双模式胶囊内窥镜转发器的设计-AET-电子技术应用

双模式胶囊内窥镜转发器的设计

2015年电子技术应用第2期

袁伟钊，高园园，吕庆文

南方医科大学生物医学工程学院，广东广州510515

摘要： 为了通过蓝牙或Wi-Fi获取胶囊内窥镜图像，研究并设计了基于CC3000和BC41714的双模式胶囊内窥镜转发器。根据不同的模式，转发器使用STM32F103控制CC3000或BC41714转发接收到的胶囊内窥镜图像数据。使用提出的转发器，从胶囊内窥镜获取的图像可通过蓝牙传输给Android手机进行显示并保存，也可直接通过Wi-Fi将图片上传到工作站。实验结果表明，转发器能稳定地转发胶囊内窥镜的图像，并完成提出的相应功能，可以为胶囊内窥镜的远程诊断提供一种可行方案。

关键词： 胶囊内窥镜图像转发 Wi-Fi CC3000 蓝牙

中图分类号： TP274.2
文献标识码： A
文章编号： 0258-7998(2015)02-0038-04

Design of dual mode convertor based on Wi-Fi and Bluetooth

Yuan Weizhao，Gao Yuanyuan，Lv Qingwen

School of Biomedical Engineering, Southern Medical University，Guangzhou 510515，China

Abstract： In order to receive capsule endoscopy images through Wi-Fi or Bluetooth，a kind of dual mode convertor based on CC3000 and BC41714 is researched and designed. Depending on the mode, convertor uses STM32F103 to control CC3000 or BC41714 to retransmit the capsule endoscopy images. Using the proposed convertor, images from capsule endoscopy can be directly displayed and saved on an Android phone. Images can also be directly uploaded to the workstation via Wi-Fi network. So the doctor can view the acquired images in real-time. Experimental results show that, the system can retransmit clear picture and complete the proposed function that it provides a feasible solution for remote diagnostics of capsule endoscopy.

Key words : capsule endoscopy；image forwarding；Wi-Fi；CC3000；Bluetooth

0 引言

　　胶囊内窥镜[1]检查是利用吞服式内置无线摄录相机的胶囊进行内镜消化系统摄影，以评估消化道问题。受检查者通过口服胶囊内窥镜，使胶囊在人的身体中运动并拍摄图像。医生利用体外的图像记录仪和影像工作站，可以了解受检者的整个消化道情况，从而对病情做出诊断。与传统的内窥镜相比，胶囊内窥镜检查具有无创伤、无交叉感染等优点，是消化道疾病尤其是小肠疾病诊断的首选方法。胶囊内窥镜采用的是专用的RF传输方式。现有的胶囊内窥镜一般是检查完后才能获取到完整的图像数据。以国产OMOM胶囊内窥镜的检查方法[2-3]为例，等到检查结束后才由医生将图像记录仪的图像数据下载到电脑上的工作站进行分析。为了将胶囊内窥镜图像实时传送到工作站，本文提出了基于蓝牙和Wi-Fi的双模式胶囊内窥镜图像转发器。提出的转发器通过使用和胶囊内窥镜配套的无线收发模块接收图像数据，然后根据不同的应用模式，由微处理器控制蓝牙模块或Wi-Fi模块转发数据。近距离转发时，使用蓝牙模式；远程转发时，借助无线网络，使用Wi-Fi模式。使用提出的转发器，可将图像实时转发到接收端进行显示和保存。转发器也可作为胶囊内窥镜远程诊断的一种实现方法。远程医疗技术使得病人的诊断不受时间和地域限制，这可以节省医生和病人的大量时间和金钱。

1 系统结构

　　系统主要由三部分组成，分别为胶囊内窥镜、转发器以及接收设备。通过转发器，能够将胶囊内窥镜专用射频模块接收到的图像数据实时转发给接收终端。本文使用Android手机作为移动采集终端，工作站使用的是自主开发的QT胶囊内窥镜图片分析系统[4]。图1是使用转发器的胶囊内窥镜图像采集系统。转发器保留了其他传输方式的外部接口，因此设计的转发器也能用于其他的转发应用。

2 转发器硬件设计

　　2.1 RF接收器

　　胶囊内窥镜采用基于nRF24L01+传输的实验模型[5]，转发器RF接收模块采用与之相同的RF接收芯片。nRF24L01+具有低功耗、小尺寸和高带宽等优点。外围电路如图2所示，它与单片机SPI口的通信速度可达8 MHz；最大支持2 Mb/s的数据传输速率，而正常的电流消耗为14 mA；支持自动应答及自动重发，内置地址及CRC数据校验等功能，虽然自动应答降低了通信速度，但它是生物医学应用中所必须的。模块通过SPI接口编程配置。这里设置传输速率为2 Mb/s，发射功率0 dBm,接收通道0自动应答。配置通信模式为突发模式，这有利于降低功耗且抗干扰性强。在突发模式，每次最多只能发送32 B的数据。配置部分命令如下：

　　Write_Reg(WRITE_REG+RX_PW_P0,32)

　　//选择通道0，32位有效数据宽度

　　Write_Reg(WRITE_REG+EN_AA,0x01)//通道0自动应答

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

　　Write_Reg(WRITE_REG+SETUP_RETR,0x1a)//最大重发数10

　　Write_Reg(WRITE_REG+RF_SETUP,0x0F)

　　//0 db增益，2Mbps,低噪声增益开启

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

　　模式的参数，EN_CRC，接收模式，开启所有中断

　　2.2 控制芯片

　　MCU微控制器采用STM32F103RCT6单片机[6]，主要负责模块的配置、数据的缓存和处理转换，并根据预定义的方式从相关接口传送数据。它控制RF接收器、Wi-Fi模块和蓝牙模块的数据传输中的所有活动和总体管理产生的控制信号。STM32系列专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用而设计。时钟频率72 MHz时，STM32电流消耗仅为36 mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5 mA/MHz。

　　2.3 Wi-Fi模块

　　Wi-Fi被用得越来越广泛，在许多地方都作为一种主要的通信媒介。本文使用德州仪器Wi-Fi嵌入式芯片CC3000，它可以给电子设备提供Internet连接能力。这款芯片包含完整的TCP/IP通信栈和Wi-Fi驱动，支持标准的socket编程。采用FirstTimeConfig技术，这能够轻松地对接入点进行配置，而无需显示屏或用户界面，非常适合嵌入式应用。在802.11g工作模式下，传输电流消耗为190 mA，接收电流消耗为92 mA。对CC3000的外围电路进行如图3所示的设计，只保留了SPI通信接口和UART调试接口。

　　所有上层应用函数通过HCI抽象层与SPI接口通信。CC3000第一次配置指当最终的产品还没有输入输出能力时，第一次配置提供了一种方法穿件一个外形，这些设置都存储在CC3000的EEPROM中，第一次配置的基本流程如图4所示。

　　信标里的prefix值一般设置为TTT，外部设备发送带有信标的探头，里面包括要连接的AP的SSID和密码。CC3000接收并解释探头后，将AP的连接信息写入EEP-

　　ROM，以后自动连入该AP。当连接指定AP超时，CC3000便再进入智能模式[7]，它是CC3000独有的AP配置信息模式,可以使用任何带Wi-Fi的设备配置CC3000连接到AP。这便于客户重新配置Wi-Fi的连接。

　　2.4 蓝牙模块

　　蓝牙模块[8]中的芯片使用的是CSR公司的BC41714，集成蓝牙串行数据透传(SPP)，波特率最高可达1.384 Mb/s，正常工作时电流为20 mA，模块采用标准UART接口通信。使用之前通过AT指令进行配置。本文配置蓝牙为从设备模式，波特率为38.4 kb/s。

　　2.5 电源供应

　　采用输出3.7 V的锂电池作为电源的供应。电池可以通过USB线进行充电。

3 控制程序实现

　　软件控制程序是分层模块化实现的，这样使得添加新的硬件不至于对软件进行大规模改动。底层驱动程序是由ST公司提供的一个完整的STM32设备固件库。该库提供了STM32所有外设的底层驱动函数，开发人员可以不需要自己编写驱动函数而在这些底层函数的基础上编写应用程序。CC3000使用官方提供Hostdriver驱动库，该驱动提供芯片配置以及芯片联网的所有操作函数库。上层应用层包括数据处理、系统配置等模块。STM32通过SPI初始化CC3000和RF射频模块。配置nRF24L01+为接收模式，自动应答,每次传输32 B数据。为了确保数据接收与发送的同步操作，CC3000的数据包也设置为32 B。因为针对的是远程采集，工作站的IP地址一般是固定的，因此配置CC3000为服务端的工作模式。适配器工作时，从RF的SPI口读取到的数据先存到存储缓冲器中。然后由STM32根据选择的模式，通过检测连接到GPIO口的开关状态进判断。针对安卓手机采集选择蓝牙模式，这样能节省转发器的功耗，针对远程连接选择Wi-Fi模式。转发器的工作流程如图5所示。

4 接收程序

　　4.1 蓝牙工作模式

　　如今，智能手机有足够的处理和存储能力来完成图像数据的处理。智能手机可以使用蓝牙或Wi-Fi来接收这些数据。为了省电，本文使用带蓝牙的Android手机接收图像数据。Android是一个开源移动操作系统，它有一个强大的基于java框架的软件开发包，Android里的Bitmap类[9]是Android系统中的图像处理的最重要类之一。用它可以获取图像文件信息，进行图像相关处理。使用蓝牙模式，首先应由手机完成设备的配对。配对完后发送采集命令。连接后的设备主要通过蓝牙Socket通信。从手机Socket口获取的图像数据流通过Android里的Bitmap类处理生成JPEG图像并显示。添加SD权限，把图像写进SD卡中。图6是拍摄到的图片，可成功传输到手机上保存并显示。

　　4.2 Wi-Fi工作模式

　　在Wi-Fi工作模式下，CC3000利用Wi-Fi直接与工作站建立TCP连接。使用QTcp-Server来建立带有端口的socket服务器并监听所有连接。其中服务器和CC3000处于同一局域网。图像启动采集时，CC3000通过指定服务器的IP和端口号连接服务器。accept()方法得到响应后，服务器端和客户端就形成了一对互相连接的Socket。经CMOS图像传感器JPEG压缩得到的数据仅包括SOI（标记码0XFFD8）、有效图像数据、EOI（0XFFD9），为了得到完整JPEG图像，需要在SOI后插入缺失的标记段。生成的图片保存在工作站硬盘上，调用自主的胶囊内窥镜图片分析系统进行显示，结果如图7所示。

5 实验与分析

　　胶囊内窥镜使用nRF24L01+发送图像数据。转发器处理接收到的数据，根据不同的模式，分别使用蓝牙和Wi-Fi进行转发图像数据。图6和图7是两种模式的实验结果。实验结果表明，该转发器能够稳定转发胶囊内窥镜图片。不同组件的平均功耗如图8所示。可以见到，最为耗电的是CC3000。Wi-Fi模式下总的耗电量为200 mA，在2 000 mAh的锂电源的工作环境下，能工作10 h。由于胶囊内窥镜一般工作8 h左右，这已足够胶囊内窥镜的应用。