基于JN5139的無線傳感器網絡體溫脈搏監測系統*

石建國,馬云輝

(電子科技大學中山學院,中山 528402)

引 言

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行連續監測,可為疾病的正確診療提供重要依據。隨著傳感器技術、嵌入式計算技術和無線通信技術的發展,基于無線傳感器網絡的生命體征監測系統受到越來越多的關注。其中,基于普通射頻芯片和自定義傳輸協議的系統具有實現簡單和成本較低的優點,缺點是可靠性較低、通用性較差[1-2];基于Bluetooth協議的系統數據傳輸率較高,但作用距離短,功耗高,組網能力弱[3-4];ZigBee作為建立在IEEE 802.15.4通信標準之上的低速無線個域網(Low-Rate Wireless Personal Network,LR-WPAN)協議規范,構成的系統具有復雜度低、功耗低、可靠性高、組網能力強等優點,成為本領域應用研究的熱點[5-8]。

本文提出一種支持體溫與脈搏監測的ZigBee無線傳感器網絡系統,可通過網絡定時收集現場測得的多路體溫和脈搏參數,并利用計算機進行集中存儲和管理,提高了病情監測的效率和質量。該系統具有可靠性高、可擴展性強、功耗低、成本低等優點。

1 監測系統總體結構

監測系統包括傳感器終端、無線路由器和基站共三類節點設備,以自組織方式構成ZigBee網狀無線傳感器網絡,如圖1所示。傳感器終端負責檢測體溫和脈搏,檢測結果通過各自的父節點路由器發送到基站。基站借助上位監控軟件對收到的數據進行存儲和顯示,并可根據用戶需要顯示網絡結構及設備當前狀態,設置采樣周期及報警門限,輸出反映病情變化的記錄報表和歷史曲線。

圖1 監測系統結構示意圖

2 節點硬件結構

2.1 JN5139無線微控制器

ZigBee節點設備的硬件實現方案主要分為兩大類：一類是將射頻收發器和微控制器分開,各使用1塊芯片,由用戶根據設備類型(Coordinator、Router、End Device)和功能分別選型,實現最佳搭配;另一類是將兩者集成在一塊芯片上,可簡化設備硬件設計,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單片無線微控制器,內含 32位 RISC CPU、2.4 GHz IEEE 802.15.4射頻收發器、192 KB ROM、96 KB RAM,以及豐富的并口、串口、定時器、A/D、D/A 等接口資源。為提高產品電磁兼容性,將JN5139芯片、16 M Hz晶振、128 KB串行Flash存儲器、陶瓷天線等元器件整合成為通用模塊,以其為核心,配以相應的外設、協議棧和應用代碼,便可實現不同類型的ZigBee節點設備。

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,則進入編程狀態,通過串口0下載PC機上的最新代碼,并將其寫入串行Flash。

圖2 傳感器終端原理圖

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通過使DIO1輸出低電平來控制測溫電路工作,利用3個12位A/D轉換通道分別測出3個點的電位,求出熱敏電阻的阻值,再利用熱敏電阻RT關系表及分段線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,發射光中的一部分透過指尖,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,經光敏三極管光—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。為解決個體差異等原因導致脈搏輸出信號飽和或過小的問題,發射管的工作電流由JN5139通過D/A轉換器自動調節。

圖3 脈搏檢測電路

2.3 無線路由器和基站

無線路由器主要負責數據轉發,本身并不承擔數據采集任務,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。作為網絡協調器的下位機為JN5139最小系統,上位機采用PC機,兩者通過異步串口進行通信(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直流電源供電。

圖4 基站原理圖

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、新節點加入指示幀的傳輸,傳輸幀的一般格式如下：

MSG幀長 源節點MAC地址 幀類型 幀參數1字節 8字節 1字節 N字節

3.2 地址模式

每個ZigBee節點均具有唯一的64位M AC地址。網絡建立以后,所有加入到網絡的新節點都由其父節點動態分配一個16位邏輯地址,此后,節點之間的通信默認使用16位邏輯地址。由于節點意外斷電、重啟等原因,網絡中可能出現一個節點在不同時段具有不同邏輯地址,或不同節點在同一時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。基站需事先對傳感器終端進行注冊,為每個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ZigBee節點設備具有相類似的程序結構,均通過非搶占式簡單任務調度器BOS來控制ZigBee協議棧和用戶任務的執行,任務之間利用事件進行通信。ZigBee協議棧負責網絡組織與維護、路由選擇、數據傳輸等工作,而網絡初始化設置、數據發送控制、接收處理等工作則依靠各設備的用戶任務來完成。

傳感器終端的軟件流程如圖5所示。

圖5 傳感器終端的軟件流程

可利用Jennic公司提供的CodeBlocks IDE、C語言編譯器、鏈接器、下載器、IEEE 802.15.4協議棧、ZigBee協議棧、芯片驅動庫、BOS操作系統等開發工具和軟件資源,完成ZigBee節點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++Builder 6.0開發,部分功能(如LCD數碼顯示、二進制串口收發)通過移植Delphi第三方控件實現。監控軟件通過串口接收網絡協調器發來的二進制數據幀,按約定的格式提取源節點MAC地址以及體溫、脈搏等信息,將其存入數據表并進行實時顯示和報警判斷。程序中定義了3個數據表,分別存儲設備注冊信息、網絡結構信息和體溫脈搏信息,各數據表通過設備的MAC地址相互關聯。歷史曲線的繪制采用TChart控件,網絡拓撲圖通過TCanvas繪制,顯示刷新周期為1 s。

4 性能測試

在室內環境下對1個基站、5個無線路由器、10個傳感器終端組成的系統進行多次組網實驗和性能測試。圖6為基站上位監控軟件實時監護窗口的運行界面,該窗口可同時顯示5個傳感器終端采集的最新數據。

圖6 實時監護窗口運行界面

測試結果：傳感器終端峰值工作電流為39 mA,休眠狀態下電流為0.46 mA,體溫測量精度為±0.1℃(32.0～43.0℃范圍內),脈搏測量精度為±5 bpm(40～220 bpm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協議的支持下快速組成所期望的網狀網絡結構。節點正常供電情況下,網絡能長時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路由器傳送到基站,并利用計算機進行存儲、顯示和分析。

實驗中發現,任何一個路由器斷電后再重啟,會造成其下屬傳感器終端無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,在有新節點加入時將最新的路由器鄰居表信息存入片外串行Flash,并在下次啟動時重新加載到內存使用。

結 語

本文設計的體溫與脈搏監測系統,采用基于ZigBee的無線傳感器網絡技術,并以JN5139無線微控制器構建3類節點設備,以較低的成本實現了體溫、脈搏參數的分布式無線采集與集中處理,同時具備高精度、高可靠性、低功耗等優點。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,以及進一步驗證更大規模監測系統的實用性。

[1]張鑫,王培勇,時永樂.基于nRF9E5的運動心率采集和無線發送處理系統[J].北京生物醫學工程,2008,27(1)：78-81.

[2]王桂靜,梁得勝,田錫天.基于nRF24E1的生命信號實時無線采集系統設計[J].工業儀表與自動化裝置,2005(3)：38-40.

[3]Krco S,Delic V.Personal wireless sensor network for mobile health care monitoring：Proc of Telecommunications in Modern Satellite,Cable and Broadcasting Service,2003[C]：471-474.

[4]王柏祥,戴燕云,施劍鋒,等.基于藍牙的心音、呼吸音無線電子聽診監護系統[J].國防科技大學學報,2006,28(6)：134-138.

[5]Zhao Ze,Cui Li.EasiMed：a remote health care solution：Proc of IEEE Engineering in Medicine and Biology Society,2005[C]：2145-2148.

[6]郭世富,馬樹元,吳平東,等.基于Zigbee技術的無線傳感器網絡在遠程家庭監護系統中的應用研究[J].電子技術應用,2006(6)：28-30.

[7]石道生,任毅,羅惠謙.基于ZigBee技術的遠程醫療監護系統設計與實現[J].武漢理工大學學報：信息與管理工程版,2008,30(3)：394-397.

[8]楊易華,吳效明,岑人經.基于Zigbee技術的穿戴式脈搏波檢測模塊的研制[J].傳感技術學報,2009,22(11)：1538-1541.