CC3000的膠囊內窺鏡WiFi轉發器設計

近年，由于微電子技術和便攜式電子設備的發展，使用傳感器獲取身體的生理數據成為熱門的研究領域。越來越多的嵌入式處理器和無線技術應用于生理參數的獲取。使用傳感器可以獲取如血壓、血氧飽和度、血糖、脈搏、體溫、呼吸、心率、心電、腦電等生理信息。這方面的研究已經許多成果，如使用安卓手機進行心電監測、ZigBee的多生理參數監測等，這些信息可以通過無線方式發送給便攜式數據記錄儀或遠程服務器。如今，智能手機有足夠的處理和存儲能力來完成這些身體參數的處理，可以使用藍牙或WiFi接收這些數據，但考慮到藍牙或WiFi芯片的體積和功耗，膠囊內窺鏡的圖像不宜采用藍牙或WiFi進行傳輸。因此，如不借助其他設備，膠囊內窺鏡使用專用的無線傳輸芯片采集到的圖像無法直接傳輸到智能手機或遠程服務器。

為了解決這個問題，本文設計了一種用于膠囊內窺鏡的轉發器，主要功能是轉發膠囊內窺鏡的圖像數據。提出的適配器通過使用與膠囊內窺鏡配套的無線收發模塊來接收圖像數據，然后由微處理器控制WiFi模塊轉發圖像數據到手持設備。此外，適配器也可直接通過WiFi將圖像發送到遠程服務器存儲，從而實現膠囊內窺鏡的遠程診斷。

1 系統總體設計

作為膠囊內窺鏡和數據采集終端的中間設備，轉發器主要用于轉發膠囊內窺鏡的圖像數據。本文使用Android手機作為數據采集終端，膠囊內窺鏡使用的是nRF24L01+傳輸芯片。圖1是使用轉發器的膠囊內窺鏡遠程診斷系統。

2 轉發器設計

2.1 硬件設計

轉發器的硬件設計如圖2所示，包括微控制器STM32F103RCT6、無線收發芯片nRF24L01+、WiFi芯片CC3000，各模塊使用SPI總線進行通信。轉發器保留了其他傳輸方式的外部接口，因此也能用于其他傳輸方式的生理傳感器。

(1)微控制器

微控制器STM32F103RCT6，主要負責數據的緩存、處理轉換，并根據預定義的方式從相關接口傳送數據。它控制RF接收器和WiFi模塊的數據傳輸相關的所有活動，以及總體管理產生的控制信號。STM32系列專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用而設計。時鐘頻率為72 MHz時，STM32功耗為36 mA，相當于0.5 mA/MHz。

(2)RF接收器

選擇nRF24L01+作為轉發器的接收芯片，是由于其具有低功耗、小尺寸和高帶寬等特點。它與單片機SPI口的通信速度可達8 MHz;最大支持2 Mbps的數據傳輸速率，且正常的功耗為14 mA;支持自動應答及自動重發，內置地址及CRC數據校驗等功能。雖然自動應答降低了通信速度，但它是生物醫學應用中所必需的。

(3)WiFi模塊

轉發器的功能取決于設備本身和接收工作站之間的通信。WiFi的應用越來越廣泛，在許多地方都作為一種主要的通信媒介。本文使用TI公司的WiFi嵌入式芯片CC3000，為電子設備提供Internet連接能力。這款芯片包含完整的TCP/IP協議棧和WiFi驅動，支持標準的Socket編程，具有IEEE802.11b/g無線網卡功能。在IEEE802.11g工作模式下，傳輸功耗為190 mA，接收功耗為92 mA。CC3000的外圍電路設計如圖3所示，只保留了SPI通信接口和UART調試接口。

(4)電源供應

采用輸出3.7 V的鋰電池作為電源的供應，電池可以通過USB線進行充電。

2.2 控制程序設計

軟件控制程序是分層模塊化的，以便添加新的硬件時不必對軟件進行大規模改動。底層驅動程序是由ST公司提供的一個完整的STM32設備固件庫。該庫提供了STM32所有外設的底層驅動函數，開發人員不必自己編寫驅動函數，只需在這些底層函數的基礎上編寫應用程序。CC3 000使用官方提供的Hostdriver驅動庫，上層應用層包括數據處理、系統配置等模塊。STM32通過SPI初始化CC3000和RF射頻模塊，配置nRF24 L01+為接收模式，自動應答，每次傳輸32字節數據。為了確保數據接收與發送同步操作，CC3000的數據包也設置為32字節。因為針對的是遠程診斷，而遠程服務器的IP地址一般是固定的，因此配置CC3000為服務端的工作模式。轉發器工作時，從RF的SPI口讀取到的數據先存到存儲緩沖器中，然后由STM32將數據交由CC3000轉發出去。

轉發器的工作流程如圖4所示。

當連接指定AP超時，CC3000便進入Smart Config模式，Smart Config是CC3000獨有的AP配置信息模式，可以使用任何帶WiFi的設備配置CC3000連接到AP。很多嵌入式的設備不帶有鍵盤和液晶，而WiFi配置又極其復雜，為了便于客戶重新配置WiFi的連接，CC3000模塊設計了Sma rt Config模式。

3 Android手機接收程序

本文使用Android手機完成圖像數據的接收、處理、顯示、保存。轉發器通過WiFi將圖片發送到手機，圖像數據是通過轉發器的TCP/IP協議轉發的。Android是一個開源移動操作系統，它有一個強大的基于Java框架的軟件開發包。Bitmap類是Android系統中有關圖像處理的最重要類之一，可以用于獲取圖像文件信息，進行圖像相關處理。

開發的圖像采集應用程序主要由3部分組成：

①DeviceListActivity：主要完成設備的連接，連接后的設備通過Socket通信。

②RecieveService：Android后臺服務進程，它長時間運行在手機應用程序進程的主線程內，不會干擾其他組件或用戶界面。這里包括Socket的監聽、數據的接收、圖片的顯示與寫入SD卡的后臺服務。

③WiFiWCERecieve：與用戶交互的Activity組件，是應用程序的可見部分。

CC3000與手機利用WiFi連接立TCP連接，通過Socket傳輸圖片。配置Android手機為服務端，使用ServerSocket來建立帶有端口的Socket服務器，然后一直監聽請求連接。其中Android終端和CC3000處于同一局域網。圖像啟動采集的時候，客戶端使用Socket的構造器連接服務器，指定服務器IP和端口號。服務器端的accept()方法得到響應后，服務器端和客戶端就形成了一對互相連接的Socket。Socket通信時都是通過輸入/輸出流進行。從手機Socket口獲取到的圖像數據流，通過Android里面的bitmap類生成JPEG圖像并顯示，添加SD權限，把圖像寫進SD卡中。

4 實驗與分析

膠囊內窺鏡使用nRF24L01+發送圖像數據。轉發器處理接收到的數據，通過無線網絡轉發給Android處理、顯示、保存。圖5為Android機接收到的圖片。

不同組件的平均功耗如圖6所示。可以看出，最耗電的為CC3000。總的耗電量為200mA，在2000 mAh鋰電源的工作環境下，能工作10小時。由于膠囊內窺鏡一般工作8小時左右，因此足夠膠囊內窺鏡的應用。

實驗結果表明，該轉發器能夠穩定轉發膠囊內窺鏡圖片，可作為膠囊內窺鏡遠程診斷的轉發裝置。轉發器有以下優勢：

①體積小、功耗低。

②安裝相關軟件，任何帶有WiFi的安卓手機都可以用作膠囊內窺鏡數據采集和處理設備。

③可以使用手機實時監控膠囊內窺鏡圖像。

④可以直接通過WiFi將圖像傳輸到遠程服務器。

⑤預留其他外部接口，可以支持其他的傳感器。

結語

本文設計了基于STM32F103的WiFi轉發器，并用于膠囊內窺鏡的圖像轉發;系統地分析了膠囊內窺鏡圖像數據的轉發、數據傳輸的原理和過程，在軟件設計方面，設計了基于Android智能手機的采集程序。通過系統測試，整個系統成功實現了對圖像的實時監測和數據接收。