石建國,馬云輝

(電子科技大學中山學院,中山 528402)

引 言

體溫和脈搏是反映人體健康狀況的重要生理指標,對病人的這些生理指標進行連續(xù)監(jiān)測,可為疾病的正確診療提供重要依據(jù)。隨著傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展,基于無線傳感器網(wǎng)絡的生命體征監(jiān)測系統(tǒng)受到越來越多的關(guān)注。其中,基于普通射頻芯片和自定義傳輸協(xié)議的系統(tǒng)具有實現(xiàn)簡單和成本較低的優(yōu)點,缺點是可靠性較低、通用性較差[1-2];基于Bluetooth協(xié)議的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸率較高,但作用距離短,功耗高,組網(wǎng)能力弱[3-4];ZigBee作為建立在IEEE 802.15.4通信標準之上的低速無線個域網(wǎng)(Low-Rate Wireless Personal Network,LR-WPAN)協(xié)議規(guī)范,構(gòu)成的系統(tǒng)具有復雜度低、功耗低、可靠性高、組網(wǎng)能力強等優(yōu)點,成為本領(lǐng)域應用研究的熱點[5-8]。

本文提出一種支持體溫與脈搏監(jiān)測的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng),可通過網(wǎng)絡定時收集現(xiàn)場測得的多路體溫和脈搏參數(shù),并利用計算機進行集中存儲和管理,提高了病情監(jiān)測的效率和質(zhì)量。該系統(tǒng)具有可靠性高、可擴展性強、功耗低、成本低等優(yōu)點。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)包括傳感器終端、無線路由器和基站共三類節(jié)點設備,以自組織方式構(gòu)成ZigBee網(wǎng)狀無線傳感器網(wǎng)絡,如圖1所示。傳感器終端負責檢測體溫和脈搏,檢測結(jié)果通過各自的父節(jié)點路由器發(fā)送到基站?；窘柚衔槐O(jiān)控軟件對收到的數(shù)據(jù)進行存儲和顯示,并可根據(jù)用戶需要顯示網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)及設備當前狀態(tài),設置采樣周期及報警門限,輸出反映病情變化的記錄報表和歷史曲線。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

2.1 JN5139無線微控制器

ZigBee節(jié)點設備的硬件實現(xiàn)方案主要分為兩大類：一類是將射頻收發(fā)器和微控制器分開,各使用1塊芯片,由用戶根據(jù)設備類型(Coordinator、Router、End Device)和功能分別選型,實現(xiàn)最佳搭配;另一類是將兩者集成在一塊芯片上,可簡化設備硬件設計,提高系統(tǒng)的硬件可靠性。

JN5139是Jennic公司推出的第二代IEEE 802.15.4/ZigBee單片無線微控制器,內(nèi)含 32位 RISC CPU、2.4 GHz IEEE 802.15.4射頻收發(fā)器、192 KB ROM、96 KB RAM,以及豐富的并口、串口、定時器、A/D、D/A 等接口資源。為提高產(chǎn)品電磁兼容性,將JN5139芯片、16 M Hz晶振、128 KB串行Flash存儲器、陶瓷天線等元器件整合成為通用模塊,以其為核心,配以相應的外設、協(xié)議棧和應用代碼,便可實現(xiàn)不同類型的ZigBee節(jié)點設備。

2.2 傳感器終端

如圖2所示,傳感器終端由JN5139最小系統(tǒng)、體溫檢測電路、脈搏檢測電路組成,采用3.6 V鎳氫電池供電。最小系統(tǒng)包括JN5139模塊、復位元件R1及C1、狀態(tài)指示燈D1和程序下載接口J1。上電復位后,JN5139內(nèi)部ROM中的Bootloader自動檢測MISO引腳電平。若為高,則直接將片外串行Flash中的程序代碼加載到片內(nèi)RAM中運行;若為低,則進入編程狀態(tài),通過串口0下載PC機上的最新代碼,并將其寫入串行Flash。

圖2 傳感器終端原理圖

體溫檢測電路由高精度NTC熱敏電阻RT和精密電阻R3～R5構(gòu)成。JN5139通過使DIO1輸出低電平來控制測溫電路工作,利用3個12位A/D轉(zhuǎn)換通道分別測出3個點的電位,求出熱敏電阻的阻值,再利用熱敏電阻RT關(guān)系表及分段線性化公式得到相應的溫度。

脈搏檢測電路包括光電傳感器及其信號調(diào)理電路,如圖3所示。光電傳感器由紅光發(fā)射管D1和光敏三極管Q1構(gòu)成,兩者相對安裝于遮光指套內(nèi)。測量脈搏時,發(fā)射光中的一部分透過指尖,照射到光敏三極管的受光面,透射光強隨脈搏起伏呈現(xiàn)極微小變化,經(jīng)光敏三極管光—電轉(zhuǎn)換后,輸出直流和微弱交流相疊加的混合電壓信號。該信號經(jīng)隔直、低通濾波和放大處理后,成為峰值接近VCC/2的模擬脈搏信號,再由JN5139進行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波和周期判定,最終得到以min為單位的脈率值。為解決個體差異等原因?qū)е旅}搏輸出信號飽和或過小的問題,發(fā)射管的工作電流由JN5139通過D/A轉(zhuǎn)換器自動調(diào)節(jié)。

圖3 脈搏檢測電路

2.3 無線路由器和基站

無線路由器主要負責數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),本身并不承擔數(shù)據(jù)采集任務,因此其硬件僅涉及JN5139最小系統(tǒng)(采用3.6 V直流電源供電),不需額外配置其他外設。

基站采用上、下位機結(jié)構(gòu),如圖4所示。作為網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的下位機為JN5139最小系統(tǒng),上位機采用PC機,兩者通過異步串口進行通信(波特率為115.2 kbps)。圖中JN5139最小系統(tǒng)和MAX232電平轉(zhuǎn)換器均采用 3.6 V直流電源供電。

圖4 基站原理圖

3 應用程序設計

3.1 傳輸幀結(jié)構(gòu)

ZigBee支持KVP和MSG兩種數(shù)據(jù)幀格式,KVP適用于標準應用框架系統(tǒng)中簡單屬性值的傳輸,MSG則更適用于一般應用系統(tǒng)以及需要傳輸批量數(shù)據(jù)的場合。本系統(tǒng)采用MSG傳輸幀,其數(shù)據(jù)定義如下：

監(jiān)測系統(tǒng)支持體溫脈搏數(shù)據(jù)幀、采樣控制幀、新節(jié)點加入指示幀的傳輸,傳輸幀的一般格式如下：

MSG幀長 源節(jié)點MAC地址 幀類型 幀參數(shù)1字節(jié) 8字節(jié) 1字節(jié) N字節(jié)

3.2 地址模式

每個ZigBee節(jié)點均具有唯一的64位M AC地址。網(wǎng)絡建立以后,所有加入到網(wǎng)絡的新節(jié)點都由其父節(jié)點動態(tài)分配一個16位邏輯地址,此后,節(jié)點之間的通信默認使用16位邏輯地址。由于節(jié)點意外斷電、重啟等原因,網(wǎng)絡中可能出現(xiàn)一個節(jié)點在不同時段具有不同邏輯地址,或不同節(jié)點在同一時段使用同一邏輯地址的情形。為確保數(shù)據(jù)源識別的可靠性,將傳感器終端的64位MAC地址也作為MSG幀負載的一部分,隨 MSG幀一同傳到基站。基站需事先對傳感器終端進行注冊,為每個MAC地址建立相應的標識,如住院病人的床位號等。

3.3 軟件流程

基于JN5139的各類ZigBee節(jié)點設備具有相類似的程序結(jié)構(gòu),均通過非搶占式簡單任務調(diào)度器BOS來控制ZigBee協(xié)議棧和用戶任務的執(zhí)行,任務之間利用事件進行通信。ZigBee協(xié)議棧負責網(wǎng)絡組織與維護、路由選擇、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ?而網(wǎng)絡初始化設置、數(shù)據(jù)發(fā)送控制、接收處理等工作則依靠各設備的用戶任務來完成。

傳感器終端的軟件流程如圖5所示。

圖5 傳感器終端的軟件流程

可利用Jennic公司提供的CodeBlocks IDE、C語言編譯器、鏈接器、下載器、IEEE 802.15.4協(xié)議棧、ZigBee協(xié)議棧、芯片驅(qū)動庫、BOS操作系統(tǒng)等開發(fā)工具和軟件資源,完成ZigBee節(jié)點應用程序的設計以及代碼的生成與下載。

基站上位監(jiān)控軟件采用C++Builder 6.0開發(fā),部分功能(如LCD數(shù)碼顯示、二進制串口收發(fā))通過移植Delphi第三方控件實現(xiàn)。監(jiān)控軟件通過串口接收網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器發(fā)來的二進制數(shù)據(jù)幀,按約定的格式提取源節(jié)點MAC地址以及體溫、脈搏等信息,將其存入數(shù)據(jù)表并進行實時顯示和報警判斷。程序中定義了3個數(shù)據(jù)表,分別存儲設備注冊信息、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)信息和體溫脈搏信息,各數(shù)據(jù)表通過設備的MAC地址相互關(guān)聯(lián)。歷史曲線的繪制采用TChart控件,網(wǎng)絡拓撲圖通過TCanvas繪制,顯示刷新周期為1 s。

4 性能測試

在室內(nèi)環(huán)境下對1個基站、5個無線路由器、10個傳感器終端組成的系統(tǒng)進行多次組網(wǎng)實驗和性能測試。圖6為基站上位監(jiān)控軟件實時監(jiān)護窗口的運行界面,該窗口可同時顯示5個傳感器終端采集的最新數(shù)據(jù)。

圖6 實時監(jiān)護窗口運行界面

測試結(jié)果：傳感器終端峰值工作電流為39 mA,休眠狀態(tài)下電流為0.46 mA,體溫測量精度為±0.1℃(32.0～43.0℃范圍內(nèi)),脈搏測量精度為±5 bpm(40～220 bpm范圍內(nèi)),數(shù)據(jù)幀單跳傳輸距離不小于20 m。

測試表明,該系統(tǒng)能在ZigBee協(xié)議的支持下快速組成所期望的網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。節(jié)點正常供電情況下,網(wǎng)絡能長時間保持良好的連通性,各傳感器終端能夠按基站所設定的采樣周期,將測得的體溫和脈搏數(shù)據(jù)經(jīng)路由器傳送到基站,并利用計算機進行存儲、顯示和分析。

實驗中發(fā)現(xiàn),任何一個路由器斷電后再重啟,會造成其下屬傳感器終端無法接收基站下達的采樣控制命令,而數(shù)據(jù)上傳功能卻不受影響。經(jīng)分析,這是由于路由器斷電后其內(nèi)存中的鄰居表信息丟失所致。解決的方法是,在有新節(jié)點加入時將最新的路由器鄰居表信息存入片外串行Flash,并在下次啟動時重新加載到內(nèi)存使用。

結(jié) 語

本文設計的體溫與脈搏監(jiān)測系統(tǒng),采用基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù),并以JN5139無線微控制器構(gòu)建3類節(jié)點設備,以較低的成本實現(xiàn)了體溫、脈搏參數(shù)的分布式無線采集與集中處理,同時具備高精度、高可靠性、低功耗等優(yōu)點。后續(xù)工作包括利用JN5139的接口資源和處理能力支持更多生理指標的采集,以及進一步驗證更大規(guī)模監(jiān)測系統(tǒng)的實用性。

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