0 引言

　　膠囊內(nèi)窺鏡[1]檢查是利用吞服式內(nèi)置無(wú)線攝錄相機(jī)的膠囊進(jìn)行內(nèi)鏡消化系統(tǒng)攝影，以評(píng)估消化道問(wèn)題。受檢查者通過(guò)口服膠囊內(nèi)窺鏡，使膠囊在人的身體中運(yùn)動(dòng)并拍攝圖像。醫(yī)生利用體外的圖像記錄儀和影像工作站，可以了解受檢者的整個(gè)消化道情況，從而對(duì)病情做出診斷。與傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡相比，膠囊內(nèi)窺鏡檢查具有無(wú)創(chuàng)傷、無(wú)交叉感染等優(yōu)點(diǎn)，是消化道疾病尤其是小腸疾病診斷的首選方法。膠囊內(nèi)窺鏡采用的是專用的RF傳輸方式?，F(xiàn)有的膠囊內(nèi)窺鏡一般是檢查完后才能獲取到完整的圖像數(shù)據(jù)。以國(guó)產(chǎn)OMOM膠囊內(nèi)窺鏡的檢查方法[2-3]為例，等到檢查結(jié)束后才由醫(yī)生將圖像記錄儀的圖像數(shù)據(jù)下載到電腦上的工作站進(jìn)行分析。為了將膠囊內(nèi)窺鏡圖像實(shí)時(shí)傳送到工作站，本文提出了基于藍(lán)牙和Wi-Fi的雙模式膠囊內(nèi)窺鏡圖像轉(zhuǎn)發(fā)器。提出的轉(zhuǎn)發(fā)器通過(guò)使用和膠囊內(nèi)窺鏡配套的無(wú)線收發(fā)模塊接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)，然后根據(jù)不同的應(yīng)用模式，由微處理器控制藍(lán)牙模塊或Wi-Fi模塊轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。近距離轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，使用藍(lán)牙模式；遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，借助無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，使用Wi-Fi模式。使用提出的轉(zhuǎn)發(fā)器，可將圖像實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)到接收端進(jìn)行顯示和保存。轉(zhuǎn)發(fā)器也可作為膠囊內(nèi)窺鏡遠(yuǎn)程診斷的一種實(shí)現(xiàn)方法。遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)使得病人的診斷不受時(shí)間和地域限制，這可以節(jié)省醫(yī)生和病人的大量時(shí)間和金錢(qián)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)主要由三部分組成，分別為膠囊內(nèi)窺鏡、轉(zhuǎn)發(fā)器以及接收設(shè)備。通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)器，能夠?qū)⒛z囊內(nèi)窺鏡專用射頻模塊接收到的圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)給接收終端。本文使用Android手機(jī)作為移動(dòng)采集終端，工作站使用的是自主開(kāi)發(fā)的QT膠囊內(nèi)窺鏡圖片分析系統(tǒng)[4]。圖1是使用轉(zhuǎn)發(fā)器的膠囊內(nèi)窺鏡圖像采集系統(tǒng)。轉(zhuǎn)發(fā)器保留了其他傳輸方式的外部接口，因此設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)發(fā)器也能用于其他的轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)用。

2 轉(zhuǎn)發(fā)器硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 RF接收器

　　膠囊內(nèi)窺鏡采用基于nRF24L01+傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚5]，轉(zhuǎn)發(fā)器RF接收模塊采用與之相同的RF接收芯片。nRF24L01+具有低功耗、小尺寸和高帶寬等優(yōu)點(diǎn)。外圍電路如圖2所示，它與單片機(jī)SPI口的通信速度可達(dá)8 MHz；最大支持2 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，而正常的電流消耗為14 mA；支持自動(dòng)應(yīng)答及自動(dòng)重發(fā)，內(nèi)置地址及CRC數(shù)據(jù)校驗(yàn)等功能，雖然自動(dòng)應(yīng)答降低了通信速度，但它是生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中所必須的。模塊通過(guò)SPI接口編程配置。這里設(shè)置傳輸速率為2 Mb/s，發(fā)射功率0 dBm,接收通道0自動(dòng)應(yīng)答。配置通信模式為突發(fā)模式，這有利于降低功耗且抗干擾性強(qiáng)。在突發(fā)模式，每次最多只能發(fā)送32 B的數(shù)據(jù)。配置部分命令如下：

　　Write_Reg(WRITE_REG+RX_PW_P0,32)

　　//選擇通道0，32位有效數(shù)據(jù)寬度

　　Write_Reg(WRITE_REG+EN_AA,0x01)//通道0自動(dòng)應(yīng)答

　　Write_Reg(WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01)//接收地址

　　Write_Reg(WRITE_REG+SETUP_RETR,0x1a)//最大重發(fā)數(shù)10

　　Write_Reg(WRITE_REG+RF_SETUP,0x0F)

　　//0 db增益，2Mbps,低噪聲增益開(kāi)啟

　　Write_Reg(WRITE_REG+CONFIG,0x0f)//配置基本工作

　　模式的參數(shù)，EN_CRC，接收模式，開(kāi)啟所有中斷

　　2.2 控制芯片

　　MCU微控制器采用STM32F103RCT6單片機(jī)[6]，主要負(fù)責(zé)模塊的配置、數(shù)據(jù)的緩存和處理轉(zhuǎn)換，并根據(jù)預(yù)定義的方式從相關(guān)接口傳送數(shù)據(jù)。它控制RF接收器、Wi-Fi模塊和藍(lán)牙模塊的數(shù)據(jù)傳輸中的所有活動(dòng)和總體管理產(chǎn)生的控制信號(hào)。STM32系列專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)。時(shí)鐘頻率72 MHz時(shí)，STM32電流消耗僅為36 mA，是32位市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于0.5 mA/MHz。

　　2.3 Wi-Fi模塊

　　Wi-Fi被用得越來(lái)越廣泛，在許多地方都作為一種主要的通信媒介。本文使用德州儀器Wi-Fi嵌入式芯片CC3000，它可以給電子設(shè)備提供Internet連接能力。這款芯片包含完整的TCP/IP通信棧和Wi-Fi驅(qū)動(dòng)，支持標(biāo)準(zhǔn)的socket編程。采用FirstTimeConfig技術(shù)，這能夠輕松地對(duì)接入點(diǎn)進(jìn)行配置，而無(wú)需顯示屏或用戶界面，非常適合嵌入式應(yīng)用。在802.11g工作模式下，傳輸電流消耗為190 mA，接收電流消耗為92 mA。對(duì)CC3000的外圍電路進(jìn)行如圖3所示的設(shè)計(jì)，只保留了SPI通信接口和UART調(diào)試接口。

　　所有上層應(yīng)用函數(shù)通過(guò)HCI抽象層與SPI接口通信。CC3000第一次配置指當(dāng)最終的產(chǎn)品還沒(méi)有輸入輸出能力時(shí)，第一次配置提供了一種方法穿件一個(gè)外形，這些設(shè)置都存儲(chǔ)在CC3000的EEPROM中，第一次配置的基本流程如圖4所示。

　　信標(biāo)里的prefix值一般設(shè)置為T(mén)TT，外部設(shè)備發(fā)送帶有信標(biāo)的探頭，里面包括要連接的AP的SSID和密碼。CC3000接收并解釋探頭后，將AP的連接信息寫(xiě)入EEP-

　　ROM，以后自動(dòng)連入該AP。當(dāng)連接指定AP超時(shí)，CC3000便再進(jìn)入智能模式[7]，它是CC3000獨(dú)有的AP配置信息模式,可以使用任何帶Wi-Fi的設(shè)備配置CC3000連接到AP。這便于客戶重新配置Wi-Fi的連接。

　　2.4 藍(lán)牙模塊

　　藍(lán)牙模塊[8]中的芯片使用的是CSR公司的BC41714，集成藍(lán)牙串行數(shù)據(jù)透?jìng)?SPP)，波特率最高可達(dá)1.384 Mb/s，正常工作時(shí)電流為20 mA，模塊采用標(biāo)準(zhǔn)UART接口通信。使用之前通過(guò)AT指令進(jìn)行配置。本文配置藍(lán)牙為從設(shè)備模式，波特率為38.4 kb/s。

　　2.5 電源供應(yīng)

　　采用輸出3.7 V的鋰電池作為電源的供應(yīng)。電池可以通過(guò)USB線進(jìn)行充電。

3 控制程序?qū)崿F(xiàn)

　　軟件控制程序是分層模塊化實(shí)現(xiàn)的，這樣使得添加新的硬件不至于對(duì)軟件進(jìn)行大規(guī)模改動(dòng)。底層驅(qū)動(dòng)程序是由ST公司提供的一個(gè)完整的STM32設(shè)備固件庫(kù)。該庫(kù)提供了STM32所有外設(shè)的底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)，開(kāi)發(fā)人員可以不需要自己編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)函數(shù)而在這些底層函數(shù)的基礎(chǔ)上編寫(xiě)應(yīng)用程序。CC3000使用官方提供Hostdriver驅(qū)動(dòng)庫(kù)，該驅(qū)動(dòng)提供芯片配置以及芯片聯(lián)網(wǎng)的所有操作函數(shù)庫(kù)。上層應(yīng)用層包括數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)配置等模塊。STM32通過(guò)SPI初始化CC3000和RF射頻模塊。配置nRF24L01+為接收模式，自動(dòng)應(yīng)答,每次傳輸32 B數(shù)據(jù)。為了確保數(shù)據(jù)接收與發(fā)送的同步操作，CC3000的數(shù)據(jù)包也設(shè)置為32 B。因?yàn)獒槍?duì)的是遠(yuǎn)程采集，工作站的IP地址一般是固定的，因此配置CC3000為服務(wù)端的工作模式。適配器工作時(shí)，從RF的SPI口讀取到的數(shù)據(jù)先存到存儲(chǔ)緩沖器中。然后由STM32根據(jù)選擇的模式，通過(guò)檢測(cè)連接到GPIO口的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)判斷。針對(duì)安卓手機(jī)采集選擇藍(lán)牙模式，這樣能節(jié)省轉(zhuǎn)發(fā)器的功耗，針對(duì)遠(yuǎn)程連接選擇Wi-Fi模式。轉(zhuǎn)發(fā)器的工作流程如圖5所示。

4 接收程序

　　4.1 藍(lán)牙工作模式

　　如今，智能手機(jī)有足夠的處理和存儲(chǔ)能力來(lái)完成圖像數(shù)據(jù)的處理。智能手機(jī)可以使用藍(lán)牙或Wi-Fi來(lái)接收這些數(shù)據(jù)。為了省電，本文使用帶藍(lán)牙的Android手機(jī)接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)。Android是一個(gè)開(kāi)源移動(dòng)操作系統(tǒng)，它有一個(gè)強(qiáng)大的基于java框架的軟件開(kāi)發(fā)包，Android里的Bitmap類[9]是Android系統(tǒng)中的圖像處理的最重要類之一。用它可以獲取圖像文件信息，進(jìn)行圖像相關(guān)處理。使用藍(lán)牙模式，首先應(yīng)由手機(jī)完成設(shè)備的配對(duì)。配對(duì)完后發(fā)送采集命令。連接后的設(shè)備主要通過(guò)藍(lán)牙Socket通信。從手機(jī)Socket口獲取的圖像數(shù)據(jù)流通過(guò)Android里的Bitmap類處理生成JPEG圖像并顯示。添加SD權(quán)限，把圖像寫(xiě)進(jìn)SD卡中。圖6是拍攝到的圖片，可成功傳輸?shù)绞謾C(jī)上保存并顯示。

　　4.2 Wi-Fi工作模式

　　在Wi-Fi工作模式下，CC3000利用Wi-Fi直接與工作站建立TCP連接。使用QTcp-Server來(lái)建立帶有端口的socket服務(wù)器并監(jiān)聽(tīng)所有連接。其中服務(wù)器和CC3000處于同一局域網(wǎng)。圖像啟動(dòng)采集時(shí)，CC3000通過(guò)指定服務(wù)器的IP和端口號(hào)連接服務(wù)器。accept()方法得到響應(yīng)后，服務(wù)器端和客戶端就形成了一對(duì)互相連接的Socket。經(jīng)CMOS圖像傳感器JPEG壓縮得到的數(shù)據(jù)僅包括SOI（標(biāo)記碼0XFFD8）、有效圖像數(shù)據(jù)、EOI（0XFFD9），為了得到完整JPEG圖像，需要在SOI后插入缺失的標(biāo)記段。生成的圖片保存在工作站硬盤(pán)上，調(diào)用自主的膠囊內(nèi)窺鏡圖片分析系統(tǒng)進(jìn)行顯示，結(jié)果如圖7所示。

5 實(shí)驗(yàn)與分析

　　膠囊內(nèi)窺鏡使用nRF24L01+發(fā)送圖像數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)發(fā)器處理接收到的數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的模式，分別使用藍(lán)牙和Wi-Fi進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)圖像數(shù)據(jù)。圖6和圖7是兩種模式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該轉(zhuǎn)發(fā)器能夠穩(wěn)定轉(zhuǎn)發(fā)膠囊內(nèi)窺鏡圖片。不同組件的平均功耗如圖8所示?？梢砸?jiàn)到，最為耗電的是CC3000。Wi-Fi模式下總的耗電量為200 mA，在2 000 mAh的鋰電源的工作環(huán)境下，能工作10 h。由于膠囊內(nèi)窺鏡一般工作8 h左右，這已足夠膠囊內(nèi)窺鏡的應(yīng)用。

　　本設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)發(fā)器具有以下優(yōu)勢(shì)：

　　(1)轉(zhuǎn)發(fā)器是一個(gè)體積小、功耗低的設(shè)備。

　　(2)安裝相關(guān)軟件，任何帶有藍(lán)牙的手機(jī)和連接到網(wǎng)絡(luò)的工作站都可以用作膠囊內(nèi)窺鏡數(shù)據(jù)采集和處理設(shè)備。

　　(3)可以使用手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控膠囊內(nèi)窺鏡圖像。

　　(4)轉(zhuǎn)發(fā)器可以直接通過(guò)Wi-Fi將圖像上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器。

6 結(jié)語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)了基于Wi-Fi和藍(lán)牙的雙模式轉(zhuǎn)發(fā)器，并將之用于膠囊內(nèi)窺鏡的圖像轉(zhuǎn)發(fā)。系統(tǒng)地分析了膠囊內(nèi)窺鏡圖像數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程。通過(guò)系統(tǒng)的測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖像的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)接收。

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