?

　　基于ZigBee PRO無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以SoC芯片CC2530為核心控制元件，采用脈搏傳感器、溫度傳感器等傳感技術(shù)，設(shè)計了一個無線實時監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。實現(xiàn)了人體的體溫、脈率以及脈搏信號等生理參數(shù)的采集、實時定位等功能，采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)護(hù)系統(tǒng)終端。

　　1 ZigBee PRO技術(shù)及其優(yōu)勢

　　ZigBee PRO在網(wǎng)絡(luò)可靠性、網(wǎng)絡(luò)容量以及抗干擾性等多方面均有所改善。設(shè)計的目標(biāo)是商業(yè)和工業(yè)環(huán)境，支持大型網(wǎng)絡(luò)，1000個以上網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

　　1.1 隨機(jī)地址分配機(jī)制

　　ZigBee PRO用隨機(jī)地址分配機(jī)制取代了原有的樹地址分配機(jī)制，使其更加適合于大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。隨機(jī)地址分配機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)地址是隨機(jī)選取配置的，并通過不斷監(jiān)控和達(dá)到“管理”流量將地址沖突挑選出來。因此，所有節(jié)點的位置與其在整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲袑嶋H相對位置完全沒有關(guān)系，并且不需要事先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分布情況配置最多路由器節(jié)點、最長深度等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

　　1.2 路由算法改進(jìn)

　　ZigBee PRO新增了一對多路由、多對一路由和源節(jié)點路由。在無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，如果每個節(jié)點鄙做到一對一路由，將產(chǎn)生大量的廣播信息，容易造成網(wǎng)絡(luò)堵塞和路由表中的路由信息溢出。多對一路由，就是一個單一的廣播傳輸形成所有設(shè)備到發(fā)送廣播的設(shè)備的反向路由，可解決上述問題，并能快速地建立路由路徑。

　　1.3 頻率跳變

　　ZigBee協(xié)議通常工作在ISM 2.4G頻段，該頻段常用于工業(yè)、科學(xué)與醫(yī)療，如Wi-Fi和Bluetooth，因此數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力十分重要。ZigBee PRO具有頻率跳變的功能，當(dāng)受到外界的強(qiáng)干擾時會自動搜索一條新的空閑信道，然后將整個網(wǎng)絡(luò)快速且無縫地轉(zhuǎn)移到該信道上運行。

　　1.4 數(shù)據(jù)包分割/重組傳輸機(jī)制

　　ZigBee的PHY層定義的最大數(shù)據(jù)包長度為127字節(jié)，除去各協(xié)議層的幀頭開銷，實際一幀的有效數(shù)據(jù)載荷一般不超過90個字節(jié)。在無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，終端沒備每次發(fā)送的數(shù)據(jù)量達(dá)到幾百字節(jié)，ZigBee PRO提供的數(shù)據(jù)包分割/重組傳輸機(jī)制解決了大數(shù)據(jù)包的問題。發(fā)送節(jié)點自動將大數(shù)據(jù)包分割成小數(shù)據(jù)包后進(jìn)行傳輸，接收節(jié)點后再將小數(shù)據(jù)包重組還原成大數(shù)據(jù)包。

　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

　　2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)采用ZigBee PRO協(xié)議構(gòu)成網(wǎng)狀網(wǎng)，具有很高的傳輸可靠性和自修復(fù)能力。無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，并通過USB與監(jiān)護(hù)終端進(jìn)行雙向通信;路由器負(fù)責(zé)最佳路由路徑的搜尋以及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，并協(xié)助終端設(shè)備進(jìn)行定位;終端設(shè)備佩戴在被監(jiān)護(hù)人身上，負(fù)責(zé)生理參數(shù)和定位信息的采集，只具備數(shù)據(jù)發(fā)送而無轉(zhuǎn)發(fā)功能。

?

　　2.2 終端設(shè)備電路框圖

　　本系統(tǒng)的硬件電路包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。其中，協(xié)調(diào)器和路由器的電路大部分相同，只是協(xié)調(diào)器增加了USB轉(zhuǎn)UART的模塊。終端設(shè)備電路框圖如圖2所示。

?

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　3.1 協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計

　　協(xié)調(diào)器的功能相當(dāng)于網(wǎng)關(guān)，在本系統(tǒng)中負(fù)責(zé)收集終端設(shè)備的生理和定位信息，然后通過USB傳送到與之相連的監(jiān)護(hù)終端。協(xié)調(diào)器的主控芯片CC2530的主要外圍電路參考TI公司給出的設(shè)計方案，天線采用50Ω鞭狀天線。

?

　　USB轉(zhuǎn)UART電路如圖3所示。其中，引腳RXD和TXD分別連接到CC2530的端口P0.2和P0.3。同時，需要設(shè)置CC2530的寄存器PERCFG.U0CFG位為1，將USART0的RX和TX選擇到位置1，即P0.2和P0.3。C1、C2、C3和C4為濾波電容。

　　3.2 終端設(shè)備硬件設(shè)計

　　3.2.1 射頻電路

　　由于終端設(shè)備佩戴在被監(jiān)護(hù)者身上，體積應(yīng)盡量最小化，所以射頻電路的設(shè)計不適合采用與協(xié)調(diào)器、路由器相同的鞭狀天線和阻抗匹配電路。本系統(tǒng)中終端設(shè)備的射頻電路如圖4所示。2450BMl5A0002是一個集成的阻抗匹配——巴侖——低通濾波器(Matched-Balun-Low Pass Filter)，體積只有2.0 mm×1.25 mm×0.7mm。在設(shè)計電路時，CC2530的引腳RF_P和RF_N到匹配平衡器的連線必須是對稱的，即具有同樣的長度和寬度，并且連線應(yīng)盡可能短，否則將會降低射頻的輸出功率。2450BM15A0002電路的電容C1、電感L1和L2構(gòu)成陶瓷天線的匹配電路，使得射頻電路在頻率為2.4GHz左右時，回波損耗達(dá)到最小值-18.5dB。

?

　　3.2.2 電源穩(wěn)壓電路

　　終端設(shè)備使用3 V的紐扣電池作為供電電源。為了保證CC2530的工作電壓穩(wěn)定，采用具有超低操作電流的3.3 V穩(wěn)壓芯片TPS60212進(jìn)行控制。電源穩(wěn)壓電路如圖5所示。輸入電壓范圍為1.6～3.6 V，輸出穩(wěn)定的3.3 V工作電壓。CC2530的P1_2引腳用于設(shè)置TPS60212的工作模式，當(dāng)設(shè)備進(jìn)入睡眠狀態(tài)時，置P1_2為0，使穩(wěn)壓芯片也進(jìn)入睡眠模式，此時穩(wěn)壓電路輸出電壓仍為3.3 V，而工作電流僅為2 mA。LBI和LBO引腳分別為低電壓檢測的輸入和輸出端。當(dāng)輸入電壓低于1.6V時，LBO的輸出由高電平轉(zhuǎn)為低電平，進(jìn)行低電壓報警。

?

　　3.2.3 體溫采集電路

　　體溫采集電路如圖6所示。溫度傳感器采用NTC熱敏電阻MF52E-103F3950FA，標(biāo)稱阻值10 kΩ，允許偏差±1%，具有測量精度高、體積小以及反應(yīng)靈敏的特點，在圖6中用Rth表示。非平衡電橋的設(shè)計，可以降低電壓信號不穩(wěn)定等原因帶來的誤差。為提高測量精度，電阻R1、R2和R3需要選擇精度為1%的阻值。電壓差信號接到CC2530的ADC差分輸入通道P0_0和P0_1進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。為了降低功耗，使用CC2530的引腳P1_4控制體溫采集電路的開關(guān)。

?

　　3.2.4 脈率采集電路

　　人體脈象信號具有阻抗高、信號弱、頻率低等特點，而且處于嚴(yán)重的背景噪聲之中。基于這些特殊性，設(shè)計的脈率采集電路由傳感器、濾波電路、放大電路以及比較電路4部分組成，如圖7所示。根據(jù)脈搏測量原理，壓力式脈搏傳感器用于感測靜壓力和脈搏波的混合信號，并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號。本系統(tǒng)采用PVDF壓電薄膜式壓力傳感器。電阻R1、R2和電容C1、C2構(gòu)成有源二階低通濾波器，截止頻率為10 Hz，可有效濾除50Hz 工頻干擾信號。放大和比較電路采用一個芯片TLV2702實現(xiàn)，該芯片集成了一個運算放大器和一個推拉比較器，可節(jié)省PCB空間。其中，R4/R3決定增益為100倍，比較器的基準(zhǔn)電壓設(shè)為570mV。為了進(jìn)一步降低功耗，使用CC2530的引腳P1_1選通電路。

?

　　3.2.5 脈搏波采集電路

　　脈搏波的波形特征與心血管疾病有著密切的關(guān)系。因此，脈搏波采集電路的輸出信號應(yīng)盡可能保持4個主要的脈搏波特征點(主波、潮波、重搏波峰以及重搏波谷)不失真。本系統(tǒng)采用HK-2000B+型脈搏傳感器，該傳感器的主要特點是：靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)。并且，傳感器電路模塊集成了信號放大、信號調(diào)理、幅度調(diào)整以及基線調(diào)整等電路。因此，輸出的脈搏模擬信號可直接接到CC2530的A/D轉(zhuǎn)換通道。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括上位機(jī)(監(jiān)護(hù)系統(tǒng)終端)和下位機(jī)(ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò))設(shè)計兩部分。下位機(jī)軟件基于TI公司最新的ZStack-CC25 30-2.4.0-1.4.0協(xié)議棧，使得組網(wǎng)相對更為穩(wěn)定可靠。下位機(jī)的軟件包括3個部分：協(xié)調(diào)器軟件、路由器軟件以及終端設(shè)備軟件。

　　4.1 協(xié)調(diào)器與路由器軟件設(shè)計

　　協(xié)調(diào)器軟件處理流程如圖8所示。協(xié)調(diào)器一方面要處理各個節(jié)點發(fā)送過來的有效數(shù)據(jù)，包括節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址、有效數(shù)據(jù)長度、串ID、定位坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及生理參數(shù)等，另一方面要處理并轉(zhuǎn)發(fā)PC機(jī)發(fā)送給節(jié)點的數(shù)據(jù)包命令，如終端節(jié)點查找請求以及路由器坐標(biāo)配置等。

?

　　路由器是一種已知靜態(tài)節(jié)點，其坐標(biāo)位置是固定的，可以提供坐標(biāo)和RSSI值的信息包給終端設(shè)備。路由器軟件處理流程如圖9所示。

?

　　4.2 終端設(shè)備軟件設(shè)計

　　終端設(shè)備的軟件設(shè)計主要包括電源管理、體溫采集、脈率采集、脈搏波采集以及定位實現(xiàn)。為了降低終端設(shè)備的功耗，采用休眠一喚醒的機(jī)制。每隔10 s自動采集一次生理參數(shù)和定位信息，采集成功后通過CC2530的控制引腳關(guān)閉生理參數(shù)采集模塊。然后發(fā)送數(shù)據(jù)包給監(jiān)護(hù)系統(tǒng)終端，并使設(shè)備進(jìn)入休眠，等待下一次采集事件的喚醒。終端設(shè)備軟件處理流程如圖10所示。

　　4.2.1 體溫采集程序

　　NTC熱敏電阻的特性方程為：

?

　　式中，RT和R0分別表示NTC在熱力學(xué)溫度為T和T0時的電阻值，單位為Ω;T0和T分別為介質(zhì)的起始熱力學(xué)溫度和變化熱力學(xué)溫度，單位為K;B稱作B值，NTC熱敏電阻特定的材料常數(shù)。

　　由于B值同樣是隨溫度而變化的，因此這種方法只能以一定的精度描述額定溫度或電阻值附近的有限范圍。基于電阻/溫度關(guān)系表，由圖6體溫采集電路可得輸出電壓值V和NTC阻值的關(guān)系為：

?

　　式中，Vrel為ADC基準(zhǔn)電壓，選擇為CC2530的AVDD5引腳值;ADC的分辨率設(shè)置為12位。結(jié)合式(2)，可得到各溫度點對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量為：

?

　　程序中，首先根據(jù)式(3)和電阻/溫度關(guān)系，制定ADC值一溫度轉(zhuǎn)換表，為接下來的數(shù)據(jù)處理提供參考依據(jù)。體溫采集流程如圖11所示。其中，采用折半查找法可以提高查表的效率，基于分段的線性捅值是用直線段來擬合溫度曲線。在處理中，分段越細(xì)，擬合的曲線就越接近實際的溫度曲線，精度也就越高。

?

　　4.2.2 脈率采集程序

　　采用CC2530的16位定時器1的通道2進(jìn)行脈率的采集，設(shè)置為輸入捕獲模式，上升沿觸發(fā)。同時，需要設(shè)置寄存器CLKCONCMD和T1CTL，使得定時器1的計數(shù)頻率為最小的1 953.125 Hz，避免計數(shù)器溢出。每次脈率信號的上升沿到來時，都將觸發(fā)一個捕獲事件，16位計數(shù)器的內(nèi)容將被捕獲到相關(guān)的捕獲寄存器T1CC2L和T1CC2H中。將兩個連續(xù)的脈率信號對應(yīng)的捕獲寄存器值相減，獲得脈率信號的時間間隔，再轉(zhuǎn)換為脈率。為了減小外部干擾造成的誤差，程序中連續(xù)采集3次脈率，然后剔除奇異值，最終計算出平均脈率值。

　　4.2.3 脈搏波采集程序

　　為了采集到連續(xù)的脈搏波形，使用ADC的序列轉(zhuǎn)換模式以及最高的12位分辨率。采樣周期由定時器1的通道0控制，根據(jù)所需的采樣周期設(shè)置定時器1的定時時間，每隔這個時間，定時器1的通道0就會觸發(fā)一次A/D采樣。本文中設(shè)置定時時間為5 ms，即采樣頻率為200 Hz。為了提高CC2530的工作效率，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果采用DMA傳輸，每完成一個序列轉(zhuǎn)換，ADC都將產(chǎn)生一個DMA觸發(fā)。設(shè)置系統(tǒng)在兩個相鄰的采樣間隔內(nèi)處于休眠狀態(tài)，等待定時器1觸發(fā)一次序列A/D轉(zhuǎn)換并進(jìn)行相關(guān)操作，處理完后又再次進(jìn)入休眠。

　　4.2.4 定位實現(xiàn)

　　設(shè)計中采用非基于距離的算法，利用固定點定位，終端設(shè)備首先發(fā)出請求坐標(biāo)的廣播信息，然后將收到最大LQI值的那個路由節(jié)點的位置坐標(biāo)，作為終端設(shè)備的位置。經(jīng)測試，使用該方法定位可靠，定位性能穩(wěn)定，適合于室內(nèi)定位。但是，也應(yīng)該注意到，該定位法精度較低，如果想提高定位精度，必須提高路由節(jié)點的密度，這不利于控制監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的成本。

　　結(jié)語

　　本文設(shè)計了一種基于ZigBee PRO和CC2530的無線多生理參數(shù)實時監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有組網(wǎng)靈活、網(wǎng)路容量大、測量實時準(zhǔn)確以及可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點。它可以作為一個解決方案應(yīng)用于社區(qū)、養(yǎng)老院或福利院等的日常監(jiān)護(hù)中。