人體生理參數(shù)監(jiān)測無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計

1、人體生理參數(shù)監(jiān)測無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計 分類號 :TP273 10710-2021124015碩 士 學 位 論 文人體生理 參數(shù)監(jiān)測 無線傳輸 系統(tǒng)設(shè)計譚 亮導師姓名 職稱 馮興樂副教 授 申請學位 級別 工學碩士 學科專業(yè) 名稱 信號與信 息處理 論文提交 日期 2021 年 5 月 7 日 論文辯論 日期 2021 年 6 月 7 日 學位授予 單位 長安大學 The Design of Wireless Monitoring and Transmission System on Body Physiological ParametersA Dissertation Submitted for

2、 the Degree of MasterCandidate :Tan LiangSupervisor :Associate Prof. Feng Xingle Changan University, Xian, China摘 要針對隔離和戰(zhàn)地病區(qū)在監(jiān)測生命體征過程中的特殊需求, 以提高監(jiān)測效率、 節(jié)點可靈活組網(wǎng)、 非接觸數(shù)據(jù)采集、 降低醫(yī)生患者交叉感染率為原那么, 設(shè)計一種基于無線短距離傳輸技術(shù)的人體生理參數(shù)監(jiān)測傳輸系統(tǒng)。 該 系 統(tǒng)以 低成 本 、普 適性 好 的 STC89C52 單 片 機 為信 號處 理 單元 ,結(jié) 合 nRF2401短距離無線傳輸模塊, 實現(xiàn)患者體溫和脈搏兩個生理參

3、數(shù)的多點對一點的實時采集、 無線傳輸和動態(tài)顯示等功能。 實驗結(jié)果說明該系統(tǒng)能準確、 高效地反映患者狀況, 滿足特殊病區(qū)的需求, 同時該系統(tǒng)為下一步開發(fā)具有心電、 血氧飽和度和血壓等生命體征參數(shù)的無線監(jiān)護系統(tǒng)打下堅實的根底。 本文首先簡單介紹了生理參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)的開展情況、 無線技術(shù)在監(jiān)護系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用、 遠程醫(yī)療的國內(nèi)外開展現(xiàn)狀和短距離醫(yī)療監(jiān)護的開展; 其次結(jié)合系統(tǒng) 設(shè)計的要求詳細的分析了實現(xiàn)多點溫度、 脈搏采集與無線傳輸方案的器件選型; 再次具體的闡述了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計過程。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單, 誤碼率低, 可靠地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線傳輸。 關(guān)鍵詞:人體生理參數(shù);監(jiān)測傳輸; 傳感器;nRF

4、2401 ; 單片機i AbstractAccording to the special needs of monitoring physiological feature in the isolation ward and field ward, and with the principle of improving the monitoring efficiency, flexible node monitoring network, non-contact data acquisition and reducing the doctor-patient cross infection r

5、ates, a monitoring transmission system of body physiological parameters was designed on the basis of the technology of a wireless short-distance transmission. STC89C52 MCU has advantages in low cost and great universality, beause of which it was used as the processing unit of the system. Combined wi

6、th nRF2401 the wireless transmission module, the system realized real-time data acquisition, wireless transmission and dynamic display of the two physiological parameters containing the patients pulse and body temperature. A large number of experiments showed that the system could accurately and eff

7、iciently reflect the patients condition and meet the demands of special wards. In the mean time, the system laid a solid foundation for the next development of wireless monitoring system with ECG, blood oxygen saturation, blood pressure and other parameters of physiological featureFirstly, the thesi

8、s briefly introduced the development of the physiological parameter monitoring system, the application of wireless technology in the monitoring system field and telemedicine development in the world. Then combining with the requirements of the system design, the multi-point temperature, pulse acquis

9、ition and the devices selection of the wireless transmission scheme were analized in detail, and the process of the system hardware circuit and software design were elaborated. To sum up, with simple structure, the system reliably realized the wireless data transmission which had low bit error rate,

10、 high reliability and was free from outside interference Keywords :body physiological parameters ,monitoring transmission, sensors, nRF2401,MCUii目 錄 第一章 緒論. 1 1.1 研究意 義. 1 1.2 監(jiān)測系 統(tǒng)的開展與應(yīng)用. 2 1.2.1 生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)狀與開展2 1.2.2 無線醫(yī)療監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用與開展2 1.2.3 遠程醫(yī)療的國內(nèi)外開展與現(xiàn)狀 3 1.2.4 無線短距離醫(yī)療監(jiān)測的開展. 4 1.3 論文的 內(nèi)容與結(jié)構(gòu) 4 1.3.1

11、 論文的內(nèi)容4 1.3.2 論文的結(jié)構(gòu)5 第二章 無線監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計7 2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計思路 7 2.1.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計思路. 8 2.1.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計思路. 9 2.2 系統(tǒng)方案. 9 2.2.1 數(shù)據(jù)采集方案. 9 2.2.2 近距離無線通信技術(shù)方案 10 2.3 器件選型12 2.3.1 數(shù)字式溫度傳感器的選擇 12 2.3.2 脈搏傳感器的選擇 14 2.3.3 無線射頻收發(fā)芯片的選擇 14 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計. 17 3.1 病房節(jié) 點設(shè)計 17 3.1.1 脈搏采集電路18 3.1.2 體溫采集電路19 3.1.3 處理單元 STC89C52 26 3.1.4 顯

12、示模塊電路28 3.2 護士站 節(jié)點設(shè)計與射頻模塊 30 iii 3.2.1 報警電路. 30 3.2.2 單片機和 PC 機 接口電路設(shè)計30 3.2.3 電源轉(zhuǎn)換電路32 3.2.4 射頻模塊. 32 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計.37 4.1 系統(tǒng)的 通信協(xié)議. 37 4.2 病房節(jié) 點程序38 4.2.1 發(fā)送端體溫測試子程序40 4.2.2 發(fā)送端脈搏采集子程序45 4.3 護士站 節(jié)點程序. 47 4.3.1 接收節(jié)點串口通信子程序. 50 4.3.2 接收節(jié)點報警子程序 52 4.4 無線收 發(fā)流程及程序53 4.4.1 nRF2401 無線收發(fā)流程53 4.4.2 nRF2401 無線

13、收發(fā)程序55 第五章 印制板的制作與實驗.61 5.1 制版 61 5.2 實驗結(jié) 果. 62 5.3 結(jié)論 64 參考文獻.65 攻讀學位期間取得的研究成果.67 致 謝69 附 件71 iv 長安大學碩士學位論文 第一章 緒論 1.1 研究意義 在緊急情況下組建的戰(zhàn)地醫(yī)院、 大規(guī)模爆發(fā)傳染病的隔離病區(qū)等應(yīng)用場景, 對患者進行人體生理參數(shù)的監(jiān)測, 尤其是對體溫和脈搏等重要生命體征的實時監(jiān)測是非常重要的工作。 但在這些緊急場合, 存在醫(yī)護人員短缺、 監(jiān)測工作量大、 傳染病房被隔離、 病床的拓撲結(jié)構(gòu)經(jīng)常變化等問題。 因 此, 為了降低醫(yī)護人員與患者的交叉感染的概率, 適應(yīng)易變節(jié)點的組網(wǎng)需求,研究

14、并設(shè)計非接觸人體生理參數(shù)采集系統(tǒng)非常重要。 由于體溫是隨著身體的健康狀況不斷變化的, 所以測量體溫是診斷疾病中重要的一個生理參數(shù)。 體溫不僅是傳染病和功能性疾病診斷的依據(jù), 還是神經(jīng)系統(tǒng)、 內(nèi)分泌系統(tǒng)、血液循環(huán)和消化系統(tǒng)以及腎病發(fā)生病變的重要參照; 同時脈搏攜帶有豐富的人體健康狀況的信息, 因此在疾病診斷中脈搏也是一個重要的生理參數(shù)。 早在公元前三世紀我國開始 有 研 究 脈學 的書 ? 脈 經(jīng) ? , 脈 學 得 到 不 斷 發(fā) 展 , 在 中 醫(yī) 四 診 ( 望 、 聞 、 問 、 切 ) 中,1脈診就占有重要的地位 。 目前醫(yī)院體溫和脈搏的生理參數(shù)監(jiān)測大致分為兩類: 一類是人工采集, 特

15、別是體溫 , 醫(yī)院里采用人工定時測量方式。 它不僅消耗人力, 而且匯總查詢分析起來也比較復雜;脈搏也是人工, 但由于中醫(yī)是靠手指獲取脈搏信息, 在長期的醫(yī)療實踐中也暴露出一些問題。 另一類是有線監(jiān)測, 非接觸人體生理參數(shù)采集主要通過有線方式實現(xiàn), 通過線纜將數(shù)據(jù)傳到護士站, 但在突發(fā)事件情況下, 需要穿過墻壁或天花板的布線工作非常繁瑣。另外, 由于采用有線連接, 節(jié)點的位置固定, 不適宜靈活機動的戰(zhàn)地醫(yī)院中對移動性的要求。 隨著生活水平的提高, 傳統(tǒng)單一、 有線 的生理參數(shù)采集方式已不能滿足人們的需要,2生理參數(shù)采集逐漸向自動、多參、多點和無線方向開展 。多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)用于患 者 的脈搏、 血

16、壓、 體溫等多種生理參數(shù)的長期連續(xù)監(jiān)測。 多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)可同時采集多人的多種生理參數(shù), 為醫(yī)生判斷病情提供更多的可靠數(shù)據(jù), 提高了判斷病情的準確度。 鑒于以上考慮, 本文設(shè)計一種基于無線短距離傳輸技術(shù)的人體生理參數(shù)監(jiān)測傳輸系統(tǒng)。 該系統(tǒng)以具有低本錢、 普適性好的 STC89C52 單片機為信號處理單元, 結(jié)合 nRF2401 短距離無線傳輸模塊,實現(xiàn)病房患者體溫和脈搏的采集、傳輸和顯示。1第一章 緒論 1.2 監(jiān)測系 統(tǒng)的開展 與應(yīng)用 1.2.1 生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)狀與開展 醫(yī)療監(jiān)護儀是現(xiàn)代醫(yī)療中一種不可缺少的重要設(shè)備, 通過定時采集患者各個生理參數(shù)的信息, 把采集的信息傳輸?shù)阶o士站進行分析

17、處理, 當參數(shù)超過預(yù)先設(shè)定的數(shù)值時就會觸發(fā)報警系統(tǒng), 警示醫(yī)護人員及時提出解決方案。 其采集到的信息是醫(yī)護人員用來診3斷與治療重要借鑒參數(shù) 。監(jiān)護儀 功能各有不同,其基 本工作原理也不一樣,而普遍都是借助傳感器感應(yīng)患者生理參數(shù)的變化, 然后通過放大器將信息放大, 再由采集節(jié)點微處理器對數(shù)據(jù)進行分析和處理, 最后將采集的數(shù)據(jù)在顯示器上進行顯示, 或根據(jù)需要做其它操作。 近年來, 隨著科技的開展及經(jīng)過監(jiān)護儀廠商的不懈努力, 網(wǎng)絡(luò)化、 模塊化、 多功能、無線傳輸?shù)纫殉蔀閲獗O(jiān)護產(chǎn)品的新技術(shù)特征, 并且軟硬件水平都在快速提高。 但國內(nèi)無線監(jiān)護設(shè)備還處于起步階段, 大局部醫(yī)院還采用傳統(tǒng)的生理參數(shù)采集和有

18、線生理參數(shù)采集。醫(yī)療監(jiān)護技術(shù)已經(jīng)開始大規(guī)模開展, 但國內(nèi)的監(jiān)護儀技術(shù)還不夠成熟, 應(yīng)清醒地看到, 我國監(jiān)護 儀產(chǎn)品的總體水平與國際水平相比仍有一定差距, 因此無線生理參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)的研究很有必要。 1.2.2 無線醫(yī)療監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用與開展 人工采集生理參數(shù)工作不僅消耗大量的人力, 而且匯總分析起來也比較復雜; 有線采集需要穿過墻壁或天花板的布線工作非常繁瑣。 在特殊情況下, 這兩種監(jiān)測方式都不適合。 因此, 這兩種傳統(tǒng)的監(jiān)測方式己經(jīng)越來越不能適應(yīng)當今實時、 連續(xù)、 長時間地監(jiān)測患者的重要生理參數(shù)的醫(yī)療監(jiān)護開展。 針對傳統(tǒng)監(jiān)護方式的缺點, 無線醫(yī)療監(jiān)護應(yīng)運而生。 無線醫(yī)療監(jiān)護是把無線通信技術(shù)應(yīng)用在

19、醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的簡稱。 無線醫(yī)療監(jiān)護是把醫(yī)療監(jiān) 護與無線通信綜合到一起的新生代復合體, 不僅能讓人們隨時隨地的接受到生理和病理的監(jiān)測、 護理, 而且高級的無線醫(yī)療監(jiān)護還可以通過簡單、 高效的方式給用戶提供健康咨詢、 病況診斷等嶄新的輔助效勞。 無線醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)主要包括生理參數(shù)采集節(jié)點、 無線數(shù)據(jù)傳輸單元、 接收節(jié)點等部分。 它的工作流程是: 先由接收節(jié)點發(fā)出監(jiān)測某種生理參數(shù)的命令, 再由無線數(shù)據(jù)傳輸單元把命令傳遞給生理參數(shù)采集節(jié)點, 采集節(jié)點對人體生理信息采集后, 通過無線數(shù)據(jù)傳輸單元將數(shù)據(jù)傳給接收節(jié)點中的信息處理模塊, 一方面對接收到的數(shù)據(jù)進行處理和顯2 長安大學碩士學位論文 示, 另一方面對

20、生理參數(shù)超出平安線報警。 無線醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的核心是生理參數(shù)采集單4元和無線數(shù)據(jù)傳輸單元 。除了生理參數(shù)采集技術(shù)外,無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)也是無線 醫(yī) 療監(jiān)護系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。無線的生理參數(shù)傳輸方式主要有以下三種:1)射頻電磁波;2)紅外光;3 聲波,其中射頻電磁波最常用。 各國跨國公司和科研機構(gòu)在無線生理參數(shù)監(jiān)護需求不斷擴大的驅(qū)動下, 競相開展無線 醫(yī) 療 監(jiān) 護 系 統(tǒng) 的 研 究 和 開 發(fā) , 并 不 斷 拓 展 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 。 其 中 哈 佛 大 學 推 出 的 CodeBlue系統(tǒng)、 法國 CRNS 研究 機構(gòu)開發(fā)的 MARSIAN 工程、NASA 阿莫斯實驗室和斯坦福大學(Stanfo

21、rd University ) 合作研發(fā)的 LifeGuard 系統(tǒng)、IBM 公司研制的身體局域網(wǎng)絡(luò) The 5body electric ,東芝公 司創(chuàng)造的 Lifeminder 系統(tǒng)等極具標志性 。 哈佛大學推出的 CodeBlue 系統(tǒng) 是建立在緊急情況下的無線醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)。它是利用小型、 低功耗可便攜的信號血氧計、 導聯(lián)式心電圖機等感應(yīng)器測量血氧飽和度、 心率、心電,經(jīng)過無線短距離100m 網(wǎng)絡(luò) 與筆記本或 PDA 之 類的移動終端合作,這樣數(shù)據(jù)就能夠存儲在患者病況檔案中并在終端上完成實時顯示, 如果生理參數(shù)不在正常范圍內(nèi)的時候便會發(fā)出警報。 Stanford University 和

22、 美國國家宇航局阿莫斯實驗室合作研發(fā)的 LifeGuard 系統(tǒng), 用于監(jiān)測當宇 航員處于運 動狀態(tài)時的 生命體征參 數(shù)。它包括 附身式生命 體征檢測器 crew physiologic observation device ,COPD 和基站兩局部,附在身體上的 COPD 能持續(xù)記載心臟速率、 血樣飽和度、 體溫、 呼吸速率等生理體征, 通過附帶的藍牙設(shè)備將這些參數(shù)上傳到基站或存儲在閃存里,最后經(jīng)過串口送進 PC 機。 1.2.3 遠程醫(yī)療的國內(nèi)外開展與現(xiàn)狀 6美國的學者將遠程醫(yī)療定義如下 :遠程醫(yī)學系統(tǒng)是指這樣一個平臺,它通過 通 信和計算機技術(shù)為特定人群提供醫(yī)學效勞。遠程醫(yī)療目前主要應(yīng)用

23、于 2 個領(lǐng)域: 1 應(yīng) 用 在 急 救 醫(yī) 學 : 遠 程 醫(yī) 療 從 它 問 世 之 時 起 就 和 急 救 醫(yī) 學 有 千 絲 萬 縷 的 聯(lián) 系 。20 世紀 60 年代, 美國國家宇航局NASA 已 經(jīng)開始遠距離醫(yī) 療技術(shù)的探索, 宇航員的身體狀況使用遠距離醫(yī)療技術(shù)監(jiān)測護理。 最近幾年國外還把遠距離醫(yī)療技術(shù)引進到醫(yī)院的急救中去。Maryland 大學成功開發(fā)的一種遠程救護車動態(tài)醫(yī)療救治系統(tǒng), 在傷員送往醫(yī)院 途 中 車 中 的 醫(yī) 療 系 統(tǒng) 就 可 以 把 醫(yī) 護 人 員 關(guān) 注 的 傷 員 的 多 種 生 命 參 數(shù) 遠 距 離 傳 送 到 急救中心, 這樣以來傷員在趕往急救中心

24、的途中, 傷員的身體狀況就已經(jīng)被醫(yī)師初步的判斷,做好急救的安排。 3第一章 緒論 2 應(yīng) 用 在 軍 事 : 現(xiàn) 代 戰(zhàn) 爭 是 在 高 科 技 發(fā) 展 的 驅(qū) 動 下 , 在 高 強 度 、 短 時 間 、 全 方 位等技術(shù)背景下開展的劇烈軍事對抗, 因此具有病房靈活移動和患者快速救治等特點。 傳統(tǒng)的救 護方式己經(jīng)不能滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭對醫(yī)療救治的要求, 一定要找到效率更高的救治方式。遠程醫(yī)療已步入各國軍隊的視野。 遠程醫(yī)療技術(shù)國外開展的很快,特別是美國和歐洲等國家。 我國 的遠程醫(yī)學活動開展是在 20 世紀 80 年代。從 20 世紀 90 年代中期正式啟動,在中國衛(wèi)生部提出的 “金衛(wèi)工程 的指

25、引下, 遠距離醫(yī)療救助的工程分別開始實施, 我國遠程醫(yī)療事業(yè)正大步向前開展。 目前, 有著國內(nèi)外遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的技術(shù)作為鋪墊,在 特 殊 場 景 下 一 種 基 于 無 線 短 距 離 傳 輸 技 術(shù) 的 人 體 生 理 參 數(shù) 監(jiān) 測 傳 輸 系 統(tǒng) 逐 漸 成 為 國內(nèi)外學者的研究熱點,這種技術(shù)正逐步得到社會的認可 和應(yīng)用。 1.2.4 無線短距離醫(yī)療監(jiān)測的開展 目前, 藍牙/RF 射頻、 無線超寬帶UWB 和 IEEE802.11 等較近距離無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)在無線醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。 據(jù)市場調(diào)研公司 Frost & Sullivan 的一項新報告說明, 隨著對遠程病患監(jiān)控或

26、遠程醫(yī)療這項技術(shù)需求的增長, 特別是在家庭保健機構(gòu)、 疾病控制公司和臨床試驗組中, 該項技術(shù)向前邁出了一大步。報告指出,近距離無線通訊技術(shù) (NFC ) 、 安 全 數(shù) 據(jù) 管 理 和 無線傳感平臺技術(shù)的到來, 引發(fā)了一場醫(yī)療保健提供方式的變革, 那就是從以醫(yī)院為中心,轉(zhuǎn)變成以病人為中心。 從這個近期發(fā)布的報告中得悉在遠程醫(yī)療監(jiān)護技術(shù)的推動下, 近距離無線醫(yī)療監(jiān)護技術(shù)迅速開展,以后的醫(yī)療信息化不是遠程醫(yī)療監(jiān)護或近距離無線醫(yī)療監(jiān)護的信息化,而是二者合一的信息化。 1.3 論文的 內(nèi)容 與結(jié) 構(gòu) 1.3.1 論文的內(nèi)容 主要研究內(nèi)容包括以下幾方面: 1 單個病房的多點溫度信息采集, 采集節(jié)點在設(shè)計

27、時, 使用帶有單總線技術(shù)的數(shù)字溫度傳感器,它節(jié)約單片機的 I/O 口資源,降低了開發(fā)本錢,使開發(fā)電路更加簡單; 2 單個病房多參生理參數(shù)采集, 包 括溫度和脈搏。 病房脈 搏采集, 護 士站接收脈搏數(shù)據(jù)判斷, 過平安線報警; 病房體溫采 集, 護士站顯示體溫數(shù)據(jù), 并繪制出體溫變化曲線; 4 長安大學碩士學位論文 3 多病房生理參數(shù)采集,病房與護士站之間的通信采用 RF 無線通信方式,護士站運用輪詢方式接收病房采集的信息。 1.3.2 論文的結(jié)構(gòu) 論文分為五章,其中第三、四章是本論文的核心 。 第一章主要介紹了論文的研究目的、 意義、 論 文的背景, 主要講述了生理參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)的現(xiàn)狀與開展;

28、無線醫(yī)療監(jiān)護技術(shù)的應(yīng)用與開展; 遠程醫(yī)療的國內(nèi)外開展和無線近距離醫(yī)療監(jiān)護的開展;論文的研究內(nèi)容和論文結(jié)構(gòu)。 第二章介紹多點無線生理監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計思路和總體方案, 給出總體結(jié)構(gòu); 通過詳細介紹傳感器方案、無線通信方案和器件選型,確定了本系統(tǒng)的具體設(shè)計方案。 第三章介紹了本系統(tǒng)硬件的設(shè)計, 包括生理參數(shù)采集和接收節(jié)點電路、 電源轉(zhuǎn)換電路、射頻模塊電路及硬件接口電路等設(shè) 計。其中著重介紹了節(jié)點硬件設(shè)計和射頻模塊 。 第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計, 講述了監(jiān)測系統(tǒng) 的通信協(xié)議等; 詳細介紹了多 個模塊子程序和射頻流程及代碼實現(xiàn)。 第五章介紹了制版的流程,并對實驗結(jié)果與結(jié)論進行了闡述。5長安大學碩士學位論文 第

29、二章 無線監(jiān) 測系統(tǒng) 方案設(shè) 計 人體的生理參數(shù)監(jiān)測方法有很多種 , 體溫和脈搏監(jiān)測是人體生理參數(shù)監(jiān)測中比較重要的兩個方面, 它們可供選擇的器件有多樣。 因此, 系統(tǒng)的設(shè)計方案 要以完成任務(wù)為前提,考慮設(shè)計場景,選用器件時 要選參數(shù)可設(shè)、本錢低、不易壞、易更換等特點的。 2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計思路 對于本論文的多點無線生理 參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)來說,整個系統(tǒng)由 病房的數(shù)據(jù)采集節(jié)點和護士站的數(shù)據(jù)接收節(jié)點兩個局部 組成, 兩者之間通過無線通道通信。 系 統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖 2.1 所示: N 1 病 房1體 體溫 溫顯 示計 計5直 插nRF護士站單 片INT1單 總 線2401機脈 搏 采 集INT0報 警

30、采 集 節(jié) 點RS232nRF病 房n 單片 機2401N 1體 體溫 溫顯 示計 計接 收 節(jié) 點5直 插nRF單片INT1單 總 線2401機脈 搏 采 集INT0圖 2.1 系統(tǒng)整體 結(jié) 構(gòu)圖 對于本文設(shè)計的無線多點生理參數(shù)監(jiān)護傳輸系統(tǒng)來講, 整 個系統(tǒng)由多個病房采集節(jié)7點,一個護士站接收節(jié)點組成 , 兩者之間通過無線通道通信。 數(shù)據(jù)采集接點負責 資 料的采集和發(fā)送; 數(shù)據(jù)接收節(jié)點負責數(shù) 據(jù)的接收和處理。 每個病房的采集 節(jié)點由一個無線收發(fā)模塊、一個微控制器、 一個脈搏傳 感器、 一個顯示器和多 個溫度傳感器組成, 溫度傳感器的數(shù)量和病床數(shù)對應(yīng), 傳 感器采集到的溫度和脈搏信息通 過短距

31、離有線方式傳送到病房微控制器, 然后通 過無線 射 頻模塊發(fā)給護士站接收節(jié)點 , 接收節(jié)點的射頻模塊收8到數(shù)據(jù)后經(jīng)過處理和判斷,最后通過 RS-232 串口在顯示屏上顯示 ,并對異常情況進行報警。 在多址識別方面, 每個傳感器都有唯一的地址序列號, 射頻模塊也有各自的地址,接收節(jié)點根據(jù)該地址進行識別。 1. 根據(jù)系統(tǒng)的特點,總結(jié)系統(tǒng)的要求如下 : 1 體積小。小體積的監(jiān)護系統(tǒng),節(jié)省的空間好留作它用。 7第二章 無線監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計 2 高可靠性。 設(shè)計要盡 量減少外界對它的干擾, 有一定的 抗干擾能力。 按照要求 系統(tǒng)必須在需要生理參數(shù)數(shù)據(jù)時可靠的將數(shù)據(jù)傳到護士站,所以系統(tǒng)實時性很高; 3 低

32、本錢。傳感器很多,所以別忘考慮本錢。 4 可移動性。 設(shè)計的系 統(tǒng)本著方便的原 那么, 針 對在緊急的和特殊的情況下, 可靈 活移動顯得格外重要,而且要便于安裝和更換。 2. 根據(jù)系統(tǒng)的要求,系統(tǒng)方案設(shè)計時要具體考慮以下幾點: 1 選傳感器時應(yīng)考慮 結(jié)構(gòu)簡單、 無損傷、 精度高、 可重復使用 , 使用時舒適 等優(yōu)點; 2 在硬件設(shè)計時, 原理圖設(shè)計時要多加信號指示燈, 便于硬件調(diào)試;PCB 布線 時盡量手工布線, 多用蛇形線; 選擇器件時多考慮帶有總線技術(shù)的器件, 為節(jié)省處理器有限的 I/O 資源; 3 由于使用無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),系統(tǒng)越穩(wěn)定 越好; 4 在軟件設(shè)計時, 各傳感器和無線射頻模塊的

33、時序問題不可無視, 軟件設(shè)計要模塊化,每 個子程序完成各自的功能,最后由文件包含和函數(shù)調(diào)用聯(lián)系到一起 ; 5 經(jīng)過軟件設(shè)計要降低 傳輸?shù)恼`碼率。 2.1.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計思路 根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計思路, 提出硬件設(shè)計思路, 因為在時間上護士站對病房實行輪詢訪問 (1-N ) , 因此總體系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖在某個時間點上可以簡化成點對點的結(jié)構(gòu)圖如圖 2.2 所示。 護士站病房N 1報警體 體溫 溫顯 示計 計5RS232無 線 模微 處理無 線 模微處INT1單 總 線塊塊器理器脈 搏 采 集INT0接 收 節(jié) 點采 集 節(jié) 點圖 2.2 系統(tǒng)結(jié) 構(gòu) 圖 數(shù) 據(jù)采集節(jié)點由采集傳感器、 微 處理器、

34、 顯示模塊和無線傳輸模 塊組成。 數(shù)據(jù)接收節(jié)點由無線傳輸 模塊、微處理器、報 警器及計算器構(gòu)成。 采集傳感器 將采集的體溫和脈搏數(shù)據(jù) 經(jīng)過 A/D 電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號 后在微處理器內(nèi)處理, 對采集的 脈搏進行顯示, 然后由無線傳輸 模塊打包送出; 數(shù)據(jù)接收 節(jié)點收到采集節(jié)點的數(shù)據(jù)后, 將數(shù)據(jù)按照通信協(xié)8 長安大學碩士學位論文 議拆包, 取出里面的有效 數(shù)據(jù)在微 處理器處理 (包括脈搏數(shù)據(jù)判 斷和體溫數(shù)據(jù)上傳)后通過串口發(fā)送給計算機,由計算機 對采集到的數(shù)據(jù)進行分析、 處理和顯示。 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)簡單, 數(shù)據(jù)由無線模塊傳輸, 微處理器使用 STC89C52 進行信息處理。數(shù)據(jù)接收節(jié)點與計算機通過串

35、口通信,由芯片 -232 完成接口電平轉(zhuǎn)換。 多點無線監(jiān)護傳輸系統(tǒng)主要功能如下: 1 無線遠程體溫采集傳輸功能; 2 無線遠程脈搏采集傳輸功能; 3 接收節(jié)點報警功能; 4 接收節(jié)點體溫數(shù)據(jù)顯示和曲線繪制功能; 5 采集節(jié)點脈搏顯示功能。 2.1.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計思路 寫程序時使用模塊化設(shè)計理念 , 系統(tǒng)中各主要功能模塊 都有自己的頭文件, 通過文件包含聯(lián)系到一起, 各個功能的子函數(shù)組成了頭文件, 通過主函數(shù)調(diào)用各個子函數(shù)完成無線生理參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)的功能。 無線生理參數(shù)監(jiān)護傳輸系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)程序主要包括: 生理參數(shù)采集和無線數(shù)據(jù)傳輸程序, 護士站數(shù)據(jù)接收、 判斷、 報警和顯示 程序。 護士站就

36、是通過程序?qū)懖煌》抗?jié)點的硬件地址來區(qū)分數(shù)據(jù)的, 單片機通過傳感器的初始化來區(qū)分患者的身份。 程序設(shè)計包括病房節(jié)點發(fā)送端和護士站接收節(jié)點 兩套程序,通電后先進行初始化設(shè)置。 2.2 系 統(tǒng)方 案 2.2.1 數(shù)據(jù)采集方案 1 溫度傳感器模擬溫度傳感器信號需要經(jīng)過取樣電路、 放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路等, 因此導致電路中元器件數(shù)量增加、 設(shè)備體積變大 、 測試系統(tǒng)的可靠性也降低。 而且模擬信號不適合長距離傳輸, 容易產(chǎn)生誤差。 特別 在多點溫度檢測時, 模擬傳感器的各敏感元件參數(shù)的不同或各采集引線不同, 都可能產(chǎn)生測量誤差, 并且很難去除。 此外, 模數(shù)轉(zhuǎn)換 電路系統(tǒng)的精度也不高,存在非線性、互換性

37、等缺陷 。 數(shù)字式傳感器產(chǎn)生的信號用 信號處理器可直接對信號進行處理。 數(shù)字信號具有極強的抗干擾能力, 而且一般也不會受信號放大設(shè)備和處理單元的溫漂的干擾。 盡管存在溫9第二章 無線監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計 度轉(zhuǎn)換慢和測量范圍窄的缺點 , 與它的優(yōu)點相比, 已經(jīng)顯的微缺乏道, 傳感器技術(shù)數(shù)字9化進步得到人們更 多的重視 。 由于智能溫度傳感器 輸出的信號可直接連接微控制器的 I/O 口,因此 采用數(shù)字式。 2 脈搏測試儀 隨著 科學技術(shù)的開展, 脈搏測量技 術(shù)對脈搏測量精度的要求也越 來越高, 不同類型的脈搏 測量儀在國內(nèi)外橫空出世, 其中 對脈搏傳感器的研制意義重大。 早先 對接觸式傳感器的研究主要

38、用于體育 測量的脈搏 測試, 利用 這類傳感器所研制的指 脈、耳脈等測量儀各有其優(yōu)缺 點。指脈測量簡單、 方便, 測量靈敏度高; 耳 脈測量比 較干凈, 傳感器使用環(huán)境污染少, 容易 維護。 但因耳 脈較 弱, 尤其是當季節(jié)變化時,所 測信號受環(huán)境溫度10影響明 顯, 造成 測量結(jié)果不準確 。 以前常用的日常 監(jiān)護儀器, 比方便 攜式電子血壓計,它可以 實 現(xiàn) 脈 搏 的測 量, 但 是 每 次 使 用 時 都 需 要 微 型 氣 泵 實 施一 個 加 壓 和 減壓 橡 膠 氣囊的過程, 而且 這 種血壓計存在體積大、 加 減壓過程會有不適和脈搏檢測的 精確度低等缺陷。 近年 來出現(xiàn)的光電接觸

39、式的傳感器受到了 國內(nèi)外開發(fā)人員的青睞 , 這類傳感器的典型特點 是測量時不用侵入機體, 不傷 害機體, 能夠自動消除儀器本身系 統(tǒng)的誤差,測量精度高,通常在體外,主要是在體表 間接測量人體的生化和生理參數(shù) 。 2.2.2 近距離無線通信技術(shù)方案 對于一個無線通 信系統(tǒng)來說,方案的選擇考慮如下: l 功能穩(wěn)定 性 不僅要求完成生理參數(shù)的采集和傳輸,還要求系統(tǒng)的可靠與穩(wěn)定 。 2 開發(fā)的復雜度低 元件數(shù)量 和通信協(xié)議的復雜程度直接影響系統(tǒng)開發(fā)的復雜性, 因此應(yīng)該選擇外圍元件少和通信協(xié)議簡單的收發(fā)芯片。 3 本錢低 除完成系統(tǒng)功能和開發(fā)簡單以外, 要保證設(shè)計的本錢盡可能低, 應(yīng)該選擇 收發(fā)芯片所需

40、的外圍元件數(shù)量 少的器件。 根據(jù)本論文的應(yīng)用場景和系統(tǒng)功能要求, 選擇短距離無線通信技術(shù)就可滿足設(shè)計要求。下面是方案 比照。 1112(1)紅外通信技術(shù)(IrDA ) 10 長安大學碩士學位論文 紅外通信技術(shù) (IrDA ) 是利用肉眼不可視的紅外線進行信息傳遞, 是現(xiàn)在應(yīng)用最廣的通信技術(shù)。1995 年經(jīng)過技術(shù)升級通信速率到達了 16Mbit/s , 通信的 發(fā)送方和接收方具有嚴格的方向性, 不能進行角色互換, 而且只能 完成點對點的通信方式。 但它具有體積小, 連接方便, 傳輸干擾小, 本錢低的特點。 開發(fā)人員根據(jù)它的特點把它應(yīng)用到遙控器,PDA 等移 動設(shè)備上面。 紅外技術(shù)缺乏的地方是它是

41、一種視距傳輸技術(shù)、 發(fā)射視角小、 有效距離近、 只限于兩臺設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸, 而且在數(shù)據(jù)傳輸時, 兩臺設(shè)備之間不能有障礙物、不能用于移動的設(shè)備,此外,IrDA 中的核心部件 LED 易 壞。 (2)藍牙技術(shù)(Bluetooth ) 藍牙技術(shù)支持網(wǎng)絡(luò)語音數(shù)據(jù)傳輸。 使用時以多個無線的微微網(wǎng)組成分布式網(wǎng)絡(luò), 從而方便, 快速的實現(xiàn)各類設(shè)備之間的通信。 藍牙定義了 100mw 、25mw 和 lmw 三種功率等級。藍牙在使用時發(fā)現(xiàn)了很多優(yōu)點,但也存在許多缺乏,而且本錢還不低 。 (3)IEEE802.11bWi-Fi IEEE80的最大優(yōu)勢,但因為這種設(shè)備還比較貴,阻礙了其大規(guī)模的推廣。更新、更快

42、的 Wi-Fi標準正在制定之中。 速度更快的 802.11g 速率達 54Mbit/s , 速度是 802.11b 的 5 倍, 并且包含 802.11b 的全部好處,而下一代的 Wi-Fi 標準 802.11n 速度有望到達 100 M bit/s 。 13 (4)UWB超寬帶技術(shù)Ultra Wide Band ,UWB 是一種集高速、低本錢和低功耗于一身的新無線通信技術(shù),它主要應(yīng)用在小規(guī)模、 分辨率高、能夠穿透障礙物 的雷達和圖像系統(tǒng)中。此 外 , 這 種 新 技 術(shù) 適 合 應(yīng) 用 在 對 速 率 要 求 比 較 高 的 系 統(tǒng) 中 。 但UWB 通 信 也 存 在 缺 陷 ,因為UWB

43、 工 作 時 占 用帶 寬 寬 , 會干 擾 其 它 無線 通 信 , 因此UWB 正 式 運 行 存 在爭 議 ; 另外,還有學者認為UWB 會干擾到民航通信的正常工作。 (5)微功率短距離無線通信技術(shù) 無線通信模塊一般由微控制器、 射頻收發(fā)芯片和少量外圍器件構(gòu)成。 一塊芯片集成了無線通信的主要功能。全部的高頻元件包括電感、振蕩器、電容等都放在芯片內(nèi)部,協(xié)調(diào)性好, 性能穩(wěn)定且不受外界干擾。 射頻芯片一般采用頻移鍵控的調(diào)制方式, 工作于工業(yè)、 科學和醫(yī)學三個領(lǐng)域的全球開放頻段, 通信模塊協(xié)議簡單, 通過軟件可以完成發(fā)射功率等全部工作參數(shù)的設(shè)置, 只要依據(jù)操作命令字就可完成根本的數(shù)據(jù)無線傳輸功能

44、14,開發(fā)者 不用對無線通信原理和工作流程有 全面的了解。 各種無線通信技術(shù)適合于不同的應(yīng)用背景,其技術(shù)比照 如表2.1所示。11第二章 無線監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計 表2.1 近距離 無線通信技 術(shù)數(shù) 據(jù)比較 射頻收發(fā)芯片紅外 藍牙 比照規(guī)格 802.11b UWB IRDA Bluetooth nRF2401等 無線傳輸 2.4GHz 無 3.1-10.6GH 2.4GHz 2.4GHz 紅外光 媒介 線電 波 z 無線電波 無線電波 無線電波 傳輸速率 小于 大于 小于 小于 1M bit/s M bit/s 4M bit/s 2M bit/s 500M bit/s 1M bit/s 傳輸距離

45、20cm-1.2m 300 10 10-100 10-100 移動能力 差 好 好 極佳 極佳 窄角 小于全向 30 度角, 中 全向 中間 全向 中間 全向 中間方向性 中 間可有間不能放 可有障礙 可有障礙 可有障礙 障 礙 障礙物 本錢 很低 很高 很高 高 很低 功率 100 毫瓦 非常低 100 毫瓦 1 毫瓦 點到 點, 點 點到點, 點 點到點, 點 點到點, 點傳輸方式 點到點 到多 點 到多點 到多點 到多點 應(yīng)用于近 應(yīng)用于近家庭中的 距離無線 距離無線近距離數(shù) 企業(yè) 型無各種家電 通信方式 通信方式主要用途 據(jù)輸, 近距 線局域網(wǎng) 設(shè)備之間 替代有線 替代有線離遙控的連接

46、 通信的地 通信的地方 方從以上的 表格比照中可知, 射頻收發(fā)芯片就脫穎而出。 無線射頻收發(fā)芯片的種類多,在設(shè)計時選擇適宜芯片可以節(jié)約開發(fā)本錢,縮短開發(fā)周期。 2.3 器 件選 型 2.3.1 數(shù)字式溫度傳感器的選擇 15選擇出合 適的數(shù)字溫度傳感器, 應(yīng)該 考慮以下幾點 : 外 圍電路要盡可能 簡單; 測溫的精度、 分辨率要適宜 ; 溫度傳 感器能否滿足多點測溫; 占用的微 處理器 I/O 引腳數(shù)要盡量少,節(jié)省下來的 I/O 口可以用來增加其它功能。 現(xiàn)在應(yīng)用比較廣的數(shù)字溫度傳感器有以下幾個: 161AD7418 是 ADI 美國 公司生產(chǎn)的集測溫和控制為一體的集成電路。內(nèi)部包括帶隙的溫度傳

47、感器與 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器兩局部。其測溫范圍:-55+125 ,分辨率:, 精度為 ± 2, 具有 10 位數(shù)字溫度輸出值。AD7418 在單總線上可以最多掛接 8片。 12 長安大學碩士學位論文 172LM74 是美國國家半導體公司生產(chǎn)的把帶隙式溫度傳感器和 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器集成于一塊芯片。 具有性能穩(wěn)定、 線性度好等優(yōu)點。 通電后自動的按規(guī)定的頻率對溫度進行測量,并自動把采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成處理器可識別由“0 或 1 組成的數(shù)據(jù)存起來處理器可以在任意時刻讀出傳感器溫度值。LM74 具有休眠功能,在休眠的時候消耗的電流不高于 10 微安,特別適合功率消耗 要求嚴格的系統(tǒng)。 18

48、36575L/H 是 單總線式的數(shù)字溫度傳感器 , 由美國 IM 公司生產(chǎn)。 具有線性好、 功耗低, 而且開發(fā)程序容易, 調(diào)試簡單, 使用簡便等優(yōu)點, 測溫范圍: -40+125,誤 差 范 圍 :25 時 誤 差 在 ± 3 之 內(nèi) ,85 時 誤 差 在 ± 4.5 之 內(nèi) ,125 時 誤 差 在 ± 5 之內(nèi)。但因為 6575L/H 在測溫范圍內(nèi)工作引起的非線性誤差大,因 此需要進行非線性溫度補償。 而且在一根 I/O 總線只準同時最多掛接 8 個 6575L/H 進行多點溫度檢測。 為了保證多個傳感器同時掛接時不出現(xiàn)測溫數(shù)據(jù)重疊現(xiàn)象, 6575 配 置了

49、 “L 和“H 兩 種型號 的傳 感器, 它們 使用方 法相 同,對 于同 一種型 號的 傳感器 可以 分時段進行訪問。 但 6575L 只適合近距離傳輸, 遠距離檢測效果很差, 有效傳輸距離是 5米。 194DS18b20 是美國 Dallas 半導 體公司繼 DS1820 之后最新推出的一種改進型智能溫度傳感器。 與傳統(tǒng)的熱敏電阻不同的是: 它不僅可以直接讀出被測溫度值, 還 可根據(jù)具體的要求借助簡單的編程就可實現(xiàn) 912 位 數(shù)字溫度的讀數(shù)。 讀 9 位元時需要 93.75ms 、讀 12 位元時需要 750ms 。它因 為有獨特的單總線接口方式,可允許一條總線上可掛接少那么數(shù)十、多那么

50、上百個的數(shù)字溫度傳感器。這樣不僅大大節(jié)省了處理器的 I/O 口資源,而且傳感器要求的外圍電路少。DS18b20 的另外一個特點是可以通過總線直接供電, 不用外加電源。 還有本錢低, 體積小, 可靠性高的特點。DS18b20 的測溫范圍-55+125,。 在多點溫度檢測方面, 由于每一個 DS18b20 出廠時 ROM 中都有唯一的一個地址序列號,只要 CPU 用 簡單的通信協(xié)議就可以識別,這樣就大大節(jié)省了引線和邏輯電路。 Dallas 公司 的單總線技術(shù)具有很好的性價比,有以下特點: 1.適合應(yīng)用在低速監(jiān)測場景,監(jiān)護對象越多越能表達其優(yōu)越性; 2.性價比高,安裝和維修方便,抗干擾性強; 3.C

51、RC 校驗 ; 4.開發(fā)程序容易。13第二章 無線監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計 表2.2 幾種 數(shù) 字 溫 度傳感器的比較 傳感器 適用總線 溫度準確度 溫度范圍 最多掛接傳感器數(shù)量 2LM75 I C 3 -25+100 8 LM74 SPI 3 -55+125 8 6575 1-Wire 0.8 -55+125 8 DS1820 1-Wire 0.5 -55+125 80100 1-Wire DS18b20 0.5 -55+125 80100 , 分辨 率可編程 單總線 由于 DS18b2 的單總線接口方式, 特別適合應(yīng)用在多點溫度檢測的場景, 占用 MCU的 I/O 引腳資源少, 通 信協(xié)議簡單, 本錢較低 , 傳輸距離 遠, 和其它 數(shù)字式的相比,它更適宜,所以,選用 DS18b20 作為本系統(tǒng)體溫測量的傳感器。 2.3.2 脈搏傳感器的選擇 現(xiàn)在 脈搏傳感器很多很雜, 主要有四類 :1) 壓力傳感器;2) 光電傳感器 , 原理是根據(jù)脈管容積的變化來反響脈搏;3) 傳聲器, 根據(jù)聲學原理拾取由脈搏引起的振動;4)超聲多普勒檢測技術(shù)。 1 壓力傳感器 常 用的壓