多生理參數(shù)的無線實時監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

摘要：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)?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/監(jiān)護(hù)">監(jiān)護(hù)系統(tǒng)終端。
關(guān)鍵詞：ZigBee PRO；CC2530；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；生理參數(shù)；定位

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。