LVC07電源為3V，所以可以接收3V輸入；而輸出端經一上拉電阻連至5V，所以輸出被上拉至5V。
由于上位機只提供并口與上位機連接，所以在單片機與E5112之間插入一個串并轉換芯片16C550，進行串行和并行數據的轉換單片機、E5112之間的連接見圖3。
（4）心率采集
心率采集采用了從心電信號中提取的方法。采集得到的心電信號放大后，經心率檢測電路轉化與心電R波同步的脈沖，再由單片機計時測量其頻率，求倒數可得心率值。心率數據經單片機測量完成后，存儲在單片機的存儲器中，需要時經串行口發送，進行無線傳輸。
（5）單片機采用了AT89C51，單片機的軟件采用C語言編制。心率脈沖連接至0號外部中斷引腳（INT0），定時器0設為連續計時。每當INT0產生中斷，即將定時器0數值記錄下來，減去上次的記錄值，計算心率數值。
單片機串行口設為方式1，波特率為9600bps，1位停止位，無奇偶校驗。上電后，首先向E5112（通過16C550串并轉換）發送設置ISP電話號碼、用戶名及用戶密碼幀，其中ISP電話號碼必須為“*99#”，用戶名和用戶密碼可以任意設置，但不能為空。成功后，再向E5112發送撥號指令，等待應答幀，當接收到PPP協議成功幀，則撥號成功，否則需繼續撥號直至成功為止（撥號成功后，網絡連接就一直建立，有數據發送時即可即時發送，不需要撥號）。然后，向E5112發送SOCKET設置幀，設置本地、遠端的IP地址和端口，如成功，則點和點通信環境已建立，調用發送TCP數據幀和發送UDP數據幀就可以發送心率數據了，其中心率數據置于TCP和UDP數據幀的數據字段中。
（6）接收端編程
在接收端的計算機上，主要應用VB的一個Winsock控件來實現接收發送的生理參數。利用WinSock控件可以與遠程計算機建立連接，并通過UDP或者TCP協議進行數據交換。這兩種協議都可以用來創建客戶與服務器應用程序。
使用時，只需在接收窗體中插入一個Winsock控件，將Protocol屬性設定為使用的協議（TCP或UDP），設置遠程（單片機端）IP地址和端口，調用Bind方法，即可建立雙方的連接。當單片機端發送心率數據時，將觸發Winsock控件的DataArrival事件，在事件處理程序中讀取GetData屬性的內容，即可獲得遠端發來的心率數據。
端口的設置可以任意，但最好大于1000，以避開與常用的端口沖突。
（7）實驗過程
由于條件限制，接收端計算機上網方式選擇了有線電話撥號方式，以獲得公網IP。實驗時，首先接收端需撥號上網，獲得本地的IP地址，運行VB接收程序。然后，在單片機程序中設定遠端IP地址和端口，運行單片機C語言程序，檢測心率并發送。這時接收端計算機就能收到心率數據并顯示。
2 結果與討論
實驗中，傳送的心率數據都準確地無誤地到達了接收方，傳輸質量非常穩定，且傳輸距離可以達到GSM網絡能達到的地方。GPRS能實現“永遠在線”，所以一旦建立GPRS連接，就可以隨時發送數據，不需再撥號。由于心率數據傳輸的頻率和數據量不大，所以
耗費的GPRS通信費也是很少的。
利用GPRS技術傳輸生理數據，可以不用考慮建立無線網絡的巨額投資，費用只是GPRS模塊的一次性投資和傳輸時的GPRS通信費，且可隨時發送，使用非常方便；GSM網絡是一個非常成熟的網絡，具有完善的糾錯機制，因此傳輸的穩定性很好。由于GSM已經得到非常廣泛的應用，傳輸的距離由網絡的漫游功能而能達到全部的城市和絕大部分鄉村。可以預見，GPRS技術將在各類數據傳輸應用（包括生理數據傳輸）中得到越來越廣泛的應用。
由于條件限制，本實驗在接收端采取了撥號上網的方式，撥號上網，得到的都是動態IP地址，所以單片機程序每一次撥號后都要更改IP地址，重新編譯運行，在實際的系統中，接收端可租用固定的IP地址，單片機的程序就不需再修改。另外，采用專用網絡協議處理器芯片，可以降低開發難度，但增加了系統成本、體積和功耗，如能用軟件實現TCP/IP協議，或采用帶TCP/IP協議棧的單片機，則可解決這一矛盾。
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