摘要：提出一種支持體溫與脈搏監(jiān)測的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。采用傳感器終端、無線路由器和基站3類基于JN5139微控制器的節(jié)點設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)定時收集現(xiàn)場測得的多路體溫和脈搏參數(shù)，利用計算機(jī)進(jìn)行集中存儲和管理。該系統(tǒng)具有精度高、連通性好、可擴(kuò)展性強、功耗低等特點。

引言

　　體溫和脈搏是反映人體健康狀況的重要生理指標(biāo)，對病人的這些生理指標(biāo)進(jìn)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(luò)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；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；ZigBee作為建立在IEEE 802．15．4通信標(biāo)準(zhǔn)之上的低速無線個域網(wǎng)(Low-Rate Wireless Personal Net-work，LR-WPAN)協(xié)議規(guī)范，構(gòu)成的系統(tǒng)具有復(fù)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(yīng)用研究的熱點。

　　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(luò)系統(tǒng)，可通過網(wǎng)絡(luò)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(jī)進(jìn)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(kuò)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(shè)備，以自組織方式構(gòu)成ZigBee網(wǎng)狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，如圖l所示。傳感器終端負(fù)責(zé)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。基站借助上位監(jiān)控軟件對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和顯示，并可根據(jù)用戶需要顯示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)，設(shè)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。

2 節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

　　2．1 JN5139無線微控制器

　　ZigBee節(jié)點設(shè)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(shè)備類(Coordin-ator、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(shè)備硬件設(shè)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、2．4GHz IEEE 802．15．4射頻收發(fā)器、192 KB ROM、96 KBRAM，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 MHz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(yīng)的外設(shè)、協(xié)議棧和應(yīng)用代碼，便可實現(xiàn)不同類型的ZigBee節(jié)點設(shè)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(fù)位元件R1及C1、狀態(tài)指示燈D1和程序下載接口j1。上電復(fù)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(jìn)入編程狀態(tài)，通過串口0下載PC機(jī)上的最新代碼，并將其寫入串行Flash。

　　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DI01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R-T關(guān)系表及分段線性化公式得到相應(yīng)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)光敏三極管光一電轉(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(jìn)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)。

　　2．3 無線路由器和基站

　　無線路由器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，本身并不承擔(dān)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，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(shè)。

　　基站采用上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的下位機(jī)為JN5139最小系統(tǒng)，上位機(jī)采用PC機(jī)，兩者通過異步串口進(jìn)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盲流電源供電。

3 應(yīng)用程序設(shè)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(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用框架系統(tǒng)中簡單屬性值的傳輸，MSG則更適用于一般應(yīng)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：

　　3．2 地址模式

　　每個ZigBee節(jié)點均具有唯一的64位MAC地址。網(wǎng)絡(luò)建立以后，所有加入到網(wǎng)絡(luò)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(rèn)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(luò)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(fù)載的一部分，隨MSG幀一同傳到基站�；�站需事先對傳感器終端進(jìn)行注冊，為每個MAC地址建立相應(yīng)的標(biāo)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(shè)備具有相類似的程序結(jié)構(gòu)，均通過非搶占式簡單任務(wù)調(diào)度器BOS來控制ZigBee協(xié)議棧和用戶任務(wù)的執(zhí)行，任務(wù)之間利用事件進(jìn)行通信。ZigBee協(xié)議棧負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組織與維護(hù)、路由選擇、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ鳎�而網(wǎng)絡(luò)初始化設(shè)置、數(shù)據(jù)發(fā)送控制、接收處

　　理等工作則依靠各設(shè)備的用戶任務(wù)來完成。

　　傳感器終端的軟件流程如圖5所示。

　　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(yīng)用程序的設(shè)計以及代碼的生成與下載。

　　基站上位監(jiān)控軟件采用C++Builder6．O開發(fā)，部分功能(如LCD數(shù)碼顯示、二進(jìn)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(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)來的二進(jìn)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(jìn)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(shè)備注冊信息、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息和體溫脈搏信息，各數(shù)據(jù)表通過設(shè)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(luò)拓?fù)鋱D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(jìn)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(hù)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)。

　　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，體溫測量精度為土0．1℃(32．0～43．0℃范圍內(nèi))，脈搏測量精度為±5 bpm(40～220bpm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(luò)結(jié)構(gòu)。節(jié)點正常供電情況下，網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(jī)進(jìn)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(dá)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(shè)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(luò)技術(shù)，并以JN5139無線微控制器構(gòu)建3類節(jié)點設(shè)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(biāo)的采集，以及進(jìn)一步驗證更大規(guī)模監(jiān)測系統(tǒng)的實用性。

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