脈搏攜帶著豐富的生理、生化和病理信息,，具有重要的生理參考,、醫(yī)學診斷和研究價值。目前,，脈搏信息已被廣泛地應用于心血管系統(tǒng)疾病監(jiān)測,、睡眠質量評估、疲勞程度監(jiān)測及運動機能水平監(jiān)測等與人類生活息息相關的領域[1-3]?，F(xiàn)有的脈搏采集系統(tǒng)主要存在設備價格昂貴,、功耗大、體積大,、靈活性差,、采用有線傳輸方式及不易擴展等問題，不能方便地實現(xiàn)對人體脈搏信息實時,、不間斷的測量,。因此，本文提出采用集微處理器和RF功能于一體的SOC芯片CC2530作為脈搏感知節(jié)點的主控芯片,，實現(xiàn)對節(jié)點的能量管理和任務調度,。

1 感知節(jié)點硬件設計
1.1 硬件結構
    考慮到節(jié)點的升級,、擴展等問題，節(jié)點硬件采用模塊化設計方案,。節(jié)點硬件結構由處理器模塊,、傳感器模塊、無線通信模塊和電源模塊四部分構成,，其具體結構如圖1所示,。處理器模塊負責對整個節(jié)點進行控制和管理；傳感器模塊負責采集脈搏信息并做一定的數(shù)據(jù)轉換,；無線通信模塊負責節(jié)點之間按一定的通信協(xié)議相互通信,；電源模塊負責為節(jié)點供電，提供各部分運行所需的電量,。

1.2 硬件具體設計
1.2.1 處理器模塊設計
    在充分考慮處理芯片的體積,、計算能力、功耗情況,、存儲空間,、集成度、成本及開發(fā)環(huán)境等因素的情況下,，本設計采用TI公司的CC2530作為控制芯片,。CC2530集成了微處理器、存儲器和射頻模塊,，是一個SoC片上解決方案,。它具有高集成度、低功耗,、小體積,、低成本、外圍電路簡單以及接口豐富等特點,；支持點對點,、點對多點、多點對多點無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸,；可外接多種傳感器用于無線數(shù)據(jù)采集,。CC2530的外圍電路如圖2所示。CC2530選用兩個晶振確保電路正常工作,，XTAL1是32 kHz的主晶振,；XTAL2是32.768 kHz的可選晶振，用于低睡眠電流消耗和精確喚醒時間的應用[4],。部分外部元件取值表如表1所示,。

1.2.2 無線通信模塊設計
    無線通信模塊設計需考慮通信協(xié)議、數(shù)據(jù)傳輸速率,、調制方式,、通信頻段,、接收靈敏度、收發(fā)功率,、省電模式,、外圍電路是否簡單、與處理器的接口等因素,。使用單極子不平衡天線,，配合由分立電感、電容(C252,、L252,、C262、L261)組成的輸入/輸出匹配電路,，滿足阻抗為50 Ω的天線的匹配要求,，達到芯片的最優(yōu)性能。
1.2.3 傳感器模塊設計
    脈搏傳感器是脈搏感知節(jié)點的重要組成部分,，其穩(wěn)定性和精度決定了脈搏信息的準確性和有效性,。在綜合考慮脈搏傳感器的工作原理、靈敏度,、體積,、成本等因素的基礎上，本設計采用HKB-2000型集成化脈搏傳感器,。它是一種集成度高,、軟接觸式的無創(chuàng)型脈搏傳感器，將PVDF壓電膜,、靈敏度溫度補償元件,、感溫元件、信號調理電路集成在傳感器內,。該傳感器采用壓電式原理采集信號，輸出完整的脈搏模擬電壓信號,，具有靈敏度高,、成本低、抗干擾能力強,、性能穩(wěn)定,、使用壽命長等優(yōu)點，非常適合用于脈搏的無創(chuàng)檢測中[5],。
1.2.4 電源模塊設計[6]
    出于對傳感器節(jié)點電氣安全性和便攜性的考慮,，本設計采用2節(jié)1.5 V蓄電池供電?？紤]到處理器芯片和傳感器工作電壓范圍,，采用美國MAXIM公司推出的MAX756高集成度電源管理芯片,，以解決傳統(tǒng)開關電源設計電路復雜、體積龐大,、自身功耗較大的問題,。MAX756具有外圍電路簡單、轉換效率高,、功耗低,、工作電壓范圍廣等特點，且具有電池低壓檢測功能,，可方便地提供5 V(HK-2000B型脈搏傳感器典型工作電壓)和3.3 V(CC2530芯片典型工作電壓)電壓供節(jié)點正常工作,。MAX756典型的工作電路圖如圖3所示。

2.1 軟件平臺[7]
    TinyOS是專為無線傳感器網(wǎng)絡設計的操作系統(tǒng),。它采用組件的架構方式,、輕量級線程技術、事件驅動機制,、主動消息通信模式和兩級任務調度方式的設計思想,，滿足了并發(fā)處理的要求，提高了節(jié)點的資源利用效率,。TinyOS環(huán)境下的編程語言為NesC,，NesC是對C語言的擴展，擴展的目的是將C的模塊化思想與TinyOS的事件驅動機制結合起來,。限于篇幅,，本文主要介紹脈搏采集處理和無線發(fā)送子程序的設計。
2.2 脈搏采集處理子程序
    脈搏采集處理程序主要負責脈搏信號的采集和QRS檢測,。模塊上電后進行初始化操作,，啟動A/D，進行A/D轉換,；定時到后,，讀取數(shù)據(jù)，進行QRS檢測,，并將結果打包發(fā)送,。具體程序流程如圖5所示。

2.3 無線發(fā)送子程序
    復合感知節(jié)點采用CC2530作為處理器芯片,，其集成了CC2520作為射頻RF模塊,。CC2520中RAM有768 B，其中有128 B的發(fā)送FIFO緩存區(qū)和128 B的接收FIFO緩存區(qū),。在發(fā)送數(shù)據(jù)之前,，需進行數(shù)據(jù)幀格式檢驗和空閑信道偵聽。具體流程如圖6所示。
3 感知節(jié)點功耗測試
    節(jié)點的使用壽命是脈搏感知節(jié)點考慮的關鍵問題,。本文在完成感知節(jié)點設計的基礎上,，對脈搏感知節(jié)點的功耗進行了初步估算。由于節(jié)點的生命周期和各個狀態(tài)的功耗密切相關,，因此通過對感知節(jié)點各個狀態(tài)的功耗進行估算來計算單個節(jié)點的生命周期,。由于CC2520接收和發(fā)送信息的過程比較復雜，在不同的網(wǎng)絡拓撲結構以及不同的信息負載時有著不同的工作時間和電量消耗,，因此只能對節(jié)點功耗進行估算,，如表2所示。
    由表2可以計算出節(jié)點各部分1小時的功耗電流,。處理器1小時的功耗電流：6.5 mA×0.01+10×0.001 mA×0.99=0.074 9 mA,；CC2520射頻部分1小時的功耗電流：14 mA×0.007 5+16 mA×0.002 5+20×0.001 mA×0.99=0.164 8 mA；脈搏傳感器板1小時的功耗電流：5 mA×0.01+5×0.001 mA×0.99=0.050 99 mA,；節(jié)點總的功耗電流：0.074 9 mA+0.164 8 mA+0.050 99 mA=0.290 69 mA,。以3 V電池2 000 mAH的存儲電量為例，則系統(tǒng)連續(xù)運行時間為286天(2 000 mA/(0.290 69 mA×24天)),。

    本文設計的脈搏感知節(jié)點采用集微處理器和RF芯片于一體的CC2530作為主控芯片,，控制脈搏信號的采集、處理和發(fā)送操作,，實現(xiàn)功耗管理和任務管理,。試驗結果表明，感知節(jié)點具有功耗低,、精度高,、實時性強、穩(wěn)定可靠,、體積小,、靈活性高和擴展性強的特點。該脈搏感知節(jié)點可廣泛地適用于家庭醫(yī)療護理,、睡眠質量評估,、遠程醫(yī)療監(jiān)控、疲勞監(jiān)測,、運動負荷監(jiān)控及運動機能判定等領域中的脈搏信號實時監(jiān)測,，有廣闊的應用前景。
參考文獻
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