傳統(tǒng)的醫(yī)療電子設(shè)備并不具備無線功能，不能實現(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)CK610CPU和TI公司的CC2520射頻芯片實現(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，將更加先進的IPV6網(wǎng)絡(luò)運用到無線醫(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，為實現(xiàn)該協(xié)議編寫了路由協(xié)議程序和射頻適配程序，實現(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)點與PC相連接.Linux用作CK610的操作系統(tǒng)，CK610通過操作FPGAIP核模擬的SPI來控制CC2520,CC2591由CC2520的管腳控制.

　　在整個醫(yī)療電子應用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，可以有多個節(jié)點，但是只有一個控制器.所有節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送的終點是控制器，距離較遠的節(jié)點可以通過其他節(jié)點轉(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)點都維護一個路由表，路由表的每項都是與本節(jié)點相鄰的節(jié)點.一個典型節(jié)點路由表內(nèi)容如表1所示.（點擊可查看大圖）

　　每個節(jié)點會對路由表中的每項根據(jù)總鏈路代價進行排序，總鏈路代價最小的對應的節(jié)點會被選為默認路由，只要節(jié)點有數(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)點鏈路代價兩者之和.前驅(qū)節(jié)點鏈路代價是從本節(jié)點定期發(fā)送的路由廣播包中獲取的.如果前驅(qū)節(jié)點是控制器，那么前驅(qū)節(jié)點鏈路代價是0.本地鏈路代價指的是自身節(jié)點同前驅(qū)節(jié)點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：

　?。?）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.

　?。?）離當前時間越遠的統(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)點會在收到鄰居節(jié)點的路由廣播包和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)點的加入

　　當節(jié)點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1發(fā)送一個路由廣播包.節(jié)點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1的默認路由是控制器.

　　同時，節(jié)點1會立即啟動TTIMER和RTIMER兩個定時器，當TTIMER到期時，節(jié)點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)拓撲.

　　而控制器的RTIMER到期之時，也會給節(jié)點1發(fā)送路由廣播，節(jié)點1立即更新路由表.

　　網(wǎng)絡(luò)運行的過程中，有新的節(jié)點要加入這個網(wǎng)絡(luò)，且該節(jié)點能夠直接同控制器通信，此時的情況比第一個節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的情況復雜些.節(jié)點2啟動時，首先發(fā)送一個路由請求包，控制器和節(jié)點1接收到該包后會先后發(fā)送路由廣播包，節(jié)點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1都加入自己的路由表中.當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)容應該包括節(jié)點1和控制器.

　　之后節(jié)點1的RTIMER定時器到期，發(fā)送路由廣播包，控制器和節(jié)點2都能收到，節(jié)點2更新其路由表，節(jié)點2的RTIMER定時器到期也會發(fā)送路由廣播包，此時節(jié)點1將節(jié)點2加入自己的路由表.

　　如果新加入的節(jié)點無法直接同控制器通信，即節(jié)點1已經(jīng)存在于網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點2無法同控制器通信.節(jié)點2啟動的時候也會發(fā)送路由請求包，這個包只有節(jié)點1可以收到，于是節(jié)點1給節(jié)點2回復一個路由廣播包，節(jié)點2和控制器都可以收到.節(jié)點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1加入自己的路由表中.此時節(jié)點2的路由表只有節(jié)點1這一項，因此節(jié)點2的默認路由是節(jié)點1.節(jié)點2的TTIMER定時器到期時會向默認路由，即節(jié)點1發(fā)送路由匯報包，節(jié)點1收到路由匯報包之后將其轉(zhuǎn)發(fā)給控制器.節(jié)點1的RTIMER定時器到期，發(fā)送路由廣播包，節(jié)點2更新其路由表.

　　節(jié)點2的RTIMER定時器到期之時發(fā)送路由廣播包，節(jié)點1接收到該包之時更新路由表.

　　2.3網(wǎng)絡(luò)的維護與更新

　　網(wǎng)絡(luò)運行過程中，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)的維護和更新是通過每個節(jié)點的RTIMER定時器實現(xiàn)的，每當該定時器到期，節(jié)點都會廣播路由廣播包，所有接收到該廣播包的節(jié)點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)射超標量流水線技術(shù)，提升性能近50%;非阻塞指令發(fā)射.投機執(zhí)行和按序退休；返回地址預測（4–entryreturnstack）;哈佛結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)/指令Cache和SPM,大小可配置；數(shù)據(jù)CacheWrite–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)射功率可達到5dBm;數(shù)據(jù)傳輸速率最大可達250kbps;工作在2.4GHzISM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大到-24dBm~22dBm,接收靈敏度增加到-90dBm,傳輸距離可達到幾百米甚至上千米.

　　3.2網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

　　為了實現(xiàn)在第3節(jié)中定義的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，需要在Linux之上編寫一個應用程序，該程序需要實現(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.

　　在用戶應用程序中，當有數(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，負責這部分內(nèi)容的程序稱為射頻適配程序.

　　在實現(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進行無線發(fā)送.而當CC2520接收到數(shù)據(jù)時，通過讀取CC2520SO管腳獲得收到的數(shù)據(jù)，通過UART輸出給PC,PC運行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，并實現(xiàn)了醫(yī)療電子板的點對點無線通信，實驗結(jié)果證明，系統(tǒng)運行正常，達到預期效果.在后期工作中，將加入更多節(jié)點來驗證系統(tǒng)性能.