摘要：提出一種支持體溫與脈搏監(jiān)測(cè)的ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),。采用傳感器終端、無(wú)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(guò)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(wú)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(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展,，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)受到越來(lái)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(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),，可通過(guò)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(wú)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(wú)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(guò)各自的父節(jié)點(diǎn)路由器發(fā)送到基站?；窘柚衔槐O(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(wú)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(kāi)，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(wú)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(guò)串口0下載PC機(jī)上的最新代碼，并將其寫(xiě)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(guò)使DI01輸出低電平來(lái)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(guò)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(guò)小的問(wèn)題,，發(fā)射管的工作電流由JN5139通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換器自動(dòng)調(diào)節(jié),。
2．3 無(wú)線路由器和基站
    無(wú)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(guò)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,。基站需事先對(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(guò)非搶占式簡(jiǎn)單任務(wù)調(diào)度器BOS來(lái)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)裙ぷ鳎W(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(lái)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(yǔ)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(kù),、BOS操作系統(tǒng)等開(kāi)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(kāi)發(fā),，部分功能(如LCD數(shù)碼顯示、二進(jìn)制串口收發(fā))通過(guò)移植Delphi第三方控件實(shí)現(xiàn),。監(jiān)控軟件通過(guò)串口接收網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)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(guò)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(guò)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(wú)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(wú)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(yǔ)
    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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),，并以JN5139無(wú)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(wú)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。