0 引言

　　膠囊內窺鏡[1]檢查是利用吞服式內置無線攝錄相機的膠囊進行內鏡消化系統攝影，以評估消化道問題。受檢查者通過口服膠囊內窺鏡，使膠囊在人的身體中運動并拍攝圖像。醫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消化道情況，從而對病情做出診斷。與傳統的內窺鏡相比，膠囊內窺鏡檢查具有無創傷、無交叉感染等優點，是消化道疾病尤其是小腸疾病診斷的首選方法。膠囊內窺鏡采用的是專用的RF傳輸方式。現有的膠囊內窺鏡一般是檢查完后才能獲取到完整的圖像數據。以國產OMOM膠囊內窺鏡的檢查方法[2-3]為例，等到檢查結束后才由醫生將圖像記錄儀的圖像數據下載到電腦上的工作站進行分析。為了將膠囊內窺鏡圖像實時傳送到工作站，本文提出了基于藍牙和Wi-Fi的雙模式膠囊內窺鏡圖像轉發器。提出的轉發器通過使用和膠囊內窺鏡配套的無線收發模塊接收圖像數據，然后根據不同的應用模式，由微處理器控制藍牙模塊或Wi-Fi模塊轉發數據。近距離轉發時，使用藍牙模式；遠程轉發時，借助無線網絡，使用Wi-Fi模式。使用提出的轉發器，可將圖像實時轉發到接收端進行顯示和保存。轉發器也可作為膠囊內窺鏡遠程診斷的一種實現方法。遠程醫療技術使得病人的診斷不受時間和地域限制，這可以節省醫生和病人的大量時間和金錢。

1 系統結構

　　系統主要由三部分組成，分別為膠囊內窺鏡、轉發器以及接收設備。通過轉發器，能夠將膠囊內窺鏡專用射頻模塊接收到的圖像數據實時轉發給接收終端。本文使用Android手機作為移動采集終端，工作站使用的是自主開發的QT膠囊內窺鏡圖片分析系統[4]。圖1是使用轉發器的膠囊內窺鏡圖像采集系統。轉發器保留了其他傳輸方式的外部接口，因此設計的轉發器也能用于其他的轉發應用。

2 轉發器硬件設計

　　2.1 RF接收器

　　膠囊內窺鏡采用基于nRF24L01+傳輸的實驗模型[5]，轉發器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點。外圍電路如圖2所示，它與單片機SPI口的通信速度可達8 MHz；最大支持2 Mb/s的數據傳輸速率，而正常的電流消耗為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須的。模塊通過SPI接口編程配置。這里設置傳輸速率為2 Mb/s，發射功率0 dBm,接收通道0自動應答。配置通信模式為突發模式，這有利于降低功耗且抗干擾性強。在突發模式，每次最多只能發送32 B的數據。配置部分命令如下：

　　Write_Reg(WRITE_REG+RX_PW_P0,32)

　　//選擇通道0，32位有效數據寬度

　　Write_Reg(WRITE_REG+EN_AA,0x01)//通道0自動應答

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

　　Write_Reg(WRITE_REG+SETUP_RETR,0x1a)//最大重發數10

　　Write_Reg(WRITE_REG+RF_SETUP,0x0F)

　　//0 db增益，2Mbps,低噪聲增益開啟

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

　　模式的參數，EN_CRC，接收模式，開啟所有中斷

　　2.2 控制芯片

　　MCU微控制器采用STM32F103RCT6單片機[6]，主要負責模塊的配置、數據的緩存和處理轉換，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、Wi-Fi模塊和藍牙模塊的數據傳輸中的所有活動和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72 MHz時，STM32電流消耗僅為36 mA，是32位市場上功耗最低的產品，相當于0.5 mA/MHz。

　　2.3 Wi-Fi模塊

　　Wi-Fi被用得越來越廣泛，在許多地方都作為一種主要的通信媒介。本文使用德州儀器Wi-Fi嵌入式芯片CC3000，它可以給電子設備提供Internet連接能力。這款芯片包含完整的TCP/IP通信棧和Wi-Fi驅動，支持標準的socket編程。采用FirstTimeConfig技術，這能夠輕松地對接入點進行配置，而無需顯示屏或用戶界面，非常適合嵌入式應用。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CC3000的外圍電路進行如圖3所示的設計，只保留了SPI通信接口和UART調試接口。

　　所有上層應用函數通過HCI抽象層與SPI接口通信。CC3000第一次配置指當最終的產品還沒有輸入輸出能力時，第一次配置提供了一種方法穿件一個外形，這些設置都存儲在CC3000的EEPROM中，第一次配置的基本流程如圖4所示。

　　信標里的prefix值一般設置為TTT，外部設備發送帶有信標的探頭，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的連接信息寫入EEP-

　　ROM，以后自動連入該AP。當連接指定AP超時，CC3000便再進入智能模式[7]，它是CC3000獨有的AP配置信息模式,可以使用任何帶Wi-Fi的設備配置CC3000連接到AP。這便于客戶重新配置Wi-Fi的連接。

　　2.4 藍牙模塊

　　藍牙模塊[8]中的芯片使用的是CSR公司的BC41714，集成藍牙串行數據透傳(SPP)，波特率最高可達1.384 Mb/s，正常工作時電流為20 mA，模塊采用標準UART接口通信。使用之前通過AT指令進行配置。本文配置藍牙為從設備模式，波特率為38.4 kb/s。

　　2.5 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。

3 控制程序實現

　　軟件控制程序是分層模塊化實現的，這樣使得添加新的硬件不至于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，開發人員可以不需要自己編寫驅動函數而在這些底層函數的基礎上編寫應用程序。CC3000使用官方提供Hostdriver驅動庫，該驅動提供芯片配置以及芯片聯網的所有操作函數庫。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nRF24L01+為接收模式，自動應答,每次傳輸32 B數據。為了確保數據接收與發送的同步操作，CC3000的數據包也設置為32 B。因為針對的是遠程采集，工作站的IP地址一般是固定的，因此配置CC3000為服務端的工作模式。適配器工作時，從RF的SPI口讀取到的數據先存到存儲緩沖器中。然后由STM32根據選擇的模式，通過檢測連接到GPIO口的開關狀態進判斷。針對安卓手機采集選擇藍牙模式，這樣能節省轉發器的功耗，針對遠程連接選擇Wi-Fi模式。轉發器的工作流程如圖5所示。

4 接收程序

　　4.1 藍牙工作模式

　　如今，智能手機有足夠的處理和存儲能力來完成圖像數據的處理。智能手機可以使用藍牙或Wi-Fi來接收這些數據。為了省電，本文使用帶藍牙的Android手機接收圖像數據。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，Android里的Bitmap類[9]是Android系統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，進行圖像相關處理。使用藍牙模式，首先應由手機完成設備的配對。配對完后發送采集命令。連接后的設備主要通過藍牙Socket通信。從手機Socket口獲取的圖像數據流通過Android里的Bitmap類處理生成JPEG圖像并顯示。添加SD權限，把圖像寫進SD卡中。圖6是拍攝到的圖片，可成功傳輸到手機上保存并顯示。

　　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來建立帶有端口的socket服務器并監聽所有連接。其中服務器和CC3000處于同一局域網。圖像啟動采集時，CC3000通過指定服務器的IP和端口號連接服務器。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。經CMOS圖像傳感器JPEG壓縮得到的數據僅包括SOI（標記碼0XFFD8）、有效圖像數據、EOI（0XFFD9），為了得到完整JPEG圖像，需要在SOI后插入缺失的標記段。生成的圖片保存在工作站硬盤上，調用自主的膠囊內窺鏡圖片分析系統進行顯示，結果如圖7所示。

5 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，根據不同的模式，分別使用藍牙和Wi-Fi進行轉發圖像數據。圖6和圖7是兩種模式的實驗結果。實驗結果表明，該轉發器能夠穩定轉發膠囊內窺鏡圖片。不同組件的平均功耗如圖8所示。可以見到，最為耗電的是CC3000。Wi-Fi模式下總的耗電量為200 mA，在2 000 mAh的鋰電源的工作環境下，能工作10 h。由于膠囊內窺鏡一般工作8 h左右，這已足夠膠囊內窺鏡的應用。

　　本設計的轉發器具有以下優勢：

　　(1)轉發器是一個體積小、功耗低的設備。

　　(2)安裝相關軟件，任何帶有藍牙的手機和連接到網絡的工作站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)轉發器可以直接通過Wi-Fi將圖像上傳到遠程服務器。

6 結語

　　本文設計了基于Wi-Fi和藍牙的雙模式轉發器，并將之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過程。通過系統的測試，整個系統成功實現了對圖像的實時監測和數據接收。

　　參考文獻

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　　[8] 韓建，魏運鋒，談卿瑕,等.基于藍牙的體溫時控監測系統[J].電子設計工程，2014(16)：61-64.

　　[9] EVERY S V.Introduction to Android imaging[M].Pro An-droid Media.Apress，2009：1-22.