基于JN5139的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )體溫脈搏監測系統方案

提出一種支持體溫與脈搏監測的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統。采用傳感器終端、無(wú)線(xiàn)路由器和基站3類(lèi)基于JN5139微控制器的節點(diǎn)設備，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )定時(shí)收集現場(chǎng)測得的多路體溫和脈搏參數，利用計算機進(jìn)行集中存儲和管理。該系統具有精度高、連通性好、可擴展性強、功耗低等特點(diǎn)。

體溫和脈搏是反映人體健康狀況的重要生理指標，對病人的這些生理指標進(jìn)行連續監測，可為疾病的正確診療提供重要依據。隨著(zhù)傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的生命體征監測系統受到越來(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)議的系統具有實(shí)現簡(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)議的系統數據傳輸率較高，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通信標準之上的低速無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)(Low-Rate Wireless Personal Net-work，LR-WPAN)協(xié)議規范，構成的系統具有復雜度低、功耗低、可靠性高、組網(wǎng)能力強等優(yōu)點(diǎn)，成為本領(lǐng)域應用研究的熱點(diǎn)。

本文提出一種支持體溫與脈搏監測的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )定時(shí)收集現場(chǎng)測得的多路體溫和脈搏參數，并利用計算機進(jìn)行集中存儲和管理，提高了病情監測的效率和質(zhì)量。該系統具有可靠性高、可擴展性強、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 監測系統總體結構

監測系統包括傳感器終端、無(wú)線(xiàn)路由器和基站共三類(lèi)節點(diǎn)設備，以自組織方式構成ZigBee網(wǎng)狀無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，如圖l所示。傳感器終端負責檢測體溫和脈搏，檢測結果通過(guò)各自的父節點(diǎn)路由器發(fā)送到基站?；窘柚衔槐O控軟件對收到的數據進(jìn)行存儲和顯示，并可根據用戶(hù)需要顯示網(wǎng)絡(luò )結構及設備當前狀態(tài)，設置采樣周期及報警門(mén)限，輸出反映病情變化的記錄報表和歷史曲線(xiàn)。

2 節點(diǎn)硬件結構

2．1 JN5139無(wú)線(xiàn)微控制器

ZigBee節點(diǎn)設備的硬件實(shí)現方案主要分為兩大類(lèi)：一類(lèi)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(hù)根據設備類(lèi)(Coordin-ator、Router、End Device)和功能分別選型，實(shí)現最佳搭配；另一類(lèi)是將兩者集成在一塊芯片上，可簡(jiǎn)化設備硬件設計，提高系統的硬件可靠性。

JN5139是Jennic公司推出的第二代IEEE 802．15．4／ZigBee單片無(wú)線(xiàn)微控制器，內含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存儲器、陶瓷天線(xiàn)等元器件整合成為通用模塊，以其為核心，配以相應的外設、協(xié)議棧和應用代碼，便可實(shí)現不同類(lèi)型的ZigBee節點(diǎn)設備。

2．2 傳感器終端

如圖2所示，傳感器終端由JN5139 最小系統、體溫檢測電路、脈搏檢測電路組成，采用3．6 V鎳氫電池供電。最小系統包括JN5139模塊、復位元件R1及C1、狀態(tài)指示燈D1和程序下載接口j1。上電復位后，JN5139內部ROM中的Bootloader自動(dòng)檢測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RAM中運行；若為低，則進(jìn)入編程狀態(tài)，通過(guò)串口0下載PC機上的最新代碼，并將其寫(xiě)入串行Flash。

體溫檢測電路由高精度NTC熱敏電阻RT和精密電阻R3～R5構成。JN5139通過(guò)使DI01輸出低電平來(lái)控制測溫電路工作，利用3個(gè)12位A／D轉換通道分別測出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(xiàn)性化公式得到相應的溫度。

脈搏檢測電路包括光電傳感器及其信號調理電路，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構成，兩者相對安裝于遮光指套內。測量脈搏時(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，透射光強隨脈搏起伏呈現極微小變化，經(jīng)光敏三極管光一電轉換后，輸出直流和微弱交流相疊加的混合電壓信號。該信號經(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，再由JN5139進(jìn)行A／D轉換、數字濾波和周期判定，最終得到以min為單位的脈率值。為解決個(gè)體差異等原因導致脈搏輸出信號飽和或過(guò)小的問(wèn)題，發(fā)射管的工作電流由JN5139通過(guò)D／A轉換器自動(dòng)調節。

2．3 無(wú)線(xiàn)路由器和基站

無(wú)線(xiàn)路由器主要負責數據轉發(fā)，本身并不承擔數據采集任務(wù)，因此其硬件僅涉及JN5139最小系統(采用3．6 V直流電源供電)，不需額外配置其他外設。

基站采用上、下位機結構，如圖4所示。作為網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器的下位機為JN5139最小系統，上位機采用PC機，兩者通過(guò)異步串口進(jìn)行通信(波特率為115．2 kbps)。圖中JN5139最小系統和MAX232電平轉換器均采用3．6 V盲流電源供電。

3 應用程序設計

3．1 傳輸幀結構

ZigBee支持KVP和MSG兩種數據幀格式，KVP適用于標準應用框架系統中簡(jiǎn)單屬性值的傳輸，MSG則更適用于一般應用系統以及需要傳輸批量數據的場(chǎng)合。本系統采用MSG傳輸幀，其數據定義如下：

監測系統支持體溫脈搏數據幀、采樣控制幀、新節點(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 )的新節點(diǎn)都由其父節點(diǎn)動(dòng)態(tài)分配一個(gè)16位邏輯地址，此后，節點(diǎn)之間的通信默認使用16位邏輯地址。由于節點(diǎn)意外斷電、重啟等原因，網(wǎng)絡(luò )中可能出現一個(gè)節點(diǎn)在不同時(shí)段具有不同邏輯地址，或不同

節點(diǎn)在同一時(shí)段使用同一邏輯地址的情形。為確保數據源識別的可靠性，將傳感器終端的64位MAC地址也作為MSG幀負載的一部分，隨MSG幀一同傳到基站?；拘枋孪葘鞲衅鹘K端進(jìn)行注冊，為每個(gè)MAC地址建立相應的標識，如住院病人的床位號等。

3．3 軟件流程

基于JN5139的各類(lèi)ZigBee節點(diǎn)設備具有相類(lèi)似的程序結構，均通過(guò)非搶占式簡(jiǎn)單任務(wù)調度器BOS來(lái)控制ZigBee協(xié)議棧和用戶(hù)任務(wù)的執行，任務(wù)之間利用事件進(jìn)行通信。ZigBee協(xié)議棧負責網(wǎng)絡(luò )組織與維護、路由選擇、數據傳輸等工作，而網(wǎng)絡(luò )初始化設置、數據發(fā)送控制、接收處

理等工作則依靠各設備的用戶(hù)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、芯片驅動(dòng)庫、BOS操作系統等開(kāi)發(fā)工具和軟件資源，完成ZigBee節點(diǎn)應用程序的設計以及代碼的生成與下載。

基站上位監控軟件采用C++Builder6．O開(kāi)發(fā)，部分功能(如LCD數碼顯示、二進(jìn)制串口收發(fā))通過(guò)移植Delphi第三方控件實(shí)現。監控軟件通過(guò)串口接收網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器發(fā)來(lái)的二進(jìn)制數據幀，按約定的格式提取源節點(diǎn)MAC地址以及體溫、脈搏等信息，將其存入數據表并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和報警判斷。程序中定義了3個(gè)數據表，分別存儲設備注冊信息、網(wǎng)絡(luò )結構信息和體溫脈搏信息，各數據表通過(guò)設備的MAC地址相互關(guān)聯(lián)。歷史曲線(xiàn)的繪制采用TChart控件，網(wǎng)絡(luò )拓撲圖通過(guò)TCanvas繪制，顯示刷新周期為1 s。

4 性能測試

在室內環(huán)境下對1個(gè)基站、5個(gè)無(wú)線(xiàn)路由器、10個(gè)傳感器終端組成的系統進(jìn)行多次組網(wǎng)實(shí)驗和性能測試。圖6為基站上位監控軟件實(shí)時(shí)監護窗口的運行界面，該窗口可同時(shí)顯示5個(gè)傳感器終端采集的最新數據。

測試結果：傳感器終端峰值工作電流為39 mA，休眠狀態(tài)下電流為0．46 mA，體溫測量精度為土0．1℃(32．0～43．0℃范圍內)，脈搏測量精度為±5 bpm(40～220bpm范圍內)，數據幀單跳傳輸距離不小于20 m。

測試表明，該系統能在ZigBee協(xié)議的支持下快速組成所期望的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )結構。節點(diǎn)正常供電情況下，網(wǎng)絡(luò )能長(cháng)時(shí)間保持良好的連通性，各傳感器終端能夠按基站所設定的采樣周期，將測得的體溫和脈搏數據經(jīng)路由器傳送到基站，并利用計算機進(jìn)行存儲、顯示和分析。

實(shí)驗中發(fā)現，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)法接收基站下達的采樣控制命令，而數據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存中的鄰居表信息丟失所致。解決的方法是，在有新節點(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)重新加載到內存使用。

結語(yǔ)

本文設計的體溫與脈搏監測系統，采用基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，并以JN5139無(wú)線(xiàn)微控制器構建3類(lèi)節點(diǎn)設備，以較低的成本實(shí)現了體溫、脈搏參數的分布式無(wú)線(xiàn)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的采集，以及進(jìn)一步驗證更大規模監測系統的實(shí)用性。