無線傳感器網(wǎng)絡醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)設計

word文檔可自由復制編輯無線傳感器網(wǎng)絡醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)設計1、什么是無線傳感器網(wǎng)絡？簡介：無線傳感器網(wǎng)絡是由大量具有特定功能的傳感器節(jié)點通過自組織的方式，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。主要技術：它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、通信技術、微電子制造技術、分布式信息處理技術和軟件編程技術等。特點：節(jié)點數(shù)量大、密度高；節(jié)點能量、計算能力和存儲容量有限；網(wǎng)絡具有自組織能力；傳感器節(jié)點具有數(shù)據(jù)融合能力。2、網(wǎng)絡醫(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)絡技術，傳遞醫(yī)療傳感器與監(jiān)護控制儀器之間的信息。此系統(tǒng)由傳感器節(jié)點、路由節(jié)點、協(xié)調(diào)器及節(jié)點之間的通信網(wǎng)絡組成，采用樹型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)由傳感器節(jié)點經(jīng)路由節(jié)點傳輸至協(xié)調(diào)器，之間的通信由基于Zipbee無線通信網(wǎng)絡實現(xiàn)，協(xié)調(diào)器通過與計算機之間的串口通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在計算機上的動態(tài)顯示3、網(wǎng)絡醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)組成傳感器節(jié)點：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，抗干擾性好、操作簡便、體積小、重量輕成本低等特點。路由節(jié)點：是一個全功能節(jié)點，考慮到網(wǎng)絡范圍的大小，而無線發(fā)射功率有限，所以設置路由節(jié)點，對分組進行中繼轉(zhuǎn)發(fā)，將其下屬節(jié)點傳輸?shù)纳頂?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至協(xié)調(diào)器，從而擴大無線監(jiān)測的范圍。此外，路由器上有傳感器件，也可以進行數(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整個ZigBee網(wǎng)絡，加入到此ZigBee網(wǎng)絡的設備必須得到協(xié)調(diào)器的批準。它是在路由節(jié)點的基礎上增加RS232接口，負責將路由節(jié)點及傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)通過串口通信傳到計算機中，以便醫(yī)護人員進行處理。節(jié)點間通信：各節(jié)點間及節(jié)點與協(xié)調(diào)器之間的無線通信由Zigbee技術實現(xiàn)，選用CC2430芯片，它結(jié)合了一個高性能2.4GHzRF射頻收發(fā)器核心和一個增強型的8051控制器,省去了單片機與無線收發(fā)芯片之間的接口設計，從而會簡化結(jié)構(gòu)。4、各種無線通信協(xié)議對比表5、無線監(jiān)護傳感器節(jié)點的設計無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點主要功能為采集人體生理指標數(shù)據(jù)，或者對某些醫(yī)療設備的狀況或者治療過程情況進行動態(tài)監(jiān)測，并通過射頻通信的方式，將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)護基站設備。其節(jié)點主要包括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)換及相關調(diào)理電路、電源模塊。節(jié)點框圖和處理器單元如圖3.1所示。傳感器及相關調(diào)理電路傳感器及相關調(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)護傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)MSP430系列單片機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MSP430F149、存儲器及外圍芯片)、A/D轉(zhuǎn)換模塊、串行端口、存儲器模塊。下面將各個組成部分進行詳細介紹。(1)MSP430系列單片機MSP430F1XX單片機采用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，指令周期125ns)、大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器使之具有強大的處理能力。該系列單片機最顯著的特點就是超低功耗，在1.8~3.6V電壓、1MHz的時鐘條件下運行，耗電電流在0.1~400μA之間，RAM保持的節(jié)電模式為0.lμA，待機模式僅為0.7μA。另外，工作環(huán)境溫度范圍為-40~+85℃，可以適應各種惡劣的環(huán)境。綜合考慮處理器的性價比在傳感器節(jié)點設計中選用MSP430F133，內(nèi)嵌8KB的Flash和256B的RAM。實驗系統(tǒng)中微控制器實現(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;實現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)采集—加速度、溫度、聲音和感光強度探測;本地數(shù)據(jù)處理剔除冗余數(shù)據(jù)以減小網(wǎng)絡傳輸?shù)呢撦d和實現(xiàn)無線傳輸數(shù)據(jù)的封裝與驗證;應答遠控中心查詢，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)與存儲;區(qū)域內(nèi)節(jié)點的路由維護功能;節(jié)點電源管理，合理地設置待機狀態(tài)以節(jié)省能量延長節(jié)點使用壽命。(2)外圍電路復位電路(圖3.2)采用二極管、電阻、電容構(gòu)成低電平復位電路。JATG及BSL接口電路(圖3.3)，通過符合IEEE1149.1的JTAG邊界掃描技術，采用TMS,TCK,TDI,TDO分別模式選擇、時鐘、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度。Pin12,Pin14分別連接單片機的P2.2和P1.1腳構(gòu)成BSL電路，可以燒斷熔絲保護程序，提高系統(tǒng)安全性。單片機采用低速晶振32768Hz和高速晶振8MHz。TCK+3vTCK+3vJTAGTDIP1.1/TXDP2.2/RXDJP2RST/NMITMSTDO/TDI1357911132468101214104C11PST/NMIR32KR247KIN4148D2+3v圖3.2復位電路圖3.3JTAG及BSL接口電路(3)實時時鐘SD2003ASD2003A是一種具有內(nèi)置晶振、支持護C總線接口的高精度實時時鐘芯片。該系列芯片可保證時鐘精度為±4ppm(在25±1℃下)，即年誤差小于2分鐘;該系列芯片可滿足對實時時鐘芯片的各種需要及低廉的價格，比較適合本平臺的使用。RTC_INT2RTC_INT243216758SLC0SDA03VR475.1kR485.1kBT1CR2032SD2003C600.1u+3VRTC_INTU11INT1NCNCVSSVddSCLSDAINT2圖3.4實時時鐘芯片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、分、秒的BCD碼輸入/輸出;可以設定兩路鬧鐘;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相連。(4)硬件節(jié)點物理索引號(ID)電路DS2401芯片是一個包含48位隨機數(shù)的芯片，達拉斯公司承諾其生產(chǎn)的任何兩片DS2401中包含的48位隨機碼都是不相同的。在無線傳感器網(wǎng)絡中它即可以作為硬件節(jié)點的唯一標識號，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1INT1報警中斷，輸出腳，根據(jù)中斷寄存器與狀態(tài)寄存器來設置其工作的模式，當定時時間到達時輸出低電平或時鐘信號。它可通過重寫狀態(tài)寄存器來禁止N_溝道開路輸出(與VDD端之間無保護二極管)2，3NC沒有與芯片內(nèi)部連接懸空或接地4GND負電源(GND)5INT2報警中斷2輸出腳，根據(jù)中斷寄存器與狀態(tài)寄存器來設置其工作的模式，當定時時間到達時輸出低電平或時鐘信號。它可通過重寫狀杰寄存器來禁止N一溝道開路輸出(與VDD端之間無保護二極管)5SCL串行時鐘輸入腳，由于在SCL上升l下降沿處理信號，要特別注意SCL信號的上升/下降升降時間，應嚴格遵守說明書。CMOS輸入(與VDD間無保護二極管)SDA串行數(shù)據(jù)輸入/輸出腳，此管腳通常用一電阻上拉至VDD，并與其它漏極開路或集電器開路輸出的器件通過線與方式連接.N溝道開路輸出(與VDD間無保護二極管)CMOS輸入8VDD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引腳完成的(圖3.5)。具體的一線通信協(xié)議及實現(xiàn)見底層代碼設計章節(jié)。C6C60.1u+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際電路應用中，模擬信號采集是一個重要環(huán)節(jié)。通用模擬信號處理接口能夠處理一些標準電壓和電流信號(0~5V,1~10V,0~10mA,4~20mA)，同時能夠?qū)⑽⑿盘柤安罘中盘栕龀鼍_的轉(zhuǎn)換。該設計采用了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單片機采用的參考電壓為2.5V)即可，穩(wěn)壓二極BZX84BSV6LT1用來保護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計靈活性，同時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/A2CH0CH1CH2CH3CH4CH5CH612345678161514131211109C620.1u3VMCP6S28150/10V1%150/10V1%C15100/10V1%R733PR17AIN3CH3D8BZX84B5V6LT1150/10V1%C16100/10V1%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0-E模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1100，該芯片帶有差分輸入和高達16位的分辨率，封裝為小型SOT23-6。轉(zhuǎn)換按比例進行，以電源作為基準電壓，ADS1100使用可兼容的I2C串行接口。ADS1100可每秒采樣8,16,32或128次以進行轉(zhuǎn)換。片內(nèi)可編程的增益放大器(PGA)提供1,2,4或8倍的增益，允許對更小的信號進行測量，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)部時鐘發(fā)生器驅(qū)動調(diào)節(jié)和數(shù)字濾波器的工作模/數(shù)轉(zhuǎn)換器核由一個差VVIN-VIN+?-∑A/D轉(zhuǎn)換器I2C接口時鐘振蕩器PGAA=1,2,4或8SCLVDDSDAGND圖3.9ADS1100內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能框圖分開關電容0-E調(diào)節(jié)器和一個數(shù)字濾波器組成，調(diào)節(jié)器測量正模擬輸入和負模擬輸入的壓差，并將其與基準點壓相比較，在ADS1100中，基準電壓即電源電壓。數(shù)字濾波器從調(diào)節(jié)器收高速位流，并輸出一個代碼，該代碼是一個與輸入電壓成比例的數(shù)字。ADS1100集成了自校準電路，對調(diào)節(jié)器的增益和偏移誤差進行補償，具體數(shù)據(jù)見電特性表，ADS1100采用開關電容器輸入級。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，否則會影響測量精度。ADS1100的SCL,SDA引腳通過上拉電阻與時鐘芯片及智能電池接口復用連接到單片機的P6.3,P6.4口上。ADS1100內(nèi)有二個寄存器: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)果采取二進制的補碼格式。在復位或上電之后，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)設置。配置寄存器的默認設置是8CH，具體模式如下表3-2。表3-2配置寄存器BIT7654NAMEST/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)換正在進行;如果被讀作“0"，則表明目前沒有進行轉(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SC為“1”時，ADS1100以單周期轉(zhuǎn)換方式工作;當SC為“0”時，ADS1100以連續(xù)轉(zhuǎn)換方式工作。該位的默認設置為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的增益設置，控制方式如表3-4所列表3-3DR位DR1DR2DATARATE00128S/S0132S/S1016S/S118S/S表3-4PGA位PGA1PGA0GAIN001101012104118ADS1100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個字節(jié)。前面的2個字節(jié)是輸出寄存器的內(nèi)容，第三個字節(jié)是配置寄存器的內(nèi)容。從AD1100中讀取多于3個字節(jié)的值是無效的。從第四個字節(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，要對ADS1100尋址以進行寫操作，并對ADS1100配置寄存器寫入一個字節(jié)。Zigbee無線數(shù)據(jù)通信模塊(1)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)絡的Zigbee設備和產(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，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標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設備支持數(shù)據(jù)傳輸率高達250kbps，可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。(2)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、自動增益控制、數(shù)字解調(diào)和解擴、最終恢復出傳輸?shù)恼_數(shù)據(jù)。射機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產(chǎn)生的。根IEEE802.15.4標準，所要發(fā)送的數(shù)據(jù)流的每4個比特被32碼片的擴頻序列擴頻后送到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)流進行變換，每個字節(jié)被分組為兩個符號，每個符號包括4個比特LSB優(yōu)先傳輸。每個被分組的符號用32碼片的偽隨機序列表示，共有16個不同的32碼片偽隨機序列。經(jīng)過DSSS擴頻變換后，碼片速率達到2Mchip/s，此碼片序列再經(jīng)過O-QPSK調(diào)制，每個碼片被調(diào)制為半個周期的正弦波。碼片流通過I/Q通道交替?zhèn)鬏?，兩通道延時為半個碼片周期。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置來改變?？梢圆捎?6位CRC校驗來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)幀被送入RAM中的128字節(jié)的緩存區(qū)進行相應