基于WPAN技術(shù)和JN512芯片的無(wú)線(xiàn)醫療監護系統設計

1 序言

無(wú)線(xiàn)醫療監護是利用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)輔助醫療監護的簡(jiǎn)稱(chēng)。近年來(lái)隨著(zhù)生物醫學(xué)傳感器的小型化、信息處理和無(wú)線(xiàn)數據傳輸技術(shù)的快速發(fā)展和普及，使得無(wú)線(xiàn)醫療監護成為熱點(diǎn)。

ZigBee是一種今年來(lái)興起的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)標準，成本低、功耗低是其突出的優(yōu)勢。其網(wǎng)絡(luò )容量大，數據交換小，專(zhuān)注于低速率信號穿傳輸。完全符合基本生理信號的傳輸要求。

本文的主要首先介紹了基于WPAN的無(wú)線(xiàn)醫療監護技術(shù)，然后介紹了基于JN5121芯片的技術(shù)實(shí)現，以及試驗驗證。最后對無(wú)線(xiàn)醫療監護網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展前景及其存在課題做了展望。

2 基于WPAN無(wú)線(xiàn)醫療監護技術(shù)

WPAN是為在小范圍內的設備間建立無(wú)線(xiàn)連接而開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，IEEE標準化協(xié)會(huì )已為此制定了IEEE802.15.x標準.本文涉及的傳輸技術(shù)符合專(zhuān)門(mén)針對低速WPAN制定的IEEE802.15.4(Zigbee)標準。

本文提出的構架基于WPAN，即區別于無(wú)線(xiàn)遠程醫療。本文關(guān)注重點(diǎn)在于生理信號采集到生理信號中轉部分的無(wú)線(xiàn)方式。無(wú)線(xiàn)醫療監護方式主要由傳感器節點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊和接受節點(diǎn)構成。接受節點(diǎn)可接人監控中心，或者由以太網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)廣域網(wǎng)等方式接入監控中心，以此構成了完整的醫療監護網(wǎng)絡(luò )。在此構架下，醫用傳感器節點(diǎn)可以按照具體情況配置，構成局域或者家庭的無(wú)線(xiàn)醫療監護網(wǎng)絡(luò )，這種構架具有很大靈活性和擴展性。在這個(gè)構架中，我們無(wú)線(xiàn)通信方式以Zigbee協(xié)議為基礎，采用JN5121模塊作為無(wú)線(xiàn)收發(fā)節點(diǎn)。圖l中描述了無(wú)線(xiàn)醫療監護的系統結構圖。

圖1 無(wú)線(xiàn)醫療監護的系統結構圖

3 基于JN5121芯片的傳感器節點(diǎn)設計

3.1 JN5121模塊介紹

JN5121是Jennic公司推出的一款與IEEE802.15.4兼容的低功耗、低成本的無(wú)線(xiàn)微控制器。該模塊內置32位的RISC處理器，配置有2.4GHz頻段的EEE802.15.4標準的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，64kB的ROM.96kB RAM，為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用提供了多種多樣的解決方案，同事高度集成化的設計簡(jiǎn)化了總的系統成本，JN5121內置的ROM存儲器中集成了點(diǎn)對點(diǎn)通信與網(wǎng)狀網(wǎng)通信的完整協(xié)議棧；而其內置的RAM存儲器，可以支持網(wǎng)絡(luò )路由和控制器功能而不需要外部擴展任何的存儲空間，內置的硬件MAC地址和高度安全的AES加密算法加速器，減小了系統的功耗和處理器負載。它還支持晶振休眠和系統節能工程。同時(shí)提供了對于大量的模擬和數字外設的互操作支持可以方便的連接到用戶(hù)的外部應用系統。

3.2 傳感器節點(diǎn)設計

無(wú)線(xiàn)生理傳感器有兩部分組成：生理信號采集部分和無(wú)線(xiàn)傳輸部分。生理信號采集我們可以采用我們所需要的各種生理電極對人體的心電、血養飽和濃度、脈搏等等進(jìn)行冊測量。無(wú)線(xiàn)模塊我們采用集微處理器和RF芯片一體的S0C芯片JN5121，芯片可以控制整個(gè)節點(diǎn)的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理和任務(wù)管理。采用該芯片相對于以往Zigbee射頻芯片而言，不用外加MCU，有效的節省了芯片外圍電路，采用片上芯片方案可以近一步節省幾點(diǎn)體積，便于受監護者攜帶。圖2是生理無(wú)線(xiàn)傳感器方案。

圖2 生理無(wú)線(xiàn)傳感器方案

4 基本程序設計站的設計

JN5121芯片的設計是基于Zigbee協(xié)議的，所以首先我們了解一下Zigbee的基本知識。Zigbee協(xié)議的物理層以及MAC層都是按照802.15.4的標準制定的，而其網(wǎng)絡(luò )層和應用層的標準都是Zigbee聯(lián)盟制定?；赯igbee協(xié)議的實(shí)際應用開(kāi)發(fā)，我們只需要調用相應的API函數或者在應用層開(kāi)發(fā)程序代碼。本文簡(jiǎn)單介紹幾個(gè)需要應用到的重要函數。

在Jennic Zigbee協(xié)議中一個(gè)基本的操作系統(BOS)。它是一個(gè)簡(jiǎn)單的時(shí)問(wèn)調度器。它允許兩個(gè)任務(wù)進(jìn)程間通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的信息調度機制進(jìn)行通信。同事BOS控制Zigbee協(xié)議棧任務(wù)和用戶(hù)任務(wù)的執行。其中協(xié)議棧任務(wù)包括：網(wǎng)絡(luò )層、應用子層APS(ApplicaTIon Sub—Layer)和Zigbee設備對象ZDO(Zigbee Debice 0bjects)的所有進(jìn)程。通過(guò)事件的輪詢(xún)應用實(shí)現進(jìn)程的調度。整個(gè)流程如圖3所示。

圖3 實(shí)現進(jìn)程的調度流程

5 試驗驗證

我們采用北京博控公司代理的JN5121-M00模塊，信號取用采樣頻率為150Hz的脈搏信號。無(wú)線(xiàn)傳輸采用點(diǎn)對點(diǎn)方式，試驗證明通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò )和直接用PC采樣得到的結果并沒(méi)有顯著(zhù)差異。

6 結束語(yǔ)

本文初步介紹了JN5121模塊結構和主要功能，說(shuō)明了JN5121的基本程序設計流程。提出了JN5121在基于WPAN的無(wú)線(xiàn)醫療監護技術(shù)中應用的基本構想。

無(wú)線(xiàn)醫療監護方式可以減少受監護者與儀器之間的連線(xiàn)，得到更好的生理數據，同時(shí)，可以讓受監護者獲得更大的活動(dòng)空間。無(wú)線(xiàn)醫療監護方式的諸多優(yōu)點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)醫療監護技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力.隨著(zhù)硬件條件的不斷發(fā)展，無(wú)線(xiàn)醫療監護必將擁有廣闊的發(fā)展空間。