基于JN5139的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體溫脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

摘要：提出一種支持體溫與脈搏監(jiān)測(cè)的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。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(diǎn)設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)定時(shí)收集現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的多路體溫和脈搏參數(shù)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中存儲(chǔ)和管理。該系統(tǒng)具有精度高、連通性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)、功耗低等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：ZigBee；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；JN5139；體溫監(jiān)測(cè)；脈搏監(jiān)測(cè)

引言
    體溫和脈搏是反映人體健康狀況的重要生理指標(biāo)，對(duì)病人的這些生理指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，可為疾病的正確診療提供重要依據(jù)。隨著傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)受到越來越多的關(guān)注。其中，基于普通射頻芯片和自定義傳輸協(xié)議的系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單和成本較低的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是可靠性較低、通用性較差；基于Bluetooth協(xié)議的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸率較高，但作用距離短，功耗高，組網(wǎng)能力弱；ZigBee作為建立在IEEE 802．15．4通信標(biāo)準(zhǔn)之上的低速無線個(gè)域網(wǎng)(Low-Rate Wireless Personal Net-
work，LR-WPAN)協(xié)議規(guī)范，構(gòu)成的系統(tǒng)具有復(fù)雜度低、功耗低、可靠性高、組網(wǎng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為本領(lǐng)域應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。
    本文提出一種支持體溫與脈搏監(jiān)測(cè)的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可通過網(wǎng)絡(luò)定時(shí)收集現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的多路體溫和脈搏參數(shù)，并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中存儲(chǔ)和管理，提高了病情監(jiān)測(cè)的效率和質(zhì)量。該系統(tǒng)具有可靠性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括傳感器終端、無線路由器和基站共三類節(jié)點(diǎn)設(shè)備，以自組織方式構(gòu)成ZigBee網(wǎng)狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，如圖l所示。傳感器終端負(fù)責(zé)檢測(cè)體溫和脈搏，檢測(cè)結(jié)果通過各自的父節(jié)點(diǎn)路由器發(fā)送到基站。基站借助上位監(jiān)控軟件對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示，并可根據(jù)用戶需要顯示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)，設(shè)置采樣周期及報(bào)警門限，輸出反映病情變化的記錄報(bào)表和歷史曲線。

2 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)
2．1 JN5139無線微控制器
    ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備的硬件實(shí)現(xiàn)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(jù)設(shè)備類(Coordin-ator、Router、End Device)和功能分別選型，實(shí)現(xiàn)最佳搭配；另一類是將兩者集成在一塊芯片上，可簡(jiǎn)化設(shè)備硬件設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)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(nèi)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(shí)器、A／D、D／A等接口資源。為提高產(chǎn)品電磁兼容性，將JN5139芯片、16 MHz
晶振、128 KB串行Flash存儲(chǔ)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(yīng)的外設(shè)、協(xié)議棧和應(yīng)用代碼，便可實(shí)現(xiàn)不同類型的ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備。
2．2 傳感器終端
    如圖2所示，傳感器終端由JN5139 最小系統(tǒng)、體溫檢測(cè)電路、脈搏檢測(cè)電路組成，采用3．6 V鎳氫電池供電。最小系統(tǒng)包括JN5139模塊、復(fù)位元件R1及C1、狀態(tài)指示燈D1和程序下載接口j1。上電復(fù)位后，JN5139內(nèi)部ROM中的Bootloader自動(dòng)檢測(cè)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(nèi)RAM中運(yùn)行；若為低，則進(jìn)入編程狀態(tài)，通過串口0下載PC機(jī)上的最新代碼，并將其寫入串行Flash。

    體溫檢測(cè)電路由高精度NTC熱敏電阻RT和精密電阻R3～R5構(gòu)成。JN5139通過使DI01輸出低電平來控制測(cè)溫電路工作，利用3個(gè)12位A／D轉(zhuǎn)換通道分別測(cè)出3個(gè)點(diǎn)的電位，求出熱敏電阻的阻值，再利用熱敏電阻R-T關(guān)系表及分段線性化公式得到相應(yīng)的溫度。

    脈搏檢測(cè)電路包括光電傳感器及其信號(hào)調(diào)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(gòu)成，兩者相對(duì)安裝于遮光指套內(nèi)。測(cè)量脈搏時(shí)，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(qiáng)隨脈搏起伏呈現(xiàn)極微小變化，經(jīng)光敏三極管光一電轉(zhuǎn)換后，輸出直流和微弱交流相疊加的混合電壓信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)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(hào)，再由JN5139進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換、數(shù)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(gè)體差異等原因?qū)е旅}搏輸出信號(hào)飽和或過小的問題，發(fā)射管的工作電流由JN5139通過D／A轉(zhuǎn)換器自動(dòng)調(diào)節(jié)。
2．3 無線路由器和基站
    無線路由器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，本身并不承擔(dān)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，因此其硬件僅涉及JN5139最小系統(tǒng)(采用3．6 V直流電源供電)，不需額外配置其他外設(shè)。

    基站采用上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的下位機(jī)為JN5139最小系統(tǒng)，上位機(jī)采用PC機(jī)，兩者通過異步串口進(jìn)行通信(波特率為115．2 kbps)。圖中JN5139最小系統(tǒng)和MAX232電平轉(zhuǎn)換器均采用3．6 V盲流電源供電。

3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
3．1 傳輸幀結(jié)構(gòu)
    ZigBee支持KVP和MSG兩種數(shù)據(jù)幀格式，KVP適用于標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用框架系統(tǒng)中簡(jiǎn)單屬性值的傳輸，MSG則更適用于一般應(yīng)用系統(tǒng)以及需要傳輸批量數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。本系統(tǒng)采用MSG傳輸幀，其數(shù)據(jù)定義如下：

    監(jiān)測(cè)系統(tǒng)支持體溫脈搏數(shù)據(jù)幀、采樣控制幀、新節(jié)點(diǎn)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(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)均具有唯一的64位MAC地址。網(wǎng)絡(luò)建立以后，所有加入到網(wǎng)絡(luò)的新節(jié)點(diǎn)都由其父節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)分配一個(gè)16位邏輯地址，此后，節(jié)點(diǎn)之間的通信默認(rèn)使用16位邏輯地址。由于節(jié)點(diǎn)意外斷電、重啟等原因，網(wǎng)絡(luò)中可能出現(xiàn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)段具有不同邏輯地址，或不同
節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)段使用同一邏輯地址的情形。為確保數(shù)據(jù)源識(shí)別的可靠性，將傳感器終端的64位MAC地址也作為MSG幀負(fù)載的一部分，隨MSG幀一同傳到基站?；拘枋孪葘?duì)傳感器終端進(jìn)行注冊(cè)，為每個(gè)MAC地址建立相應(yīng)的標(biāo)識(shí)，如住院病人的床位號(hào)等。
3．3 軟件流程
    基于JN5139的各類ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備具有相類似的程序結(jié)構(gòu)，均通過非搶占式簡(jiǎn)單任務(wù)調(diào)度器BOS來控制ZigBee協(xié)議棧和用戶任務(wù)的執(zhí)行，任務(wù)之間利用事件進(jìn)行通信。ZigBee協(xié)議棧負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組織與維護(hù)、路由選擇、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ?，而網(wǎng)絡(luò)初始化設(shè)置、數(shù)據(jù)發(fā)送控制、接收處
理等工作則依靠各設(shè)備的用戶任務(wù)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(xié)議棧、ZigBee協(xié)議棧、芯片驅(qū)動(dòng)庫、BOS操作系統(tǒng)等開發(fā)工具和軟件資源，完成ZigBee節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)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(shù)碼顯示、二進(jìn)制串口收發(fā))通過移植Delphi第三方控件實(shí)現(xiàn)。監(jiān)控軟件通過串口接收網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)來的二進(jìn)制數(shù)據(jù)幀，按約定的格式提取源節(jié)點(diǎn)MAC地址以及體溫、脈搏等信息，將其存入數(shù)據(jù)表并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和報(bào)警判斷。程序中定義了3個(gè)數(shù)據(jù)表，分別存儲(chǔ)設(shè)備注冊(cè)信息、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息和體溫脈搏信息，各數(shù)據(jù)表通過設(shè)備的MAC地址相互關(guān)聯(lián)。歷史曲線的繪制采用TChart控件，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D通過TCanvas繪制，顯示刷新周期為1 s。

4 性能測(cè)試
    在室內(nèi)環(huán)境下對(duì)1個(gè)基站、5個(gè)無線路由器、10個(gè)傳感器終端組成的系統(tǒng)進(jìn)行多次組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)和性能測(cè)試。圖6為基站上位監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)窗口的運(yùn)行界面，該窗口可同時(shí)顯示5個(gè)傳感器終端采集的最新數(shù)據(jù)。

    測(cè)試結(jié)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(cè)量精度為土0．1℃(32．O～43．0℃范圍內(nèi))，脈搏測(cè)量精度為±5 bpm(40～220bpm范圍內(nèi))，數(shù)據(jù)幀單跳傳輸距離不小于20 m。
    測(cè)試表明，該系統(tǒng)能在ZigBee協(xié)議的支持下快速組成所期望的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)正常供電情況下，網(wǎng)絡(luò)能長(zhǎng)時(shí)間保持良好的連通性，各傳感器終端能夠按基站所設(shè)定的采樣周期，將測(cè)得的體溫和脈搏數(shù)據(jù)經(jīng)路由器傳送到基站，并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和分析。
    實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，任何一個(gè)路由器斷電后再重啟，會(huì)造成其下屬傳感器終端無法接收基站下達(dá)的采樣控制命令，而數(shù)據(jù)上傳功能卻不受影響。經(jīng)分析，這是由于路由器斷電后其內(nèi)存中的鄰居表信息丟失所致。解決的方法是，在有新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)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(dòng)時(shí)重新加載到內(nèi)存使用。

結(jié)語
    本文設(shè)計(jì)的體溫與脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并以JN5139無線微控制器構(gòu)建3類節(jié)點(diǎn)設(shè)備，以較低的成本實(shí)現(xiàn)了體溫、脈搏參數(shù)的分布式無線采集與集中處理，同時(shí)具備高精度、高可靠性、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。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(biāo)的采集，以及進(jìn)一步驗(yàn)證更大規(guī)模監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)用性。