基于JN5139的無線傳感器網絡體溫脈搏監(jiān)測系統

摘要：提出一種支持體溫與脈搏監(jiān)測的ZigBee無線傳感器網絡系統。采用傳感器終端、無線路由器和基站3類基于JN5139微控制器的節(jié)點設備，通過網絡定時收集現場測得的多路體溫和脈搏參數，利用計算機進行集中存儲和管理。該系統具有精度高、連通性好、可擴展性強、功耗低等特點。
關鍵詞：ZigBee；無線傳感器網絡；JN5139；體溫監(jiān)測；脈搏監(jiān)測

引言
    體溫和脈搏是反映人體健康狀況的重要生理指標，對病人的這些生理指標進行連續(xù)監(jiān)測，可為疾病的正確診療提供重要依據。隨著傳感器技術、嵌入式計算技術和無線通信技術的發(fā)展，基于無線傳感器網絡的生命體征監(jiān)測系統受到越來越多的關注。其中，基于普通射頻芯片和自定義傳輸協議的系統具有實現簡單和成本較低的優(yōu)點，缺點是可靠性較低、通用性較差；基于Bluetooth協議的系統數據傳輸率較高，但作用距離短，功耗高，組網能力弱；ZigBee作為建立在IEEE 802．15．4通信標準之上的低速無線個域網(Low-Rate Wireless Personal Net-
work，LR-WPAN)協議規(guī)范，構成的系統具有復雜度低、功耗低、可靠性高、組網能力強等優(yōu)點，成為本領域應用研究的熱點。
    本文提出一種支持體溫與脈搏監(jiān)測的ZigBee無線傳感器網絡系統，可通過網絡定時收集現場測得的多路體溫和脈搏參數，并利用計算機進行集中存儲和管理，提高了病情監(jiān)測的效率和質量。該系統具有可靠性高、可擴展性強、功耗低、成本低等優(yōu)點。

1 監(jiān)測系統總體結構
    監(jiān)測系統包括傳感器終端、無線路由器和基站共三類節(jié)點設備，以自組織方式構成ZigBee網狀無線傳感器網絡，如圖l所示。傳感器終端負責檢測體溫和脈搏，檢測結果通過各自的父節(jié)點路由器發(fā)送到基站。基站借助上位監(jiān)控軟件對收到的數據進行存儲和顯示，并可根據用戶需要顯示網絡結構及設備當前狀態(tài)，設置采樣周期及報警門限，輸出反映病情變化的記錄報表和歷史曲線。

2 節(jié)點硬件結構
2．1 JN5139無線微控制器
    ZigBee節(jié)點設備的硬件實現方案主要分為兩大類：一類是將射頻收發(fā)器和微控制器分開，各使用1塊芯片，由用戶根據設備類(Coordin-ator、Router、End Device)和功能分別選型，實現最佳搭配；另一類是將兩者集成在一塊芯片上，可簡化設備硬件設計，提高系統的硬件可靠性。
    JN5139是Jennic公司推出的第二代IEEE 802．15．4／ZigBee單片無線微控制器，內含32位RISC CPU、2．4GHz IEEE 802．15．4射頻收發(fā)器、192 KB ROM、96 KBRAM，以及豐富的并口、串口、定時器、A／D、D／A等接口資源。為提高產品電磁兼容性，將JN5139芯片、16 MHz
晶振、128 KB串行Flash存儲器、陶瓷天線等元器件整合成為通用模塊，以其為核心，配以相應的外設、協議棧和應用代碼，便可實現不同類型的ZigBee節(jié)點設備。
2．2 傳感器終端
    如圖2所示，傳感器終端由JN5139 最小系統、體溫檢測電路、脈搏檢測電路組成，采用3．6 V鎳氫電池供電。最小系統包括JN5139模塊、復位元件R1及C1、狀態(tài)指示燈D1和程序下載接口j1。上電復位后，JN5139內部ROM中的Bootloader自動檢測MISO引腳電平。若為高，則直接將片外串行Flash中的程序代碼加載到片內RAM中運行；若為低，則進入編程狀態(tài)，通過串口0下載PC機上的最新代碼，并將其寫入串行Flash。

    體溫檢測電路由高精度NTC熱敏電阻RT和精密電阻R3～R5構成。JN5139通過使DI01輸出低電平來控制測溫電路工作，利用3個12位A／D轉換通道分別測出3個點的電位，求出熱敏電阻的阻值，再利用熱敏電阻R-T關系表及分段線性化公式得到相應的溫度。

    脈搏檢測電路包括光電傳感器及其信號調理電路，如圖3所示。光電傳感器由紅光發(fā)射管D1和光敏三極管Q1構成，兩者相對安裝于遮光指套內。測量脈搏時，發(fā)射光中的一部分透過指尖，照射到光敏三極管的受光面，透射光強隨脈搏起伏呈現極微小變化，經光敏三極管光一電轉換后，輸出直流和微弱交流相疊加的混合電壓信號。該信號經隔直、低通濾波和放大處理后，成為峰值接近Vcc／2的模擬脈搏信號，再由JN5139進行A／D轉換、數字濾波和周期判定，最終得到以min為單位的脈率值。為解決個體差異等原因導致脈搏輸出信號飽和或過小的問題，發(fā)射管的工作電流由JN5139通過D／A轉換器自動調節(jié)。
2．3 無線路由器和基站
    無線路由器主要負責數據轉發(fā)，本身并不承擔數據采集任務，因此其硬件僅涉及JN5139最小系統(采用3．6 V直流電源供電)，不需額外配置其他外設。

    基站采用上、下位機結構，如圖4所示。作為網絡協調器的下位機為JN5139最小系統，上位機采用PC機，兩者通過異步串口進行通信(波特率為115．2 kbps)。圖中JN5139最小系統和MAX232電平轉換器均采用3．6 V盲流電源供電。

3 應用程序設計
3．1 傳輸幀結構
    ZigBee支持KVP和MSG兩種數據幀格式，KVP適用于標準應用框架系統中簡單屬性值的傳輸，MSG則更適用于一般應用系統以及需要傳輸批量數據的場合。本系統采用MSG傳輸幀，其數據定義如下：

    監(jiān)測系統支持體溫脈搏數據幀、采樣控制幀、新節(jié)點加入指示幀的傳輸，傳輸幀的一般格式如下：

                   
3．2 地址模式
    每個ZigBee節(jié)點均具有唯一的64位MAC地址。網絡建立以后，所有加入到網絡的新節(jié)點都由其父節(jié)點動態(tài)分配一個16位邏輯地址，此后，節(jié)點之間的通信默認使用16位邏輯地址。由于節(jié)點意外斷電、重啟等原因，網絡中可能出現一個節(jié)點在不同時段具有不同邏輯地址，或不同
節(jié)點在同一時段使用同一邏輯地址的情形。為確保數據源識別的可靠性，將傳感器終端的64位MAC地址也作為MSG幀負載的一部分，隨MSG幀一同傳到基站?；拘枋孪葘鞲衅鹘K端進行注冊，為每個MAC地址建立相應的標識，如住院病人的床位號等。
3．3 軟件流程
    基于JN5139的各類ZigBee節(jié)點設備具有相類似的程序結構，均通過非搶占式簡單任務調度器BOS來控制ZigBee協議棧和用戶任務的執(zhí)行，任務之間利用事件進行通信。ZigBee協議棧負責網絡組織與維護、路由選擇、數據傳輸等工作，而網絡初始化設置、數據發(fā)送控制、接收處
理等工作則依靠各設備的用戶任務來完成。
    傳感器終端的軟件流程如圖5所示。

    可利用Jennic公司提供的CodeBlocks IDE、C語言編譯器、鏈接器、下載器、IEEE 802．15．4協議棧、ZigBee協議棧、芯片驅動庫、BOS操作系統等開發(fā)工具和軟件資源，完成ZigBee節(jié)點應用程序的設計以及代碼的生成與下載。
    基站上位監(jiān)控軟件采用C++Builder6．O開發(fā)，部分功能(如LCD數碼顯示、二進制串口收發(fā))通過移植Delphi第三方控件實現。監(jiān)控軟件通過串口接收網絡協調器發(fā)來的二進制數據幀，按約定的格式提取源節(jié)點MAC地址以及體溫、脈搏等信息，將其存入數據表并進行實時顯示和報警判斷。程序中定義了3個數據表，分別存儲設備注冊信息、網絡結構信息和體溫脈搏信息，各數據表通過設備的MAC地址相互關聯。歷史曲線的繪制采用TChart控件，網絡拓撲圖通過TCanvas繪制，顯示刷新周期為1 s。

4 性能測試
    在室內環(huán)境下對1個基站、5個無線路由器、10個傳感器終端組成的系統進行多次組網實驗和性能測試。圖6為基站上位監(jiān)控軟件實時監(jiān)護窗口的運行界面，該窗口可同時顯示5個傳感器終端采集的最新數據。

    測試結果：傳感器終端峰值工作電流為39 mA，休眠狀態(tài)下電流為O．46 mA，體溫測量精度為土0．1℃(32．O～43．0℃范圍內)，脈搏測量精度為±5 bpm(40～220bpm范圍內)，數據幀單跳傳輸距離不小于20 m。
    測試表明，該系統能在ZigBee協議的支持下快速組成所期望的網狀網絡結構。節(jié)點正常供電情況下，網絡能長時間保持良好的連通性，各傳感器終端能夠按基站所設定的采樣周期，將測得的體溫和脈搏數據經路由器傳送到基站，并利用計算機進行存儲、顯示和分析。
    實驗中發(fā)現，任何一個路由器斷電后再重啟，會造成其下屬傳感器終端無法接收基站下達的采樣控制命令，而數據上傳功能卻不受影響。經分析，這是由于路由器斷電后其內存中的鄰居表信息丟失所致。解決的方法是，在有新節(jié)點加入時將最新的路由器鄰居表信息存入片外串行Flash，并在下次啟動時重新加載到內存使用。

結語
    本文設計的體溫與脈搏監(jiān)測系統，采用基于ZigBee的無線傳感器網絡技術，并以JN5139無線微控制器構建3類節(jié)點設備，以較低的成本實現了體溫、脈搏參數的分布式無線采集與集中處理，同時具備高精度、高可靠性、低功耗等優(yōu)點。后續(xù)工作包括利用JN5139的接口資源和處理能力支持更多生理指標的采集，以及進一步驗證更大規(guī)模監(jiān)測系統的實用性。