GPRS在生理数据远程传输中的应用研究

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 摘要：介绍一种通过GPRS技术传输生理数据的方法。采用网络协议处理器芯片E5112实现TCP/IP协议，单片机检测出人体的心率数据，同时通过串行口发出的命令字符串控制E5112，由E5112再控制GPRS数传模块G18，实现心率数据的发送。接收端采用拨号上网的计算机接收心率数据。这种方法费用少，传输稳定，且传输距离可达到GSM网络能达到的区域。

    关键词：GPRS 串行口心率 网络协议处理 E5112 G18

引言

GPRS（General Packet Radio Service）是通用分组无线业务的简称，是一种以全球手机系统（GSM）为基础的数据传输技术。GPRS和以往连续在频道传输的方式（如GSM）不同，是以分包（packet）的形式来传输，信道是共享使用的，需要的时候才有数据包产生。用户可以随时进行数据传输，而不是每次都需要拨号上网。GPRS的数据传输速率可提升到56Kbps，甚至114Kbps。

随着医疗事业的发展，远程医疗（telemedicine）逐渐成为发展的方向。在很多情况下，都要求将现场采集的病人的各种生理参数传到医疗或中心站。如将急求车上病人的数据传输到医院，以及对一般非住院病人的病情监护（社区监护）等。由于GPRS技术的特点，使得它非常适合这一类应用。

本文中，将介绍一种基于GPRS技术的生理数据传输的方法。

1 方法

实验中，采用GPRS数据模块G18来完成通信的任务，所以传输的生理数据为心率。由于GPRS技术是一种基于TCP/IP协议的分包传输技术，所以数据在传输前必须进行TCP/IP协议的封装处理。这个任务由协议处理芯片E5112完成。单片机测量心率数据，然后通过串行口，送至E5112进行TCP/IP协议的处理和封装，再送至G18发送。
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    由于心率数据采用TCP/IP协议进行分包传输，所以在接收端不需要再配置G18，只需一台以某种方式联入互联网（必须具有公司的IP地址）的计算机即可。计算机中的系统软件（Windows系统）具有TCP/IP协议处理功能，能提取出网络传输的心率数据，在屏幕上显示。系统框图如图1。

（1）G18

Motorola G18是摩托罗拉嵌入式三频900/1800/1900MHz GSM/GPRS模块。该模块具有如下特点：①体积小（40mm×80.2mm×7.5mm）、质量软（22g）；②天线插座（型号MMCX）支持直线或直角连接；③支持9针RS-232串行接口（3V CMOS电平）；④内含用户识别卡（Subscriber Identity Module,SIM）读卡器；⑤3.0～6.0V工作电压；⑥支持语音、数据、传真、短消息和WAP功能；⑦GPRS分组交换速率可达到57.6Kb/s；⑧待机电流7.2±0.5mA，使用时平均电流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通过36针ZIF插座（或28针双排针式插座）与外部连接。36针插座中包括模拟语音输入/输出和数字语音输入/输出接口，外部SIM卡读卡器接口，以及RS-232串行通信 接口（3V CMOS逻辑电平）。由于本实验只用到了数据传输功能，且模块具有内置SIM卡读卡器，所以所有接口中只用到了RS-232串行通信接口。该接口采用串行异步通信方式，能自动识别波特率（300bps、1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps）。在数据传输模式下，G18的初始化、功能控制以及数据的通信都通过RS-232串行异步通信接口进行，因此，该模块与外部的硬件接口相对简单，是标准的RS-232接口接法。

相比之下，该模块使用的通信协议则较为复杂，模块与外部所有的数据和控制信息都通过一套由字符组成的命令串（AT 命令集）来完成，而这些命令串就是通过RS-232串行异步通信接口进行传递的。命令串都以特定的字符（AT）开始；以特定的字符结束；中间部分根据命令的类型、长度不定，主要包括下列指令类型：模块管理（模块开、关机，状态检测等），语音通信 （拨号控制、通信状态报告等），数据、传真控制，短信息功能（短信息的撰写、管理和收发）。

（2）网络协议处理器E5112

E5112是上海精致科技有限公司研制的网络协议处理器，是完成TCP/IP协议的专用芯片，支持TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据文报协议）协议，实现将嵌入式系统直接与Internet相连。E5112具有客户机功能，可以主动请求TCP连接远方服务器通信。E5112也具有服务器功能，可以监听来自客户机的TCP连接请求，建立TCP连接通信。因此，使用E5112的系统之间只要知道对方IP地址和端口号就可以通过Internet进行通信。

E5112一端通过RS-232接口与G18连接，另一端通过并口与上位机相连。E5112提供透明通道和非透明通道两种工作模式。在透明通道模式下，E5112对单片机发出的数据不进行处理直接将数据发送到G18，收到的数据也原封不动地传递给单片机。在这个模式下，短消息和语音功能可以由用户自己通过AT命令来实现。在非透明通道模式下，单片机通过串口采用帧格式与E5112通信。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

E5112帧格式以十六进制数7E开始，然后是类型、长度、数据三个字段，最后以十六进制数7E结束。类型字段表示本帧的类型。E5112共有输入和输出两大类型。输入帧有读网关IP地址帧、设置服务器端口帧、设置ISP电话号码和用户名用户密码帧、设置SOCKET插口帧、发送TCP数据帧、发送UDP数据帧、读源IP地址帧等共13种。输出帧有物理层失败帧、PPP协商失败帧、PPP协商成功帧、SOCKET关闭帧、接收SOCKET数据帧、接收源IP地址帧等共16种。长度字符存有类型、长度、数据三个字段的长度（字节数）。数据字段只有当有数据发送和接收时才存在。类型、长度、数据三个字段中如含有十六进制数7E，则必须进行转义处理。

由于E5112能进行TCP/IP协议和AT命令集的处理，所以编程者完全不需了解TCP/IP协议和AT命令集，只需向E5112发送符合 帧格式的字符串，或接收E5112发出的帧，即可实现GPRS数据通信。

（3）单片机、E5112、G18之间的连接

E5112的接口是5V逻辑，而G18是3V逻辑，两者要连接起来使用必须要进行电平转换G18的RS-232接口输入针（TXD、DTR、RTS）具有5V的容限，最大可接收5.5V的电压，所以E5112的这三个输出脚可直接连接至G18相应引脚。G18的输出最大值不能达到E5112的输入容限，应进行电平转换，我们采用漏极开路的驱动芯片74LVC07完成这一功能。图2为某一路信号进行电平转换的电路，74LVC07电源为3V，所以可以接收3V输入；而输出端经一上拉电阻连至5V，所以输出被上拉至5V。

由于上位机只提供并口与上位机连接，所以在单片机与E5112之间插入一个串并转换芯片16C550，进行串行和并行数据的转换单片机、E5112之间的连接见图3。

（4）心率采集

心率采集采用了从心电信号中提取的方法。采集得到的心电信号放大后，经心率检测电路转化与心电R波同步的脉冲，再由单片机计时测量其频率，求倒数可得心率值。心率数据经单片机测量完成后，存储在单片机的存储器中，需要时经串行口发送，进行无线传输。

（5）单片机采用了AT89C51，单片机的软件采用C语言编制。心率脉冲连接至0号外部中断引脚（INT0），定时器0设为连续计时。每当INT0产生中断，即将定时器0数值记录下来，减去上次的记录值，计算心率数值。

单片机串行口设为方式1，波特率为9600bps，1位停止位，无奇偶校验。上电后，首先向E5112（通过16C550串并转换）发送设置ISP电话号码、用户名及用户密码帧，其中ISP电话号码必须为“*99#”，用户名和用户密码可以任意设置，但不能为空。成功后，再向E5112发送拨号指令，等待应答帧，当接收到PPP协议成功帧，则拨号成功，否则需继续拨号直至成功为止（拨号成功后，网络连接就一直建立，有数据发送时即可即时发送，不需要拨号）。然后，向E5112发送SOCKET设置帧，设置本地、远端的IP地址和端口，如成功，则点和点通信环境已建立，调用发送TCP数据帧和发送UDP数据帧就可以发送心率数据了，其中心率数据置于TCP和UDP数据帧的数据字段中。

（6）接收端编程

在接收端的计算机上，主要应用VB的一个Winsock控件来实现接收发送的生理参数。利用WinSock控件可以与远程计算机建立连接，并通过UDP或者TCP协议进行数据交换。这两种协议都可以用来创建客户与服务器应用程序。

使用时，只需在接收窗体中插入一个Winsock控件，将Protocol属性设定为使用的协议（TCP或UDP），设置远程（单片机端）IP地址和端口，调用Bind方法，即可建立双方的连接。当单片机端发送心率数据时，将触发Winsock控件的DataArrival事件，在事件处理程序中读取GetData属性的内容，即可获得远端发来的心率数据。

端口的设置可以任意，但最好大于1000，以避开与常用的端口冲突。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

（7）实验过程

由于条件限制，接收端计算机上网方式选择了有线电话拨号方式，以获得公网IP。实验时，首先接收端需拨号上网，获得本地的IP地址，运行VB接收程序。然后，在单片机程序中设定远端IP地址和端口，运行单片机C语言程序，检测心率并发送。这时接收端计算机就能收到心率数据并显示。

2 结果与讨论

实验中，传送的心率数据都准确地无误地到达了接收方，传输质量非常稳定，且传输距离可以达到GSM网络能达到的地方。GPRS能实现“永远在线”，所以一旦建立GPRS连接，就可以随时发送数据，不需再拨号。由于心率数据传输的频率和数据量不大，所以耗费的GPRS通信费也是很少的。

利用GPRS技术传输生理数据，可以不用考虑建立无线网络的巨额投资，费用只是GPRS模块的一次性投资和传输时的GPRS通信费，且可随时发送，使用非常方便；GSM网络是一个非常成熟的网络，具有完善的纠错机制，因此传输的稳定性很好。由于GSM已经得到非常广泛的应用，传输的距离由网络的漫游功能而能达到全部的城市和绝大部分乡村。可以预见，GPRS技术将在各类数据传输应用（包括生理数据传输）中得到越来越广泛的应用。

由于条件限制，本实验在接收端采取了拨号上网的方式，拨号上网，得到的都是动态IP地址，所以单片机程序每一次拨号后都要更改IP地址，重新编译运行，在实际的系统中，接收端可租用固定的IP地址，单片机的程序就不需再修改。另外，采用专用网络协议处理器芯片，可以降低开发难度，但增加了系统成本、体积和功耗，如能用软件实现TCP/IP协议，或采用带TCP/IP协议栈的单片机，则可解决这一矛盾。