基于ZIGBEE技術(shù)的病人血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、基于ZigBee技術(shù)的病人血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要作為醫(yī)學(xué)治療的一個(gè)重要組成部分,醫(yī)療監(jiān)護(hù)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)治療領(lǐng)域越來(lái)越受到重視。醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀器目前可分為兩類:一類是指在醫(yī)院內(nèi)由職業(yè)醫(yī)生或?qū)I(yè)技術(shù)人員使用的專門儀器,對(duì)病人進(jìn)行生理指標(biāo)的監(jiān)護(hù);另一類是在普通人員的家庭內(nèi)或者戶外,在醫(yī)生的指導(dǎo)下,由患者本人或其家屬使用遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)護(hù),所得生理指標(biāo)將及時(shí)傳送給相關(guān)醫(yī)生。目前,醫(yī)院所使用的監(jiān)護(hù)系統(tǒng),大多是建立在線纜連接的基礎(chǔ)上,往往體積和功耗大,不便于攜帶,且要求在患者身邊使用,限制了患者和醫(yī)護(hù)人員的行動(dòng),增加了他們的負(fù)擔(dān)和風(fēng)險(xiǎn),已經(jīng)越來(lái)越不適應(yīng)當(dāng)今實(shí)時(shí)、連續(xù)、長(zhǎng)時(shí)間地監(jiān)測(cè)患者重要生命特征參數(shù)的醫(yī)療

2、監(jiān)護(hù)需求,為了更好地對(duì)病人進(jìn)行準(zhǔn)確地、人性化地進(jìn)行醫(yī)療監(jiān)護(hù),人們開(kāi)始越來(lái)越多地關(guān)注無(wú)線醫(yī)療監(jiān)測(cè)技術(shù)。遠(yuǎn)程醫(yī)療主要應(yīng)用在臨床會(huì)診、檢查、診斷、監(jiān)護(hù)、指導(dǎo)治療、醫(yī)學(xué)研究、交流、醫(yī)學(xué)教育和手術(shù)觀摩等方面。在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天, 它已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)交流中一道亮麗的風(fēng)景線。血壓是醫(yī)護(hù)人員評(píng)估病人身心狀況的基本資料,為診斷治療提供重要依據(jù)?；赯igBee技術(shù)的病人血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在醫(yī)療監(jiān)護(hù)領(lǐng)域中有著重要的作用。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)病人血壓的無(wú)線監(jiān)測(cè)。醫(yī)護(hù)人員能更好、方便地了解病人的身心狀態(tài),對(duì)醫(yī)療診斷提供了方便。關(guān)鍵詞:ZigBee技術(shù),血壓監(jiān)測(cè),傳感器,CC2430芯片ZigBee technology bas

3、ed on the blood pressure of a patientmonitoring system designAbstractAs a medical treatment is an important part of modern medical treatment, medical care in the field has been paid more and more attention. Medical monitoring instrument can be categorized into two types: A class is defined in the ho

4、spital by occupation doctor or professional and technical personnel using specialized equipment, the patient physiological index monitoring;Another kind is in the general staff within the family or outdoor, under the guidance of a doctor, by the patients themselves or their families using the remote

5、 medical monitoring system for monitoring, the physiological indexes will be transmitted to the doctor. At present, used by hospital care system, mostly based on cable connection,often the volume and large power consumption, not easy to carry, and requests in patients using, limits the patient and m

6、edical personnel actions, has increased their burden and risk, already more and more did not adapt this real-time, continuous, long time to monitor the patients vital characteristic parameters of the medical care demand, in order to better for the patient to accurately, humanly medical care, more an

7、d more people began to pay close attention to wireless medical monitoring technology. Telemedicine is mainly applied in the clinical consultation, examination, diagnosis, treatment, care, medical research, communication, medical education and operation and so on.The rapid development in information

8、technology today, it has become a medical exchange in a beautiful landscape.Blood pressure is the medical evaluation of patients physical and mental status of basic information, provide important basis for diagnosis and treatment.The ZigBee technology based on patient blood pressure monitoring syste

9、m in medical treatment plays an important role in. The system can realize the wireless monitoring of blood pressure in patients with. Health care professionals can better understand the patient conveniently, and providesconvenience for medical diagnosis.Key words:ZigBee technology, monitoring of blo

10、od pressure, sensor, CC2430 chip目錄摘要. I Abstract. II 前言. (11 血壓的測(cè)量方法及其原理 (21.1 血壓的基本概念 (21.2 收縮壓和舒張壓 (21.3 影響血壓的因數(shù) (21.4 血壓的測(cè)量方法分類及其原理 (22 方案論正 (62.1 對(duì)本次設(shè)計(jì)的介紹 (62.2 ZigBee技術(shù)概述 (72.3 設(shè)計(jì)方案論證 (73 血壓測(cè)量模塊的硬件電路和軟件的設(shè)計(jì)和電源模塊設(shè)計(jì) (113.2 傳感器簡(jiǎn)介及電路設(shè)計(jì) (11圖3.3壓力傳感器內(nèi)部原理圖 (133.3 血壓測(cè)量的流程 (153.4 電源模塊 (163.5 氣泵電路 (194 通信

11、模塊電路和軟件設(shè)計(jì) (214.1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)介 (214.2 ZigBee 技術(shù) (214.3 TI 的ZigBee 單芯片CC2430 簡(jiǎn)介及其電路 (26結(jié)論 (30參考文獻(xiàn) (31致謝 (32附錄 (33前言在現(xiàn)代疾病譜上,高血壓的危害無(wú)疑高居前幾位。對(duì)于上了年紀(jì)的人,血壓是一個(gè)重要的健康信號(hào)。隨著生活水平的提高,時(shí)下老年人對(duì)自己的血壓越來(lái)越關(guān)注。高血壓是世界最常見(jiàn)的心血管疾病,也是最大的流行病之一,它的危害非常的巨大,據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示,我國(guó)現(xiàn)有的高血壓患者已達(dá)一億,并且每年新增人數(shù)在300萬(wàn)以上。從高血壓目前的危害來(lái)看,高血壓病已然成為了人類的頭號(hào)隱形殺手病。高血壓病不但是長(zhǎng)期

12、危害人體健康的一種慢性病,而且它還是引起腦中風(fēng)、冠心病、心肌梗死、心力衰竭、腎衰等疾病的禍?zhǔn)?因此被人們稱為“無(wú)形殺手”。高血壓對(duì)人體的損害是全身性的,也是造成死亡的惡魔,直接威脅著人的生命,所以,對(duì)高血壓這個(gè)無(wú)形殺手,我們不可掉以輕心。本次設(shè)計(jì)的目的主要是讓醫(yī)護(hù)人員利用ZigBee的無(wú)線傳輸技術(shù),實(shí)時(shí)對(duì)病人的血壓進(jìn)行監(jiān)測(cè),以免病人因血壓過(guò)高而得不到及時(shí)的處理發(fā)生意外事故。通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)病人生命體征的監(jiān)測(cè),這對(duì)于醫(yī)護(hù)人員來(lái)說(shuō),這項(xiàng)技術(shù)能給他們提供很大的方便,他們可以實(shí)時(shí)對(duì)病人進(jìn)行監(jiān)護(hù),實(shí)時(shí)了解病人的情況。而高血壓患者也可以自己隨時(shí)隨地測(cè)量自己的血壓,了解到自身病情,能有效避免血壓

13、過(guò)高而導(dǎo)致不能及時(shí)救治時(shí)發(fā)生的意外事故。這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)療事業(yè)上,對(duì)醫(yī)護(hù)人員和病人來(lái)說(shuō),都給他們帶來(lái)了便利。本次設(shè)計(jì)需要解決的問(wèn)題主要是怎么樣實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程,即無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器之間傳輸關(guān)系的建立。建立端點(diǎn)和路由器之間的通信關(guān)系,對(duì)本次設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)極其重要。1 血壓的測(cè)量方法及其原理1.1 血壓的基本概念從心臟送出的血液對(duì)血管壁產(chǎn)生的壓力值的大小稱為血壓(一般指的是動(dòng)脈血管內(nèi)的壓力。血壓值的計(jì)量單位是mmHg或KPa(毫米汞柱或千帕斯卡。1.2 收縮壓和舒張壓體循環(huán)動(dòng)脈血壓簡(jiǎn)稱血壓(blood pressure,BP。血壓是血液在血管內(nèi)流動(dòng)時(shí),作用于血管壁的壓力,它是推動(dòng)血液在血管

14、內(nèi)流動(dòng)的動(dòng)力。心室收縮,血液從心室流入動(dòng)脈,此時(shí)血液對(duì)動(dòng)脈的壓力最高,稱為收縮壓(systolic blood pressure,SBP。心室舒張,動(dòng)脈血管彈性回縮,血液仍慢慢繼續(xù)向前流動(dòng),但血壓下降,此時(shí)的壓力稱為舒張壓(diastolic blood pressure,DBP。1.3 影響血壓的因數(shù)1.身高:身體越高,心臟便需要更大壓力去泵出血液,令血液能流遍全身。2.年齡:年紀(jì)越輕,新陳代謝率越高,血流量較大,心臟需要較大壓力泵血,隨著年齡增長(zhǎng)。3.血黏度(血液密度:血液越黏稠,心臟需要越大壓力泵出血液。4.姿勢(shì):站立時(shí)血壓高于坐姿血壓,而坐姿時(shí)的血壓又高于平躺時(shí)之血壓。因受重力原理影響

15、。5.血管質(zhì)素:血管如果變窄,血液較難通過(guò),心臟便需要更大壓力泵出血液。6.其他:精神狀態(tài)、生活節(jié)奏、個(gè)人差異、飲食習(xí)慣、藥物、遺傳、天氣變化等等。1.4 血壓的測(cè)量方法分類及其原理要治療高血壓病,首先是要測(cè)量準(zhǔn)確的血壓值。測(cè)量血壓的儀器稱為血壓計(jì),血壓計(jì)的測(cè)量原理可分為直接測(cè)量法和間接測(cè)量法兩種。直接測(cè)量法又叫有創(chuàng)測(cè)量法,也就是通過(guò)穿刺在血管內(nèi)放置導(dǎo)管后測(cè)得的血壓,比如在做心臟介入診斷及治療時(shí)就要監(jiān)測(cè)患者的有創(chuàng)血壓。用有創(chuàng)方法直接測(cè)量血壓。因所測(cè)部位不同,方法各異,也不能完全反映人體的血壓。間接測(cè)量法又叫無(wú)創(chuàng)測(cè)量法,也就是不通過(guò)穿刺在血管內(nèi)放置導(dǎo)管后而是通過(guò)間接測(cè)得的血壓。間接測(cè)量法又分為聽(tīng)

16、診法和示波法。1聽(tīng)診法聽(tīng)診法又叫柯氏音法,也分為人工柯氏音法和電子柯氏音法。人工柯氏音法也就是我們通常所見(jiàn)到的醫(yī)生、護(hù)士用壓力表與聽(tīng)診器進(jìn)行測(cè)量血壓的方法;電子柯氏音法則是用電子技術(shù)代替醫(yī)生、護(hù)士的柯氏音測(cè)量方法。目前聽(tīng)診法測(cè)量血壓所用的血壓計(jì)由氣球、袖帶和檢壓計(jì)三部分組成。2示波法示波法又稱為壓力振蕩法,其工作過(guò)程是先將袖帶充氣以阻斷動(dòng)脈血流,然后在放氣過(guò)程中檢測(cè)袖帶內(nèi)的氣體壓力并提取微弱的脈搏波。即利用袖帶阻斷動(dòng)脈血流, 在慢速放氣過(guò)程中檢測(cè)源于血管壁的搏動(dòng)振蕩波包跡, 并找出包跡與動(dòng)脈血壓之間的固有關(guān)系, 進(jìn)而達(dá)到測(cè)量血壓的目的1。在測(cè)量血壓時(shí), 氣袖中的壓力因放氣而下降的同時(shí), 還存在

17、著一種規(guī)律的振蕩, 稱為脈搏波, 其波形如圖1 所示。 從圖中可以看出, 整個(gè)測(cè)量過(guò)程脈搏波的變化分為4 個(gè)階段:( 1 當(dāng)袖帶壓( 靜壓 大于收縮壓( SP 時(shí), 一般差值在2.67 4.00kPa( 2030 mmHg , 動(dòng)脈被壓迫關(guān)閉, 此時(shí)因近端脈搏的沖擊而呈現(xiàn)細(xì)小的振蕩波;( 2 當(dāng)靜壓接近SP 時(shí), 波幅增大;( 3 靜壓等于平均壓(MP 時(shí), 動(dòng)脈壁處于去負(fù)荷狀態(tài), 波幅達(dá)到最大值;(4 靜壓小于MP 時(shí), 波幅逐漸減小, 靜壓小于舒張壓(DP 后, 動(dòng)脈管腔在舒張期已充分?jǐn)U張, 管腔剛性增加, 這時(shí)波幅維持在較低水平。平均壓表示心臟在整個(gè)心動(dòng)過(guò)程中給予動(dòng)脈血液的灌注壓力。已經(jīng)

18、證明, 血壓振蕩信號(hào)最大值與平均壓有較好的對(duì)應(yīng)性, 因此常用最大波幅來(lái)確定平均血壓值2。圖中波形幅度最大處所對(duì)應(yīng)的袖帶壓力為平均壓, 可直接測(cè)量, 而收縮壓( SP 和舒張壓(DP 卻不能直接測(cè)得, 它由各種血壓算法得到。如圖1所示,當(dāng)袖帶壓力P遠(yuǎn)高于收縮壓時(shí),脈搏波消失,隨著袖帶壓力下降,脈搏開(kāi)始出現(xiàn)。當(dāng)袖帶壓力從高于收縮壓降到收縮壓SP以下時(shí),脈搏波會(huì)突然增大,在平均壓MP 時(shí)幅值達(dá)到最大。然后脈搏波又隨袖帶壓力下降而衰減。示波法血壓測(cè)量就是根據(jù)脈搏波幅度與袖帶壓力之間的關(guān)系來(lái)估計(jì)血壓的。脈搏波最大值對(duì)應(yīng)的是平均壓,收縮壓SP 和舒張壓DP 分別由對(duì)應(yīng)脈搏波最大幅值的比例來(lái)確定。收縮壓判據(jù)

19、的確定:在充氣過(guò)程中脈搏波幅度包絡(luò)線的上升段,當(dāng)某一個(gè)脈搏波的幅度Ui與最大幅度Um 之比Ui /Um =Ks 時(shí),就認(rèn)為此時(shí)對(duì)應(yīng)的氣袖壓力為收縮壓。即Ps=Ui=KsUm 。舒張壓判據(jù)的確定:在脈搏波幅度包絡(luò)線的下降段,當(dāng)某一個(gè)脈搏波的幅度Ui與最大幅度Um 之比Ui/Um =Kd 時(shí),就認(rèn)為此時(shí)對(duì)應(yīng)的氣袖壓力為舒張壓。即Pd=PUi=KdUm 。收縮壓和舒張壓的經(jīng)驗(yàn)判別準(zhǔn)則, 可分為2 類, 一類是歸一化準(zhǔn)則, 另一類是突變點(diǎn)準(zhǔn)則。歸一化準(zhǔn)則是通過(guò)將振動(dòng)信號(hào)的幅值與信號(hào)的最大幅值相比,進(jìn)行歸一處理, 進(jìn)而識(shí)別收縮壓和舒張壓。其中最常用的方法是幅度系數(shù)法, 利用壓力波幅的最大值與收縮壓和舒張

20、壓的比例關(guān)系進(jìn)行判定, 即:A(SP/A(MP = !1( !1 取值為0.3 0.75 , A(DP/A(MP = !2 ( !2 取值為0.45 0.90 。這種方法被證明最為簡(jiǎn)潔有效, 具有較強(qiáng)的抗干擾性和個(gè)體適應(yīng)性, 易于在以微處理器為核心的電子血壓計(jì)或各類監(jiān)護(hù)儀中實(shí)現(xiàn)。突變點(diǎn)準(zhǔn)則認(rèn)為, 收縮壓和舒張壓對(duì)應(yīng)振動(dòng)波幅度發(fā)生突變的點(diǎn), 即要識(shí)別振蕩波包絡(luò)的拐點(diǎn)3。此方法要求建立一定的數(shù)學(xué)模型, 利用復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn), 在儀器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中有一定的困難。臨床上長(zhǎng)期以來(lái)采用柯式音法測(cè)量無(wú)創(chuàng)血壓, 其中人工柯式音法( 聽(tīng)診法 尤其為醫(yī)務(wù)人員和患者普遍接受?？率揭舴ㄊ抢寐?tīng)到或測(cè)量到的柯式音來(lái)判斷

21、血壓值。而電子血壓計(jì)中廣泛采用的振蕩法在慢速放氣過(guò)程中, 檢測(cè)的不是柯氏音, 而是源于血管壁的搏動(dòng)壓力4。與電子柯氏音法比較, 它省去了1 個(gè)脈搏拾音監(jiān)測(cè)單元, 避開(kāi)了外界聲音振動(dòng)的干擾, 重復(fù)性較好; 與人工柯氏音法相比, 它在一定程度上克服了測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)( 人工柯氏音法的測(cè)量時(shí)間為50 60 s, 而振蕩法為25 30 s , 受醫(yī)務(wù)人員經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)和外界環(huán)境干擾的影響大, 一致性差的缺點(diǎn)。振蕩波能準(zhǔn)確地測(cè)出平均壓, 且有一致性較好, 節(jié)省人力, 受人為因素影響小的優(yōu)點(diǎn), 正日益得到國(guó)內(nèi)外的認(rèn)可。間接法測(cè)量?jī)x器有汞柱血壓計(jì)6、隨機(jī)零點(diǎn)血壓計(jì)、彈簧表式血壓計(jì)、自動(dòng)電子血壓計(jì)、間歇式長(zhǎng)時(shí)間血壓測(cè)量

22、計(jì)、皮膚小動(dòng)脈血壓測(cè)定計(jì)等。這些血壓計(jì)都是根據(jù)不同需要而設(shè)計(jì)的,如隨機(jī)零點(diǎn)血壓計(jì)是為克服目測(cè)等人為誤差而較準(zhǔn)確地研究血壓變化時(shí)應(yīng)用;間歇式長(zhǎng)時(shí)間血壓測(cè)量計(jì)則是用來(lái)連續(xù)24小時(shí)監(jiān)測(cè)血壓變化的;皮膚小動(dòng)脈血壓測(cè)定計(jì)是為幼兒、嬰兒、新生兒而設(shè)計(jì)的;由于智能化的發(fā)展,電子血壓計(jì)可自動(dòng)向充氣袖帶內(nèi)充氣及顯示血壓值的讀數(shù)。指套式電子血壓計(jì)只需將一個(gè)指套戴在手指上,就可自動(dòng)測(cè)量血壓,更為方便。需要注意的是,這些自動(dòng)電子血壓計(jì)測(cè)得的血壓值可能與汞柱式血壓計(jì)測(cè)得的血壓值有一定差數(shù),應(yīng)預(yù)先進(jìn)行校驗(yàn),并記住這一差數(shù)。2 方案論正2.1 對(duì)本次設(shè)計(jì)的介紹近年來(lái),工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線等網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自

23、動(dòng)化領(lǐng)域,而無(wú)線通信取代傳統(tǒng)的通信手段將成為自動(dòng)化系統(tǒng)通信的一個(gè)重要方向,由此產(chǎn)生了基于無(wú)線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的全新概念。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)5在軍事、工業(yè)、環(huán)境等領(lǐng)域有著廣泛而巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值,尤其是在環(huán)境惡劣、人類無(wú)法到達(dá)的應(yīng)用中有著不可替代的作用。鑒于它的巨大應(yīng)用價(jià)值,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的學(xué)術(shù)和應(yīng)用研究快速發(fā)展起來(lái)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN是由大量密集的微型智能傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中監(jiān)控對(duì)象的信息并發(fā)送給觀察者。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)地分布于一定的監(jiān)控區(qū)域,每個(gè)節(jié)點(diǎn)具備

24、信號(hào)的采集、處理、節(jié)點(diǎn)間的通信和路由等功能,節(jié)點(diǎn)內(nèi)置的嵌入式軟件能夠?qū)崿F(xiàn)通信鏈路的保存和管理,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的組織和路由等功能?；诂F(xiàn)代傳感器技術(shù),無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種信息,如:地震、電磁場(chǎng)、溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)、壓力、土壤成分、速度等信息,并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)指定范圍內(nèi)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有時(shí)效性好、抗毀性強(qiáng)、獲取信息精度高、部署靈活性強(qiáng)、可靠性高、成本低等特點(diǎn),在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工農(nóng)業(yè)控制、智能家居、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生及空間探索等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。而本次設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的病人血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)以無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)

25、為基礎(chǔ),通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)把檢測(cè)到的病人血壓值傳輸給醫(yī)護(hù)人員的一個(gè)醫(yī)療產(chǎn)品。本產(chǎn)品重量輕,便攜,可放入病人隨身衣服的口袋中。無(wú)水銀,增強(qiáng)環(huán)保意識(shí),避免醫(yī)療水銀污染事故。而且是一臺(tái)使用操作非常簡(jiǎn)單的儀器,真正做到老少皆會(huì)。該產(chǎn)品通過(guò)傳感器測(cè)得血壓值,再將血壓數(shù)據(jù)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),把數(shù)字信號(hào)發(fā)送到微型控制器中即CC2430芯片中,CC2430芯片通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù)把信息發(fā)送到醫(yī)療中心,醫(yī)護(hù)人員就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)病人的血壓監(jiān)測(cè)。在使用本產(chǎn)品時(shí)應(yīng)掌握正確的方法。第一,袖帶位置須與心臟高度保持一致,上臂自然下垂,肘和前臂自然地搭在桌子上,手心向上,不要把整個(gè)胳膊平伸在高于心臟位置的桌子上,或用墊

26、子將胳膊墊得過(guò)高;第二,每天要在固定時(shí)間和同樣狀態(tài)下,以相同的姿勢(shì)測(cè)量血壓;第三,應(yīng)該在安靜的狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量前安靜休息1020分鐘,深呼吸23次;第四,飯后或運(yùn)動(dòng)后至少休息一小時(shí)再進(jìn)行測(cè)量;第五,不要在浴后、吸煙、飲酒、喝咖啡后測(cè)血壓;第六,要在沒(méi)有尿意時(shí)測(cè)血壓。第七,測(cè)量時(shí)應(yīng)保持心情舒暢,沒(méi)有疲勞感,不緊張。2.2 ZigBee技術(shù)概述2.3 設(shè)計(jì)方案論證目前電子血壓計(jì)主要有手動(dòng)式數(shù)字電子血壓計(jì)和全自動(dòng)電子數(shù)字血壓計(jì)。所謂手動(dòng)式數(shù)字電子血壓計(jì)是指要自己往氣袋中打氣,測(cè)量過(guò)程則是自動(dòng)的,因此這種血壓計(jì)也稱半自動(dòng)電子血壓計(jì)。另一類是全自動(dòng)電子數(shù)字血壓計(jì),它無(wú)需捏橡膠球充氣加壓,只需要按動(dòng)開(kāi)

27、關(guān)鍵,一切就都可以自動(dòng)完成。它又分為臂式、腕式和指式三種。由于指式自動(dòng)血壓計(jì)的準(zhǔn)確性還需繼續(xù)加強(qiáng),所以目前市場(chǎng)上出售的主要是前兩種產(chǎn)品。但是不管是那種血壓計(jì),它都只是供人們測(cè)量自己的血壓而已。病人測(cè)量得到的血壓值無(wú)法及時(shí)讓醫(yī)護(hù)人員知道,不能及時(shí)的了解他們的病情。如果在這些血壓計(jì)中加入無(wú)線通信技術(shù),我們就可以把測(cè)量得到的血壓數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送給醫(yī)護(hù)人員。而目前市場(chǎng)上的無(wú)線通信技術(shù)很多,如WI-FI技術(shù),藍(lán)牙技術(shù),手機(jī)通信技術(shù),ZigBee技術(shù)等。而我們選用ZigBee的無(wú)線通信技術(shù),是因?yàn)閆igBee一種低速率無(wú)線個(gè)域網(wǎng),是一種新興的低復(fù)雜度、低功耗、低成本的短距離無(wú)線通信新技術(shù),該技術(shù)主要針對(duì)低速率

28、無(wú)線傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì),它可以在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。ZigBee技術(shù)更適合應(yīng)用于醫(yī)療事業(yè),更符合消費(fèi)者的需求。這項(xiàng)技術(shù)在眾多無(wú)線通信技術(shù)中也許不是最好的,也不一定是成本最低的,而且實(shí)驗(yàn)剛好有ZigBee模塊,不用需要在花錢買其他的無(wú)線通信的模塊,這樣可以節(jié)約一點(diǎn)設(shè)計(jì)的成本。所以綜合各種因素,利用ZigBee技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)通信是符合這次的設(shè)計(jì)要求的,所以我們選用了ZigBee技術(shù)模塊作為本次設(shè)計(jì)的通信模塊。振蕩法測(cè)量血壓實(shí)現(xiàn)起來(lái)較容易得多,因?yàn)檫x用柯式音法測(cè)量血壓的話,很多不利的因數(shù)會(huì)影響到血壓測(cè)量的結(jié)果,如測(cè)量環(huán)境噪音的干擾、醫(yī)護(hù)人員對(duì)柯音的判斷不一致等。所以本次設(shè)計(jì)選用振

29、蕩法作為血壓的測(cè)量的基礎(chǔ)。該智能型血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是傳感技術(shù)和微控制器技術(shù)的結(jié)合體,它的結(jié)構(gòu)應(yīng)該能保證感應(yīng)血流壓力大小:2判別高壓和低壓:3測(cè)量數(shù)據(jù)的讀取:4完成四項(xiàng)基本任務(wù):測(cè)量數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。感受血流壓力離不了傳感器,民用電子血壓計(jì)中所應(yīng)用的壓力傳感器必須是高性能低成本的,靈敏度要高,測(cè)量范圍倒不需要很大。在各種傳感器中有一類是利用壓電效應(yīng)的,還有一種人工合成的被稱為PVDF的壓電薄膜,它是柔軟的塑料。其次就是能根據(jù)血壓變動(dòng)及時(shí)抓住高、低壓的微處理器。而測(cè)量數(shù)據(jù)的發(fā)送應(yīng)該滿足實(shí)時(shí)性的要求。該智能血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以數(shù)字壓力傳感器ASDX 001為測(cè)量器件,傳感器把采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后,轉(zhuǎn)換成數(shù)

30、字信號(hào)輸出。以TI公司生產(chǎn)的CC2430芯片為控制核心,傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)送到控制芯片中,控制芯片把數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送到協(xié)調(diào)器模塊去,即構(gòu)成了血壓測(cè)量和無(wú)線發(fā)送的裝置,如圖2.3所示。 圖2.3 血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案框圖在壓力測(cè)量氣囊的幫助下,采用的壓力傳感器可以準(zhǔn)確的感應(yīng)到壓力值,然后將這個(gè)物理量轉(zhuǎn)換成電壓的訊號(hào),電壓訊號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路放大后,再將這個(gè)電壓訊號(hào)傳入控制核心CC2430芯片。最后,在CC2430芯片的控制下,系統(tǒng)將血壓值準(zhǔn)確的傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器上去。整個(gè)過(guò)程,從理論上來(lái)講,是正確的;從現(xiàn)有條件上來(lái)講,也是完全可以做到的。因此,這種方案都是完全可行的。該方案利弊分析:.該方案用到的各

31、種電氣元件價(jià)格都比較適宜,而且CC2430包含一個(gè)增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8位8051微控制器內(nèi)核,運(yùn)行時(shí)鐘32MHz。由于更快的執(zhí)行時(shí)間和通過(guò)除去被浪費(fèi)掉的總線狀態(tài)的方式,使得使用標(biāo)準(zhǔn)8051指令集的CC2430增強(qiáng)型8051內(nèi)核,具有8倍的標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核的性能。我們所開(kāi)設(shè)的課程,主要是通用的51系列單片機(jī),這樣對(duì)于我們來(lái)說(shuō)編寫(xiě)程序代碼時(shí)比較方便。.查閱大量的資料后,發(fā)現(xiàn)使用ZigBee技術(shù)來(lái)做這個(gè)設(shè)計(jì)課題,對(duì)于我們來(lái)說(shuō)較容易入手,通信協(xié)議棧容易看得懂,而運(yùn)用其他無(wú)線傳輸技術(shù)的也是可行。ZigBee技術(shù)和Wi-Fi技術(shù)相比,Wi-Fi能夠支持的范圍非常有限,用戶只有保持在距離無(wú)線接入點(diǎn)設(shè)備(AP3

32、00英尺的范圍內(nèi)才能實(shí)現(xiàn)高速連接。雖然Wi-Fi擁有很多優(yōu)點(diǎn),但是它存在的安全隱患卻是一個(gè)致命的缺點(diǎn)。Wi-Fi采用的是射頻(RF技術(shù),通過(guò)空氣發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)使用無(wú)線電波傳輸數(shù)據(jù)信號(hào),所以非常容易受到來(lái)自外界的攻擊。而ZigBee技術(shù)用于近距離無(wú)線連接。它有自己的無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn),在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很低的功耗,以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器,因此它們的通信效率非常高。傳輸速度快,響應(yīng)時(shí)間快,功耗更低,傳輸距離在理想環(huán)境下能達(dá)到200米。因此,本次設(shè)計(jì)選用ZigBee技術(shù)作為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)基礎(chǔ),用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離無(wú)

33、線傳輸。3 血壓測(cè)量模塊的硬件電路和軟件的設(shè)計(jì)和電源模塊設(shè)計(jì)根據(jù)氣袖在減壓過(guò)程中,其壓力振蕩波的振幅變化包絡(luò)線來(lái)判定血壓的。目前比較一致的看法是當(dāng)氣袖壓力振蕩波的振幅最大的時(shí)候,氣袖的壓力微是動(dòng)脈的平均壓。動(dòng)脈的收縮壓對(duì)應(yīng)于振幅包絡(luò)線的第一個(gè)拐點(diǎn),舒張壓對(duì)應(yīng)于包絡(luò)線的第二個(gè)拐點(diǎn)。收縮壓判斷的確定:通常采用最大的振幅法,即在放氣過(guò)程中脈搏波振幅度包絡(luò)線的上升段,當(dāng)某一個(gè)脈搏波的幅度Ui與Um之比=Kd時(shí),就認(rèn)為此時(shí)對(duì)應(yīng)的氣袖壓力為收縮壓。Ps=P|Ui=Ks*Um。舒張壓判斷的確定:也是用最大的振幅法來(lái)判定,不過(guò)是在脈搏波振幅包絡(luò)線的下降段,當(dāng)某一個(gè)脈搏波的幅度Ui與Um之比=Kd時(shí),就認(rèn)為此時(shí)

34、對(duì)應(yīng)的氣袖壓力為舒張壓。Pd=P|Ui=Kd*Um。馬達(dá)在充氣時(shí),產(chǎn)生壓力,數(shù)字壓力傳感器ASDX 001感應(yīng)到該壓力值即420mA 的電信號(hào),電信號(hào)輸出經(jīng)放大電路處理放大和濾波電路進(jìn)行濾波后,再把處理過(guò)后的電信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),在CC2430芯片的控制下以串行數(shù)字形式經(jīng)芯片的第12腳(P0-1口讀入。CC2430芯片在程序的控制下,嚴(yán)格按照ASDX 001壓力傳感器的要求的工作時(shí)序進(jìn)行讀寫(xiě)控制,讀入信號(hào)后,對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)運(yùn)算,然后經(jīng)第32(RF-P口,33(TXRX-SWIITCH口,34(RF-N口腳輸出。3.2 傳感器簡(jiǎn)介及電路設(shè)計(jì):ASDX 001屬于微型結(jié)構(gòu)壓力傳感器

35、ASDX DO系列。ASDX系列是Sensym 公司檢定合格的ICT 代表產(chǎn)品的一種增強(qiáng)型品種。也是工業(yè)水平領(lǐng)先的一種SDX系列傳感器增強(qiáng)型。ASDX 001 傳感器的外形尺寸要比SDX稍大,能提供高電平(4.0 V測(cè)量范圍的輸出電壓,價(jià)格便宜。ASDX 001壓力傳感器內(nèi)置專用集成電路(ASIC經(jīng)全面CI校準(zhǔn)并有溫度補(bǔ)償。ASDX 001壓力傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)DIP 封裝,可對(duì)傳感器偏置、靈敏度、溫度系數(shù)和非線性度進(jìn)行數(shù)字校正。ASDX 001采用了IC 兼容性協(xié)議,無(wú)需額外的元件或電子電路,就可容易地連接最常用的微控制器和微處理器。所有ASDX DO 壓力傳感器的精度在滿量程范圍內(nèi)為%2.0

36、。具有可用單一5 Vdc 供電電壓土作的特性。傳感器的設(shè)計(jì)和制造均遵循ISO 9001標(biāo)準(zhǔn)。此系列傳感器可用于非腐蝕性、非電離的工作流體,如空氣和干燥氣體。傳感器的輸出是一個(gè)16進(jìn)制格式的己校正的壓力值,其分辨率為12位。 該壓力傳感器可用于測(cè)量絕壓、差壓和表壓。范圍從0PSI 到100PSI 。單位換算如下:1psi=6.895kPa, 1毫米汞柱(mmHg =133.322帕(Pa 。而人體的極限壓力為55mmHg-160mmHg,此傳感器的測(cè)量范圍完全可以滿足測(cè)量的要求。絕壓型傳感器有一個(gè)內(nèi)部真空參比值(基準(zhǔn)值,因此可直接輸出一個(gè)與絕壓成比例的信號(hào)。差壓型裝置允許在傳感膜片的任一側(cè)施加壓

37、力,可用于表壓和差壓的測(cè)量。 數(shù)字壓力傳感器ASDX 001的結(jié)構(gòu): (1外部結(jié)構(gòu): 圖3.1 ASDX 001外部結(jié)構(gòu)圖(2內(nèi)部結(jié)構(gòu)ASDX 001的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括4部分:多路分配器;模/數(shù)轉(zhuǎn)換器;微控控制;模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。 圖 3.2 ASDX 001內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖傳感器ASDX001內(nèi)部測(cè)量部件為測(cè)量應(yīng)變式電阻電橋,電阻應(yīng)變式壓力傳感器,通過(guò)粘結(jié)在彈性元件上的應(yīng)變片的阻值變化來(lái)測(cè)量壓力值的。壓阻式傳感器的靈敏系數(shù)大,分辨率高。頻率響應(yīng)高,體積小。它主要用于測(cè)量壓力、加速度和載荷等參數(shù)。不平衡電橋的工作方式為通過(guò)不平衡電橋把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電流或電壓信號(hào)的輸出。壓力傳感器內(nèi)部原理圖如圖3.3所

38、示。紅線、供橋端、1腳 綠線、輸出端、2腳白線、輸出端、3腳黑線、供橋端、4腳連接 方式圖3.3壓力傳感器內(nèi)部原理圖壓阻式傳感器內(nèi)的電阻的壓阻效應(yīng)為:RR = 1+ +。測(cè)量電路形式分為恒壓和恒流。對(duì)于恒壓源: ,電橋輸出電壓與R / R 成正比,輸出電壓受環(huán)境溫度的影響。對(duì)于恒流源: ,電橋輸出電壓與R 成正比,環(huán)境溫度的變化對(duì)其沒(méi)有影響。測(cè)量原理:膜片兩邊存在壓力差時(shí),膜片產(chǎn)生變形,膜片上各點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力。四個(gè)電阻在應(yīng)力作用下,阻值發(fā)生變化,電橋失去平衡, 輸出相應(yīng)的電壓,電壓與膜片兩邊/(0t R R R U U +=R I U =0的壓力差成正比。1. 恒流源供電電橋 圖3.4 假設(shè)R,電

39、橋的輸出為:T 電橋的輸出電壓與電阻變化成正比,與恒流源電流成正比,但與溫度無(wú)關(guān),因此測(cè)量不受溫度的影響。測(cè)量得到的U大小就為測(cè)量的壓力的電信號(hào)。測(cè)量得到的電信號(hào)輸入到多路分配器,在到A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。ASDX 001的外圍引腳共有8個(gè),其中5個(gè)為空腳。工作電壓為正5伏。由+Vs腳引入正5V電壓,Vout為數(shù)據(jù)輸出腳,將所測(cè)量得到的數(shù)字電壓信號(hào)傳送到CC2430芯片的12腳,ASDX 001的地腳為GND腳,接地。因此,這個(gè)電路連接十分簡(jiǎn)單,只需要將傳感器的輸出腳Vout連接到CC2430芯片的12腳上即可。如圖所示: 圖3.5 傳感器ASDX001電路3.3 血壓測(cè)量的流程血壓測(cè)

40、量的軟件流程如下圖所示: 圖3.6 血壓測(cè)量的軟件流程第 16 頁(yè)3.4 電源模塊便攜式電子產(chǎn)品市場(chǎng)中電池的使用時(shí)間是一項(xiàng)非常重要的指標(biāo),要想發(fā)揮電池的最大工作效率,電源電力管理設(shè)計(jì)顯得十分重要。傳統(tǒng)的電池電源設(shè)計(jì)存在低電壓供電難供電時(shí)間不長(zhǎng)輸出的電壓紋波較大,在開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)轉(zhuǎn)換效率低下,電流消耗大等弊端。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用TI公司出產(chǎn)的TPS60210轉(zhuǎn)化器來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓3.3V穩(wěn)定輸出。其芯片的功能特點(diǎn)為:待機(jī)模式下最大2 mA的輸出電流。可從兩節(jié)AA電池或AAA電池(鎳鎘鎳氫或堿性電池等標(biāo)準(zhǔn)電源中或一節(jié)初級(jí)LiMO2電池( 1.83.6 V輸入電壓中得到3.3 V、 100mA的供電電壓。采用

41、推挽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),輸出電壓紋波峰峰值低于30 mV。內(nèi)置電池電壓監(jiān)視器。開(kāi)關(guān)頻率可與外部時(shí)鐘頻率同步。轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90% , 2 A靜態(tài)工作電流大大地延長(zhǎng)了電池使用壽命。無(wú)電感器件應(yīng)用的低EMI特性。小型MSOP10封裝,很少的外接元件。TI 公司最新的功能強(qiáng)大的升壓型充電泵TPS60210 轉(zhuǎn)換器旨在實(shí)現(xiàn)一種高效低成本簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的低EMI 特性的電池電源供給解決方案該控制器可與DSP 平臺(tái)接口并且能夠?qū)晒?jié)電池或者1.8 V 的內(nèi)核電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V 的穩(wěn)定輸出其功能。如圖3.7所示。 圖3.7 TPS60210芯片TPS60210采用MSOP10封裝,引腳排列如圖3.7所示,各引腳功能如下:

42、1 腳LBI:低電池電壓監(jiān)視輸入端,可通過(guò)把LBI接至GND屏蔽此功能;2 腳GND:接地腳;3腳C1-:外接電容C1負(fù)端;4腳C1+:外接電容C1正端;5腳OUT:3.3V輸出電壓,濾波電容C out必須接在OUT和GND之間;6腳C2+ :外接電容C2正端;7腳IN:供電電壓,旁路電容C in必須接在IN和GND之間;8腳C2-:外接電容C2負(fù)端;9腳: 高、低電平以及與外部時(shí)鐘信號(hào)相連時(shí)設(shè)定三種不同的工作模式;10腳LBO:低電池監(jiān)視。當(dāng)LBI端電壓低于1.18V電壓閾值時(shí),低電池電壓警告信號(hào)產(chǎn)生。TPS60210主要由振蕩器、參考電壓、誤差放大器、大電流MOSFET開(kāi)關(guān)管、內(nèi)部電阻反饋

43、回路、關(guān)斷及軟啟動(dòng)、控制回路等組成。特點(diǎn)為:1待機(jī)模式下最大2 mA 的輸出電流2可從兩節(jié)AA 電池或AAA 電池鎳鎘鎳氫或堿性電池等標(biāo)準(zhǔn)電源中或一節(jié)初級(jí)LiMO2電池1.83.6 V 輸入電壓中得到3.3 V 100 mA的供電電壓3采用推挽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)輸出電壓紋波峰峰值低于30 mV4內(nèi)置電池電壓監(jiān)視器5開(kāi)關(guān)頻率可與外部時(shí)鐘頻率同步6轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90% 2 mA 靜態(tài)工作電流大大地延長(zhǎng)了電池使用壽命7無(wú)電感器件應(yīng)用的低EMI 特性8小型MSOP 10 封裝很少的外接元件TPS60210為典型的推挽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。兩路電荷泵工作在推挽模式,它們之間的相位差是180,每路單獨(dú)的電荷泵在半個(gè)周期里對(duì)其外接

44、電容C1或C2充電,在另半個(gè)周期里供給負(fù)載電流以及對(duì)輸出電容C0充電,使輸出電壓升高。當(dāng)一個(gè)電荷泵在充電相位 內(nèi)對(duì)其外接電容充電時(shí),另一個(gè)電荷泵在傳遞相位內(nèi)供給負(fù)載電流以及對(duì)輸出電容C0充電,這種模式可以確保在一個(gè)完整的循環(huán)周期里有連續(xù)的電流流向負(fù)載。因此輸出電容C0不再需要在每半個(gè)周期里緩沖負(fù)載電流,從而避免了常規(guī)充電泵電路固有的高輸出電壓紋波。TPS60210可以通過(guò)對(duì)設(shè)置成待機(jī)模式;接入高電平時(shí)處于正常工作模式,如果負(fù)載電流低于7mA的電流閾值時(shí),進(jìn)入脈沖跳躍模式,如果負(fù)載電流大于約7mA的電流閾值時(shí),進(jìn)入連續(xù)頻率模式,使輸出電壓穩(wěn)定。TPS60210芯片是一塊電源管理芯片,其目的就是把

45、兩節(jié)干電池的3V電壓升為3.3V,為CC2430芯片供電,起到穩(wěn)定電壓的重要作用。TPS60210芯片的5腳輸出值為3.3V電壓,5腳接到CC2430芯片的第41、47、13、20、23腳。如圖3.8所示。 圖3.8 供電電路 3.5 氣泵電路泄氣速率以PWM(Pulse Width Modulation 脈寬調(diào)變方式控制,MCU將依據(jù)壓力值之泄氣變化調(diào)整泄氣速率在規(guī)格范圍內(nèi)。C121與C212做為穩(wěn)定電源與濾波作用,減少PWM控制避免電源變動(dòng)造成電壓不穩(wěn)。具體工作方式:當(dāng)充氣到200KPA時(shí),開(kāi)始漏氣,由IC發(fā)出一個(gè)信號(hào)給第13腳,經(jīng)R3流過(guò)到Q2使Q2導(dǎo)通,輸出一個(gè)2.7V的電壓給V1,使

46、V1開(kāi)始工作,D2保護(hù)Q2和V1的正常工作而設(shè)計(jì)。如圖3.9所示: 圖3.9線性閥PWM控制電路 PUMP control訊號(hào)控制PUMP動(dòng)作,R4為限流電阻。具體工作方式:由CC2430芯片的14腳輸出一個(gè)低電平約(0.6V信號(hào)給R4,經(jīng)Q5導(dǎo)通,VBT為Q5提供3.3V的電壓,Q5導(dǎo)通輸出一個(gè)3.3V的電壓經(jīng)PUMP,使PUMP導(dǎo)通。D3為保護(hù)二極管,使PUMP 能穩(wěn)定工作。如圖3.10所示: 圖3.10充氣PUMP控制電路 4 通信模塊電路和軟件設(shè)計(jì)4.1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)介無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的AdHoc 網(wǎng)絡(luò), 網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)密集、數(shù)量巨大且部署在十分廣泛的區(qū)域; 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變

47、化, 網(wǎng)絡(luò)具有自組織和調(diào)整的特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)成本低體積小、能量極其有限。目前發(fā)展前景最大的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于IEEE802. 15.4 標(biāo)準(zhǔn)的Zigbee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。Zigbee 是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù), 它是一種介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)方案, 主要用于近距離無(wú)線連接。它依據(jù)802. 15. 4 標(biāo)準(zhǔn), 在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間實(shí)現(xiàn)了相互協(xié)調(diào)和通信。4.2 ZigBee 技術(shù)相關(guān)鄰近節(jié)點(diǎn)信息、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)等功能,支持星形、樹(shù)形、網(wǎng)格等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。ZigBee 的安全層提供了循環(huán)冗余校驗(yàn)、訪問(wèn)控制列表、AES-128 加密等安全保護(hù)

48、措施,保證網(wǎng)絡(luò)中的便攜設(shè)備不會(huì)意外泄漏其標(biāo)識(shí)以及其它節(jié)點(diǎn)不會(huì)俘獲傳輸中的信息。ZigBee 的應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee 網(wǎng)絡(luò)上,主要包括安全與鑒權(quán)、多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會(huì)聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)和業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)等。 圖4.1 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)從網(wǎng)絡(luò)配置來(lái)講,ZigBee 網(wǎng)絡(luò)有三種類型的節(jié)點(diǎn):協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)9。ZigBee 協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中可以作為匯聚節(jié)點(diǎn),它必須是FFD,一個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn),它功能強(qiáng)大,是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)發(fā)起建立新的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、管理網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)以及存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)信息等,網(wǎng)絡(luò)形成后也可以執(zhí)行路由器的功能,協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)一

49、般由交流電源持續(xù)供電。ZigBee 路由節(jié)點(diǎn)也必須是FFD,它可以參與路由發(fā)現(xiàn)、消息轉(zhuǎn)發(fā)、通過(guò)連接別的節(jié)點(diǎn)來(lái)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍等。此外,路由節(jié)點(diǎn)還可以在它的個(gè)人操作空間中充當(dāng)普通協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn),普通協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)不同,它仍然受協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的控制。ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)可以是FFD 或者RFD,它通過(guò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)或者路由節(jié)點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò),但不允許其它任何節(jié)點(diǎn)通過(guò)它加入網(wǎng)絡(luò),終端節(jié)點(diǎn)能以非常低的功率運(yùn)行。 如圖4.2 所示,ZigBee 主要支持三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):星形、樹(shù)形和網(wǎng)格形10。星形拓?fù)涫怯梢粋€(gè)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成的,協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)絡(luò)的中心,負(fù)責(zé)發(fā)起建立和維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò),其它的節(jié)點(diǎn)一般為RFD,分布在

50、協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi),直接與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。星形網(wǎng)的控制和同步都比較簡(jiǎn)單,通常用于節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少的場(chǎng)合;網(wǎng)格拓?fù)湟话阌扇舾蓚€(gè)FFD 連接在一起組成骨干網(wǎng),它們之間是完全的對(duì)等通信,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點(diǎn)通信,但它們中也有一個(gè)會(huì)被推薦為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn),骨干網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)還可以連接FFD 或RFD 組成以它為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的子網(wǎng)。網(wǎng)格拓?fù)涫且环N高可靠性網(wǎng)絡(luò),具有自恢復(fù)能力,它可為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包提供多條路徑,一旦一條路徑出現(xiàn)故障,則存在另一條或多條路徑可供選擇,但正是由于兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在多條路徑,它也是一種“高冗余”的網(wǎng)絡(luò);樹(shù)形拓?fù)洳捎么貥?shù)路由傳輸數(shù)據(jù)和控制信息,枝干末端的葉子節(jié)點(diǎn)一般為RFD。每個(gè)簇首

51、向與它相連的葉子節(jié)點(diǎn)提供同步服務(wù),這些簇首又受協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的控制,協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)比網(wǎng)絡(luò)中的其它簇首具有更強(qiáng)大的處理能力和存儲(chǔ)空間。樹(shù)形拓?fù)涞囊粋€(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較大,但隨著覆蓋范圍的增大,信息的傳輸時(shí)延增大,而且同步復(fù)雜。 圖4.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類型而本次設(shè)計(jì)中采用的通信方式為星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),這樣使用起來(lái)可以在設(shè)計(jì)中省略了無(wú)線路由器的建立。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)流程如圖4.3所示,當(dāng)FFD協(xié)調(diào)器設(shè)備被激活后,首先進(jìn)行對(duì)物理層所默認(rèn)的有效信道進(jìn)行能量掃描,以檢測(cè)可能存在的網(wǎng)絡(luò)重疊以及PAN ID沖突的干 擾。并對(duì)檢測(cè)到的信道按能量值進(jìn)行排序。然后執(zhí)行主動(dòng)掃描過(guò)程以選擇唯一的16位PAN ID,建立自己的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)一

52、個(gè)新網(wǎng)絡(luò)被建立后,ZigBee路由器與終端設(shè)備就可以加入到該網(wǎng)絡(luò)中了。 圖4.3 協(xié)調(diào)器組網(wǎng)流程圖 新網(wǎng)絡(luò)建立后,所有其它節(jié)點(diǎn)(FFD或RFD均可作為網(wǎng)絡(luò)中的子節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求,尋找其通信范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)。如果找到網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)根據(jù)所獲取的網(wǎng)絡(luò)信息選擇一個(gè)父節(jié)點(diǎn)提出入網(wǎng)請(qǐng)求,并等待父節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求響應(yīng)。父節(jié)點(diǎn)接到一個(gè)入網(wǎng)申請(qǐng)后,將根據(jù)請(qǐng)求信息做出是否允許加入網(wǎng)絡(luò)的判斷,若允許加入,則父節(jié)點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求響應(yīng),通知子節(jié)點(diǎn)。子節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求響應(yīng)后,將得到一個(gè)父節(jié)點(diǎn)分配給它的一個(gè)16位網(wǎng)絡(luò)地址作為在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的唯一身份標(biāo)識(shí),至此節(jié)點(diǎn)成功加入該網(wǎng)絡(luò)。這樣通過(guò)一級(jí)級(jí)的網(wǎng)絡(luò)地址分配,網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)將組成一定形式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

53、本文的實(shí)驗(yàn)是以ASDX001壓力傳感器采集的血壓作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),以此來(lái)驗(yàn)證本系統(tǒng)的可行性,因此以壓力采集節(jié)點(diǎn)為例,介紹星型網(wǎng)絡(luò)的組建與各節(jié)點(diǎn)間通信的實(shí)現(xiàn)。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)置時(shí),使用Chipcon公司提供的開(kāi)發(fā)套件對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過(guò)NLMENETWORKFORMATIONrequest原語(yǔ)來(lái)組建一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò):網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器上電后,首先初始化協(xié)議棧,然后網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)發(fā)送MLMESCAN原語(yǔ)到.request MAC層對(duì)各個(gè)候選信道的峰值能量進(jìn)行檢測(cè)掃描,檢測(cè)結(jié)果通過(guò)MLMESCANconfirm原語(yǔ)返回,協(xié)調(diào)器利用這一信息選擇合適的信道。選擇合適的信道后,則建立一個(gè)自己的網(wǎng)絡(luò)并選擇一個(gè)唯一的標(biāo)示符(P

54、AN標(biāo)識(shí)符,并通過(guò)MLME 原語(yǔ)將這個(gè)值寫(xiě)為層的屬性。一旦選定了P: _SETrequestMAC macPANid標(biāo)識(shí)符,就說(shuō)明已經(jīng)建立了網(wǎng)絡(luò),此時(shí)網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體向MAC 層發(fā)出MLMESTART原語(yǔ)開(kāi)始運(yùn)行新的網(wǎng)絡(luò),此后即可允許壓力采集節(jié)點(diǎn)的request。ZigBee設(shè)備與其連接,接受它們傳輸?shù)母鞴?jié)點(diǎn)的壓力值,并將其傳輸給PC機(jī)進(jìn)行處理。壓力采集節(jié)點(diǎn)上電后,首先其應(yīng)用層向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送NLMENETWORKDISCOVERY原語(yǔ),原語(yǔ)中包括需要掃描的信道參數(shù)和掃描時(shí)間參數(shù),網(wǎng)絡(luò)層收到原語(yǔ)后,向MAC層發(fā)送MLMESCAN 原語(yǔ)請(qǐng)求層執(zhí)行主動(dòng)掃描。MAC層在掃描過(guò)程中一旦接收到有效長(zhǎng)度不為零的

55、信標(biāo),將向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送MLMEBEACONNOTYFYindication原語(yǔ),網(wǎng)絡(luò)層接收到原語(yǔ)后向應(yīng)用層發(fā)送NLMENETWORK DISCOVEIWconfirm原語(yǔ),接收到該原語(yǔ)后,應(yīng)用層即得到了當(dāng)前鄰近的網(wǎng)絡(luò)情況,選擇一個(gè)網(wǎng)絡(luò)加入。然后發(fā)送NLMEJOIN原語(yǔ),設(shè)置欲加入的網(wǎng)絡(luò)PAN標(biāo)識(shí)符參數(shù),接著網(wǎng)絡(luò)層向MAC層發(fā)送MLMEASSOCIATE.request原語(yǔ)用于連接網(wǎng)絡(luò),如果連接成功,網(wǎng)絡(luò)層將收到MLMEASSOCIATEconfirm原語(yǔ)確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)連接成功,并把新連接的設(shè)備增加到鄰接表中,接著網(wǎng)絡(luò)層向應(yīng)用層發(fā)送MLMEJOIN confirm原語(yǔ), 子設(shè)備成功加入網(wǎng)絡(luò)。壓力采集節(jié)點(diǎn)

56、加入網(wǎng)絡(luò)成功后,它即通過(guò)協(xié)調(diào)器發(fā)送的信標(biāo)與協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)同步工作,開(kāi)始按周期采集本處的壓力值,并將測(cè)量值傳送給協(xié)調(diào)器。其流程如圖4.5所示。 圖4.5 加入網(wǎng)絡(luò)流程圖4.3 TI 的ZigBee 單芯片CC2430 簡(jiǎn)介及其電路: 件以0.18 微米CMOS工藝制成,性能穩(wěn)定且功耗極低。另外,TI 還提供了配套CC2430 的免費(fèi)使用的ZigBee 協(xié)議棧軟件z-stack,進(jìn)一步減低了開(kāi)發(fā)難度。總之,CC2430 是專門針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的射頻通信芯片,能夠很好的滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求。CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片(SoCCMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM波段應(yīng)用,及對(duì)低成本,低功耗的要求。在單個(gè)芯片上整合了ZigBee 射頻(RF前端、內(nèi)存和微控制器。它使用 1個(gè)8位MCU(8051,具有32/64/128 KB可編程閃存和8 KB的RAM,還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC、幾個(gè)定時(shí)器(Timer、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器(Watchdog Timer、32 kHz 晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路 (Power O