多生理參數的無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)監護系統設計

摘要：基于ZigBee PRO無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，以SoC芯片CC2530為核心控制元件，采用脈搏傳感器、溫度傳感器等傳感技術(shù)，設計了一個(gè)無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)監護系統。實(shí)現了人體的體溫、脈率以及脈搏信號等生理參數的采集、實(shí)時(shí)定位等功能，采集到的數據通過(guò)ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )傳輸到監護系統終端。
關(guān)鍵詞：ZigBee PRO；CC2530；無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )；生理參數；定位

1 ZigBee PRO技術(shù)及其優(yōu)勢
ZigBee PRO在網(wǎng)絡(luò )可靠性、網(wǎng)絡(luò )容量以及抗干擾性等多方面均有所改善。設計的目標是商業(yè)和工業(yè)環(huán)境，支持大型網(wǎng)絡(luò )，1000個(gè)以上網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。
1．1 隨機地址分配機制
ZigBee PRO用隨機地址分配機制取代了原有的樹(shù)地址分配機制，使其更加適合于大規模的網(wǎng)絡(luò )。隨機地址分配機制的網(wǎng)絡(luò )地址是隨機選取配置的，并通過(guò)不斷監控和達到“管理”流量將地址沖突挑選出來(lái)。因此，所有節點(diǎn)的位置與其在整個(gè)系統網(wǎng)絡(luò )拓撲中實(shí)際相對位置完全沒(méi)有關(guān)系，并且不需要事先根據網(wǎng)絡(luò )分布情況配置最多路由器節點(diǎn)、最長(cháng)深度等網(wǎng)絡(luò )參數。
1．2 路由算法改進(jìn)
ZigBee PRO新增了一對多路由、多對一路由和源節點(diǎn)路由。在無(wú)線(xiàn)監護系統中，如果每個(gè)節點(diǎn)鄙做到一對一路由，將產(chǎn)生大量的廣播信息，容易造成網(wǎng)絡(luò )堵塞和路由表中的路由信息溢出。多對一路由，就是一個(gè)單一的廣播傳輸形成所有設備到發(fā)送廣播的設備的反向路由，可解決上述問(wèn)題，并能快速地建立路由路徑。
1．3 頻率跳變
ZigBee協(xié)議通常工作在ISM 2．4G頻段，該頻段常用于工業(yè)、科學(xué)與醫療，如Wi-Fi和Bluetooth，因此數據傳輸的抗干擾能力十分重要。ZigBee PRO具有頻率跳變的功能，當受到外界的強干擾時(shí)會(huì )自動(dòng)搜索一條新的空閑信道，然后將整個(gè)網(wǎng)絡(luò )快速且無(wú)縫地轉移到該信道上運行。
1．4 數據包分割／重組傳輸機制
ZigBee的PHY層定義的最大數據包長(cháng)度為127字節，除去各協(xié)議層的幀頭開(kāi)銷(xiāo)，實(shí)際一幀的有效數據載荷一般不超過(guò)90個(gè)字節。在無(wú)線(xiàn)監護系統中，終端沒(méi)備每次發(fā)送的數據量達到幾百字節，ZigBee PRO提供的數據包分割／重組傳輸機制解決了大數據包的問(wèn)題。發(fā)送節點(diǎn)自動(dòng)將大數據包分割成小數據包后進(jìn)行傳輸，接收節點(diǎn)后再將小數據包重組還原成大數據包。

2 系統總體設計方案
2．1 網(wǎng)絡(luò )架構
無(wú)線(xiàn)監護系統采用ZigBee PRO協(xié)議構成網(wǎng)狀網(wǎng)，具有很高的傳輸可靠性和自修復能力。無(wú)線(xiàn)監護系統的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構如圖1所示。其中，協(xié)調器負責建立和維護網(wǎng)絡(luò )，并通過(guò)USB與監護終端進(jìn)行雙向通信；路由器負責最佳路由路徑的搜尋以及數據的轉發(fā)，并協(xié)助終端設備進(jìn)行定位；終端設備佩戴在被監護人身上，負責生理參數和定位信息的采集，只具備數據發(fā)送而無(wú)轉發(fā)功能。

2．2 終端設備電路框圖
本系統的硬件電路包括協(xié)調器、路由器和終端設備。其中，協(xié)調器和路由器的電路大部分相同，只是協(xié)調器增加了USB轉UART的模塊。終端設備電路框圖如圖2所示。