無線傳感器網(wǎng)絡(luò)醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

word文檔可自由復(fù)制編輯word文檔可自由復(fù)制編輯word文檔可自由復(fù)制編輯無線傳感器網(wǎng)絡(luò)醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)？簡介：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量具有特定功能的傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式，相互傳遞信息，協(xié)同地完成特定功能的智能專業(yè)網(wǎng)絡(luò)。主要技術(shù)：它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、通信技術(shù)、微電子制造技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和軟件編程技術(shù)等。特點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、密度高；節(jié)點(diǎn)能量、計(jì)算能力和存儲(chǔ)容量有限；網(wǎng)絡(luò)具有自組織能力；傳感器節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)融合能力。2、網(wǎng)絡(luò)醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)介紹利用基于ZigBee通信協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，傳遞醫(yī)療傳感器與監(jiān)護(hù)控制儀器之間的信息。此系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器及節(jié)點(diǎn)之間的通信網(wǎng)絡(luò)組成，采用樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)由傳感器節(jié)點(diǎn)經(jīng)路由節(jié)點(diǎn)傳輸至協(xié)調(diào)器，之間的通信由基于Zipbee無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，協(xié)調(diào)器通過與計(jì)算機(jī)之間的串口通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上的動(dòng)態(tài)顯示3、網(wǎng)絡(luò)醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)組成傳感器節(jié)點(diǎn)：由病人隨身攜帶，主要包括五部分：中央處理器模塊(CPU)、無線數(shù)據(jù)通信模塊、傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、電源模塊。傳感器包括：體溫、血壓、脈搏傳感器。以脈搏傳感器為例，選用SC0073微型動(dòng)態(tài)脈搏微壓傳感器，它是一種高性能、低成本的壓電式小型壓力傳感器，產(chǎn)品采用壓電薄膜做換能材料，動(dòng)態(tài)壓力信號通過薄膜變成電信號，在經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。它具有靈敏度高，抗過載及沖擊波能力強(qiáng)，抗干擾性好、操作簡便、體積小、重量輕成本低等特點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)：是一個(gè)全功能節(jié)點(diǎn)，考慮到網(wǎng)絡(luò)范圍的大小，而無線發(fā)射功率有限，所以設(shè)置路由節(jié)點(diǎn)，對分組進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)，將其下屬節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)纳頂?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至協(xié)調(diào)器，從而擴(kuò)大無線監(jiān)測的范圍。此外，路由器上有傳感器件，也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。協(xié)調(diào)器：系統(tǒng)中只有唯一的協(xié)調(diào)器，其主要功能是初始化及維護(hù)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，加入到此ZigBee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備必須得到協(xié)調(diào)器的批準(zhǔn)。它是在路由節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上增加RS232接口，負(fù)責(zé)將路由節(jié)點(diǎn)及傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)通過串口通信傳到計(jì)算機(jī)中，以便醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行處理。節(jié)點(diǎn)間通信：各節(jié)點(diǎn)間及節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間的無線通信由Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)，選用CC2430芯片，它結(jié)合了一個(gè)高性能2.4GHzRF射頻收發(fā)器核心和一個(gè)增強(qiáng)型的8051控制器,省去了單片機(jī)與無線收發(fā)芯片之間的接口設(shè)計(jì)，從而會(huì)簡化結(jié)構(gòu)。4、各種無線通信協(xié)議對比表5、無線監(jiān)護(hù)傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要功能為采集人體生理指標(biāo)數(shù)據(jù)，或者對某些醫(yī)療設(shè)備的狀況或者治療過程情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，并通過射頻通信的方式，將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)護(hù)基站設(shè)備。其節(jié)點(diǎn)主要包括5部分:中央處理器模塊(CPU)、無線數(shù)據(jù)通信模塊、傳感器、A/D轉(zhuǎn)換及相關(guān)調(diào)理電路、電源模塊。節(jié)點(diǎn)框圖和處理器單元如圖3.1所示。傳感器及相傳感器及相關(guān)調(diào)理電路A/D轉(zhuǎn)換處理器模塊無線數(shù)據(jù)通信模塊電源模塊圖3.1監(jiān)護(hù)傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)MSP430系列單片機(jī)及其外圍電路處理器模塊硬件系統(tǒng)包括處理器模塊(16位單片機(jī)MSP430F149、存儲(chǔ)器及外圍芯片)、A/D轉(zhuǎn)換模塊、串行端口、存儲(chǔ)器模塊。下面將各個(gè)組成部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。(1)MSP430系列單片機(jī)MSP430F1XX單片機(jī)采用16位RISC結(jié)構(gòu)，其豐富的尋址方式、簡潔的內(nèi)核指令、較高的處理速度(8M晶體驅(qū)動(dòng)，指令周期125ns)、大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使之具有強(qiáng)大的處理能力。該系列單片機(jī)最顯著的特點(diǎn)就是超低功耗，在1.8~3.6V電壓、1MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行，耗電電流在0.1~400μA之間，RAM保持的節(jié)電模式為0.lμA，待機(jī)模式僅為0.7μA。另外，工作環(huán)境溫度范圍為-40~+85℃，可以適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境。綜合考慮處理器的性價(jià)比在傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中選用MSP430F133，內(nèi)嵌8KB的Flash和256B的RAM。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中微控制器實(shí)現(xiàn)功能如下:操作無線收發(fā)芯片，為無線數(shù)傳模塊提供工作狀態(tài)控制線和雙向串行傳輸數(shù)據(jù)線;實(shí)現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)采集—加速度、溫度、聲音和感光強(qiáng)度探測;本地?cái)?shù)據(jù)處理剔除冗余數(shù)據(jù)以減小網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢?fù)載和實(shí)現(xiàn)無線傳輸數(shù)據(jù)的封裝與驗(yàn)證;應(yīng)答遠(yuǎn)控中心查詢，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)與存儲(chǔ);區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的路由維護(hù)功能;節(jié)點(diǎn)電源管理，合理地設(shè)置待機(jī)狀態(tài)以節(jié)省能量延長節(jié)點(diǎn)使用壽命。(2)外圍電路復(fù)位電路(圖3.2)采用二極管、電阻、電容構(gòu)成低電平復(fù)位電路。JATG及BSL接口電路(圖3.3)，通過符合IEEE1149.1的JTAG邊界掃描技術(shù)，采用TMS,TCK,TDI,TDO分別模式選擇、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線，可用于芯片測試仿真、在線編程，從而大大加快了工程進(jìn)度。Pin12,Pin14分別連接單片機(jī)的P2.2和P1.1腳構(gòu)成BSL電路，可以燒斷熔絲保護(hù)程序，提高系統(tǒng)安全性。單片機(jī)采用低速晶振32768Hz和高速晶振8MHz。104C11PST/NMR32KR2K47IN4148D2v+3TCK+3vJTAGTDIP1.1/TXDP2.2/RXDJP2RST/NMITMSTDO/TDI1357911132468101214圖3.2復(fù)位電路圖3.3JTAG及BSL接口電路(3)實(shí)時(shí)時(shí)鐘SD2003ASD2003A是一種具有內(nèi)置晶振、支持護(hù)C總線接口的高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。該系列芯片可保證時(shí)鐘精度為±4ppm(在25±1℃下)，即年誤差小于2分鐘;該系列芯片可滿足對實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的各種需要及低廉的價(jià)格，比較適合本平臺(tái)的使用。RTC_INT2RTC_INT243216758SLC0SDA0V3R475.1kR48k5.1BT1CR2032SD2003C60u0.1+3VRTC_INTU11INTNCNCVSSVddSCLSDAINT2圖3.4實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片SD2003硬件連接圖該芯片功耗低，小于1.0μA;工作電壓1.7~5.5V之間;具有年、月、日、星期、時(shí)、分、秒的BCD碼輸入/輸出;可以設(shè)定兩路鬧鐘;內(nèi)置電源檢測電路、高精度晶振。管腳說明見表3-1。具體硬件連接圖見圖3.4，采用紐扣電池CR2032供電，SDA,SCL,INT1通過上拉電阻與單片機(jī)相連。(4)硬件節(jié)點(diǎn)物理索引號(ID)電路DS2401芯片是一個(gè)包含48位隨機(jī)數(shù)的芯片，達(dá)拉斯公司承諾其生產(chǎn)的任何兩片DS2401中包含的48位隨機(jī)碼都是不相同的。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中它即可以作為硬件節(jié)點(diǎn)的唯一標(biāo)識號，還可以作為無線通信的MAC層地址。表3-1SD2003引腳功能 管腳名稱 功能 特征1 INT1報(bào)警中斷，輸出腳，根據(jù)中斷寄存器與N_溝道開路輸出(與狀態(tài)寄存器來設(shè)置其工作的模式，當(dāng)定VDD端之間無保護(hù)二極時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)輸出低電平或時(shí)鐘信號。管)它可通過重寫狀態(tài)寄存器來禁止 2，3 NC沒有與芯片內(nèi)部連接 懸空或接地GND負(fù)電源(GND) INT2 報(bào)警中斷2輸出腳，根據(jù)中斷寄存器與N一溝道開路輸出(與 狀態(tài)寄存器來設(shè)置其工作的模式，當(dāng)定VDD端之間無保護(hù)二極 時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)輸出低電平或時(shí)鐘信號。管)它可通過重寫狀杰寄存器來禁止 5 SCL 串行時(shí)鐘輸入腳，由于在SCL上升l下CMOS輸入(與VDD間降沿處理信號，要特別注意SCL信號的無保護(hù)二極管) 上升/下降升降時(shí)間，應(yīng)嚴(yán)格遵守說明 書。 SDA 串行數(shù)據(jù)輸入/輸出腳，此管腳通常用一N溝道開路輸出(與VDD 電阻上拉至VDD，并與其它漏極開路或間無保護(hù)二極管)CMOS 集電器開路輸出的器件通過線與方式連輸入接. 8 VDD正電源 DS2401芯片除了地引腳，只有一根功能引腳，芯片的供電、輸入和輸出都是同各這個(gè)引腳完成的(圖3.5)。具體的一線通信協(xié)議及實(shí)現(xiàn)見底層代碼設(shè)計(jì)章節(jié)。C6C6u0.1+3VR605KU151324+3VDS2401_DQGNDNDNCDQDS2401圖3.5DS2401電路圖3.2.3通用模擬信號處理接口(1)通用模擬信號處理接口在實(shí)際電路應(yīng)用中，模擬信號采集是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。通用模擬信號處理接口能夠處理一些標(biāo)準(zhǔn)電壓和電流信號(0~5V,1~10V,0~10mA,4~20mA)，同時(shí)能夠?qū)⑽⑿盘柤安罘中盘栕龀鼍_的轉(zhuǎn)換。該設(shè)計(jì)采用了MSP430F149中的1路12位A/D轉(zhuǎn)換、Mrcrochip公司的可編程增益放大器(ProgrammableGainAmplifierAGP)MCP6S28及簡單的濾波保護(hù)電路來采集8路模擬信號，電路圖見圖3.8。圖中精密電阻用來分壓和將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，其電阻值可以根據(jù)需要做出修改，只要保證CH0~CH7的電壓不超過2.5V(MSP430單片機(jī)采用的參考電壓為2.5V)即可，穩(wěn)壓二極BZX84BSV6LT1用來保護(hù)意外干擾信號超過芯片MCP6S28引腳極限電壓造成芯片損壞。電容和電阻組成簡單的阻容式低通濾波器。MCP6S28將放大器、MUX和利用SPI總線選擇的增益控制器整合在一起，從而可以有效地提升系統(tǒng)的數(shù)碼仿真控制效能。通過有效的控制增益和選擇輸入信道來得到更大的設(shè)計(jì)靈活性，同時(shí)PGA不需要反饋和輸入電阻，可以大幅度減低成本并節(jié)省空間。UCLK0UCLK0SOMI0SIMO0MCP_CSCH73VU5VddSCKSOSICSVssVrefCH7VoutCH0CH1CH2CH3CH4CH5CH6P6.2/A2CH0CH1CH2CH3CH4CH5CH612345678161514131211109C620.1uV3MCP6S28150/10150/10V1%C15100/10V1%R733PR17AIN3CH3D8BZX84B5V6LT1V1%150/10C16100/10V1%R833PR18AIN4CH4D9BZX84B5V6LT1圖3.812位精度A/D轉(zhuǎn)換通用模擬信號采集電路為了使系統(tǒng)能夠測量差分信號、精度更高，這里采用16位自校準(zhǔn)0-E模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1100，該芯片帶有差分輸入和高達(dá)16位的分辨率，封裝為小型SOT23-6。轉(zhuǎn)換按比例進(jìn)行，以電源作為基準(zhǔn)電壓，ADS1100使用可兼容的I2C串行接口。ADS1100可每秒采樣8,16,32或128次以進(jìn)行轉(zhuǎn)換。片內(nèi)可編程的增益放大器(PGA)提供1,2,或48倍的增益，允許對更小的信號進(jìn)行測量，并具有高分辨率。在單周期轉(zhuǎn)換方式中，ADS1100在一次轉(zhuǎn)換之后自動(dòng)掉電，在空閑期間極大地減少了電流消耗。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.9所示，內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)和數(shù)字濾波器的工作模/數(shù)轉(zhuǎn)換器核由一個(gè)差VVIN-VIN+?-∑A/D轉(zhuǎn)換器I2C接口時(shí)鐘振蕩器PGAA=1,2,4或8SCLVDDSDAGND圖3.9ADS1100內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能框圖分開關(guān)電容0-E調(diào)節(jié)器和一個(gè)數(shù)字濾波器組成，調(diào)節(jié)器測量正模擬輸入和負(fù)模擬輸入的壓差，并將其與基準(zhǔn)點(diǎn)壓相比較，在ADS1100中，基準(zhǔn)電壓即電源電壓。數(shù)字濾波器從調(diào)節(jié)器收高速位流，并輸出一個(gè)代碼，該代碼是一個(gè)與輸入電壓成比例的數(shù)字。ADS1100集成了自校準(zhǔn)電路，對調(diào)節(jié)器的增益和偏移誤差進(jìn)行補(bǔ)償，具體數(shù)據(jù)見電特性表，ADS1100采用開關(guān)電容器輸入級。對外部電路而言類似電阻，電阻值取決于電容器的值和電容的開關(guān)頻率，對于PGA的增益而言，差分輸入阻抗的典型值為:2.4M/PGA。共模阻抗的典型值為8M歐姆。輸入阻抗的典型值不能忽視，除非輸入源為低阻抗，否則會(huì)影響測量精度。ADS1100的SCL,SDA引腳通過上拉電阻與時(shí)鐘芯片及智能電池接口復(fù)用連接到單片機(jī)的P6.3,P6.4口上。ADS1100內(nèi)有二個(gè)寄存器:輸出寄存器和匹配寄存器，它們均可通過I2C端口訪問。輸出寄存器內(nèi)含上一次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果;配置寄存器允許用戶改變ADS1100的工作方式并查詢電路的狀態(tài)。輸出寄存器:16位輸出寄存器中含有上一次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，該結(jié)果采取二進(jìn)制的補(bǔ)碼格式。在復(fù)位或上電之后，輸出寄存器被清零，并保持為0直到第一次A/D轉(zhuǎn)換完成。配置寄存器:8位配置寄存器用來控制ADS1100的工作方式、數(shù)據(jù)速率和可編程增益放大器(PGA)設(shè)置。配置寄存器的默認(rèn)設(shè)置是8CH，具體模式如下表3-2。表3-2配置寄存器BIT7BIT7654NAMEST/BSY00SCBIT3210NAMEDR1DR0PGA1PGA0其中ST/BSY位表示它是被寫入還是被讀出。在單周期轉(zhuǎn)換方式中，寫“1"到ST/BSY位則導(dǎo)致轉(zhuǎn)換的開始，寫“0”則無影響。在連續(xù)方式中，ADS1100將忽略ST/BSY的值。在單周期轉(zhuǎn)換方式中讀地，ST/BSY表明模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是否忙于進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換。如果ST/BSY被讀作“1"，則表明目前模/數(shù)轉(zhuǎn)換器忙，轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行;如果被讀作“0"，則表明目前沒有進(jìn)行轉(zhuǎn)換，且上一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果存于輸出寄存器中。在連續(xù)方式中，ST/BSY總是被讀作“1"。位6和位5為保留位，必須被置為“0"。SC位用于控制ADS1100的工作方式。當(dāng)SC為“1”時(shí)，ADS1100以單周期轉(zhuǎn)換方式工作;當(dāng)SC為“0”時(shí)，ADS1100以連續(xù)轉(zhuǎn)換方式工作。該位的默認(rèn)設(shè)置為0。位3和位2(DR位)用于控制ADS1100的數(shù)據(jù)速率，其控制方式如表3-3所列。位1和0(PGA位)用于控制ADS1100的增益設(shè)置，控制方式如表3-4所列表3-3DR位DR1DR1DR2DATARATE00128S/S0132S/S1016S/S118S/S表3-4PGA位PGA1PGA1PGA0GAIN001101012104118ADS1100的讀操作:用戶可從ADS1100中讀出輸出寄存器和配置寄存器的內(nèi)容。但為此要對ADS1100尋址，并從器件中讀出3個(gè)字節(jié)。前面的2個(gè)字節(jié)是輸出寄存器的內(nèi)容，第三個(gè)字節(jié)是配置寄存器的內(nèi)容。從AD1100中讀取多于3個(gè)字節(jié)的值是無效的。從第四個(gè)字節(jié)開始的所有字節(jié)將為FFH。ADS1100的寫操作:用戶可寫新的內(nèi)容至配置寄存器(但不能更改輸出寄存器的內(nèi)容)。為了做到這一點(diǎn)，要對ADS1100尋址以進(jìn)行寫操作，并對ADS1100配置寄存器寫入一個(gè)字節(jié)。Zigbee無線數(shù)據(jù)通信模塊2.4GHz無線收發(fā)芯片CC2420CC2420是Chipcon公司推出的一款符合IEEE802.15.4規(guī)范的2.4GHz射頻芯片，已經(jīng)被用來開發(fā)工業(yè)無線傳感及家庭組網(wǎng)等PAN網(wǎng)絡(luò)的Zigbee設(shè)備和產(chǎn)品。該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于Zigbee產(chǎn)品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技術(shù)，以0.18μmCBIOS工藝制成，只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。CC2420芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)CC2420芯片的內(nèi)部天線接收的射頻信號經(jīng)過低噪聲放大器和I/Q下變頻處理后，中頻信號只有2MHz，此混合I/Q信號經(jīng)過濾波、放大、AD變換、自動(dòng)增益控制、數(shù)字解調(diào)和解擴(kuò)、最終恢復(fù)出傳輸?shù)恼_數(shù)據(jù)。射機(jī)部分基于直接上變頻。要發(fā)送的數(shù)據(jù)先被送入128字節(jié)的發(fā)送緩存器中，頭幀和起始幀是通過硬件自動(dòng)產(chǎn)生的。根IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，所要發(fā)送的數(shù)據(jù)流的每4個(gè)比特被32碼片的擴(kuò)頻序列擴(kuò)頻后送到DA變換器。然后，經(jīng)過低通濾波和上變頻的混頻后的射頻信號最終被調(diào)制到2.4GHz，并經(jīng)放大后送到天線發(fā)射出去。(3)配置IEEE802.15.4工作模式CC2420先將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流進(jìn)行變換，每個(gè)字節(jié)被分組為兩個(gè)符號，每個(gè)符號包括4個(gè)比特LSB優(yōu)先傳輸。每個(gè)被分組的符號用32碼片的偽隨機(jī)序列表示，共有16個(gè)不同的32碼片偽隨機(jī)序列。經(jīng)過DSSS擴(kuò)頻變換后，碼片速率達(dá)到2Mchip/s，此碼片序列再經(jīng)過O-QPSK調(diào)制，每個(gè)碼片被調(diào)制為半個(gè)周期的正弦波。碼片流通過I/Q通道交替?zhèn)鬏敚瑑赏ǖ姥訒r(shí)為半個(gè)碼片周期。CC2420為IEEE802.15.4的數(shù)據(jù)幀格式提供硬件支持。其MAC層的幀格式為頭幀+數(shù)據(jù)幀+校驗(yàn)幀;PHY層的幀格式為，同步幀+PHY頭幀+MAC幀，幀頭序列的長度可以通過寄存器的設(shè)置來改變。可以采用16位CRC校驗(yàn)來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴０l(fā)送或接收的數(shù)據(jù)幀被送入RAM中的128字節(jié)的緩