基于ZigBee技術的病人綜合信息網關設計*

王長峰，白帆，羅儒，王柏淵，陳進軍

（貴州大學電氣工程學院，貴陽550003）

基于ZigBee技術的病人綜合信息網關設計*

王長峰，白帆，羅儒，王柏淵，陳進軍*

（貴州大學電氣工程學院，貴陽550003）

為了實現病人監護設備的智能化，提出了一種基于ZigBee無線傳感技術的醫療監護系統網關解決方案。該方案將測量到的人體體溫、血壓等數據通過ZigBee無線傳感器網絡傳輸到網關節點，再由網關節點對這些生理參數進行詳細處理，醫生可根據這些數據對病人的生理情況做出診斷評估。經試驗證明，終端節點在60 m內可保證通信效果，及數據準確性。

網關；ZigBee；STM32；CC2430；Ethernet；Z-Stack

為了更好地對病人進行準確地、人性化地進行醫療監護，人們開始越來越多地關注無線醫療監護技術。無線醫療監護系統可以將測量的病人生理參數通過無線傳感器網絡傳輸到監控中心，監控中心對這些生理參數進行詳細處理，從而做出診斷評估。基于ZigBee網絡的醫療監護系統與傳統醫療監護系統相比，在設備功耗、抗干擾性、傳輸數據速率等方面都有明顯的優勢，因此本系統的設計方案是將ZigBee無線技術與以太網網絡技術相結合。在分析符合ZigBee標準的無線監護網絡模型的基礎上，進行了網關、路由器以及終端設備的硬軟件設計，并實現了整個無線監護網絡內的實時通訊。

1　系統方案設計

1.1系統方案總體構建

本文設計了基于STM32處理器的ZigBee無線傳感醫療監護網絡的網關平臺，通過將ZigBee數據包轉換為以太網的TCP/IP數據包，實現了數據在兩種網絡間的傳輸。系統結構圖如圖1所示。

圖1　ZigBee信息網關總體結構

1.2ZigBee無線傳感網絡設計

1.2.1ZigBee無線網絡拓撲結構的選擇

ZigBee網絡支持星狀、樹狀和網狀3種網絡拓撲結構［1］。考慮到本設計是在實驗環境下通過其他組員設計所采集到的體溫、血壓等信息來驗證所設計系統的可行性及一些基本性能。所以本設計選擇星型網絡作為無線傳感器網絡的拓撲結構。

1.2.2ZigBee無線網絡的組建

當FFD協調器設備被激活后，首先進行對物理層所默認的有效信道進行能量掃描，以檢測可能存在的網絡重疊及PAN ID沖突的干擾，并對檢測到的信道按能量值進行信道排序。然后執行主動掃描過程以選擇唯一的16 bit PAN ID，建立自己的網絡。當一個新網絡被建立后，ZigBee路由器與終端設備就可以加入到該網絡中了。

1.3STM32嵌入式以太網網關設計

系統的網關平臺是以內部集成以太網MAC的STM32微處理器STM32F103RBT6為核心，以太網控制芯片ENC28J60，網口變壓器H1102NC，存儲器SD卡和顯示模塊等模塊組成。結構如圖2所示。

圖2　STM32網關結構框圖

2　系統硬件設計

系統的硬件平臺是以內部集成以太網MAC的STM32系列處理器STM32F103RBT6為核心，以太網控制芯片ENC28J60和CC2430為ZigBee無線收發模塊等模塊組成。ZigBee無線傳感網絡協調器CC2430和STM32嵌入式以太網網關之間利用串行UART總線通信，構成無線醫療監護網絡網關平臺。

2.1ZigBee協調器的硬件設計

ZigBee協調器模塊采用TI公司生產的CC2430芯片來設計，CC2430芯片不僅具有符合IEEE802.15.4規范的2.4 GHz無線射頻前端，它還在片內集成了一個8 bit的8051MCU，還集成了8路輸入并可配置的12 bit ADC、4個定時器、AES-128協同處理器、看門狗定時器、32 kHz晶振的休眠時器、上電復位/掉電檢測電路以及21個可編程I/O引腳［2］。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝；在接收和發射模式下，電流損耗分別低于27 mA和25 mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。

2.2嵌入式以太網網關的硬件設計

針對嵌入式設計應用精簡、低功耗的特點，本設計采用意法半導體生產高性能的ARM Cortex-M3內核的STM32系列處理器STM32F103RBT6作為嵌入式以太網網關的主處理器。其主頻可達72 MHz，內高速存儲器，豐富的增強I/O端口和連接到兩條APB總線的外設，包含2個12 bit的ADC、3個通用16 bit定時器和一個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN［3］。

3　系統軟件設計

3.1ZigBee協調器的工作流程

ZigBee無線傳感網絡協調器上電后首先對CC2430進行初始化，然后創建一個無線網絡，選定一個PAN ID作為協調器的網絡標識，創建路由表，然后對外發布廣播幀，通知傳感器節點可以加入該網絡。當有子節點申請加入時，為每一個子節點分配地址。當需要進行數據采集時，網絡協調器發出數據采集指令，之后等待接收采集到的數據，并將數據通過UART接口傳送到STM32處理器，由以太網卡芯片ENC28J60負責將數據發送到以太網上［4］。網絡協調器節點軟件流程如圖3所示。

圖3　網絡協調器節點軟件流程圖

3.2STM32嵌入式以太網網關的軟件設計

3.2.1網關初始化

網關的初始化包括對STM32處理器的初始化和對ENC28J60的配置。首先設置STM32的系統時鐘和引腳輸出方式，SPI總線設置為符合ENC28J60的時序要求［5］。

對ENC28J60的初始化是由SPI總線對其的寄存器進行配置完成的，主要設置收發緩沖區的大小和起始地址，設置以太網過濾器，配置MAC層、物理層和LED指示燈等。

3.2.2ENC28J60發送數據的硬件底層驅動

ENC28J60內的MAC控制器在發送數據時將會自動生成幀的前導符和起始定界符。主控制器必須生成其它幀字段，包括報頭、目的地址、源地址、數據長度和實際數據，再將它們寫入發送緩沖器，等待發送［6-7］。

3.2.3ENC28J60接收數據的硬件底層驅動

ENC28J60接收到一個完整的以太網數據包后，內部的以太網過濾器會自動進行過濾，未經過濾的數據包將會寫入接收緩沖器，并向CPU發送中斷請求。CPU進入中斷處理程序后，獲得緩沖器中的數據包并交予上層協議處理。

4　系統的總體測試

4.1調試平臺的創建

在調試當中，硬件平臺的搭建由3個無線終端設備實現。通過采集模擬體溫來驗證系統的各性能，如無線網絡傳輸數據的正確性、穩定性。體溫值采用ZigBee無線終端模塊上配置的溫度傳感器TISC506采集［8-9］。整個系統的硬件采用如下搭配：3個無線終端設備，其中一個為本設計的網絡協調器，另一個為網絡的無線傳感器子節點，采用STM32與以太網控制器實現網關功能。

4.2系統測試

（1）星型網絡通信效果和以太網數據管理功能測試ZigBee星型無線通信網絡構建后，協調器通過STM32網關控制，對傳感器網絡發出控制命令，終端節點按照命令進行數據采集并上傳。

①通過監控系統向協調器發出A/D采樣的參數，采樣時間間隔和采樣通道后，傳感器網絡節點按監控系統規定的參數開始數據采集，并將數據匯集到協調器節點上傳到STM32網關系統進行數據處理。圖4為溫度數據顯示。

圖4　溫度顯示

②在實驗中（60 m以內），經過對比各終端節點傳感器采集的數據結果和STM32網關以太網通信顯示的結果，發現二者結果一致，證明本網關數據傳輸是準確的。超過60 m，終端節點采集到的體溫數據經過無線傳輸后會發生1℃左右的偏差，可能是由于實驗環境障礙物較多。試驗結果表明，設計的協調器可以組網實現ZigBee星型網的應用，終端節點在60 m內可保證通信效果及數據的準確性，STM32網關以太網可有效地對星型網進行管理［10］。

（2）節點通信穿透能力測試在測試當中發現如果將一個節點放在實驗室，另一個節點放在另一實驗室，通信將中斷。試驗結果表明，ZigBee無線通信技術穿透能力不是很強。將ZigBee無線傳感器網絡技術應用在空曠、無障礙物的場地，效果會更好。

（3）網絡數據傳輸效率測試網絡數據轉輸效率即點對點的有效數據傳輸成功率。測試過程中采用靜態綁定，節點綁定表始終保存在協調器中。監控程序采用串口調試程序，以記錄數據包收發情況。節點間的通信距離約為2 m～6.5 m不等，其中任意兩個終端節點同時以10 ms，20 ms，50 ms的3種數據發送周期向協調器節點發送數據。在10 ms 和20 ms周期時，測試時間約為10 min，在采用50 ms以上周期時，測試時間約為5 min。從測試結果看，考慮節點處理數據延遲及節點收到緩沖區大小等因素的限制，為降低數據包錯誤率，保證數據傳輸的高效性，節點數據發送周期應高于20 ms。

5　結束語

本文通過無線傳感器網絡的應用，以病人綜合信息監測為應用對象，設計了基于STM32處理器的ZigBee無線醫療傳感網絡的網關平臺，完成了基于ZigBee網關的I/O模塊的硬件原理設計；通過對ZigBee協議棧的分析并結合CC2430的應用進行了系統的整體軟件設計，完成了CC2430到以太網數據的通信。實現了對采集到的數據進行實時監控管理。最后對設計的無線無線醫療傳感器網絡網關平臺進行了測試，基本達到了預期目標，具有一定的應用價值。

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王長峰（1989-），男，遼寧省丹東市，貴州大學電氣工程學院檢測技術與自動化裝置專業，在讀碩士研究生，研究方向為傳感器，568915924@qq.com；

陳進軍（1956-），男，陜西戶縣，本科，高級工程師，碩士生導師，實驗室主任，主要研究方向和領域為光電應用技術與傳感器技術，ggjjchen@sina.com.cn。

Design of Integrated Information Gateway for Patients Based on ZigBee Technology*

WANG Changfeng，BAI Fan，LUO Ru，WANG Boyuan，CHEN Jinjun*
（College Electronic Engineering Technology，Guizhou University，Guiyang 550003，China）

In order to realize intelligent patient monitoring equipment，a solution of medical monitoring system gate?way is proposed based on ZigBee wireless sensor technology.The program will measure the human body tempera?ture，blood pressure，and transmit data to the gateway node through the ZigBee wireless sensor network.The gate?way node will process the physiological parameters detailedly，doctors can make a diagnosis evaluation according to the data of the patient's physiology.Experiments prove that the terminal nodes within 60 meters can guarantee the communication effect，and the data accuracy.

Gateway；ZigBee；STM32；CC2430；Ethernet；Z-Stack

TP393

A

1005-9490（2016）02-0475-04

EEACC：252010.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.045

項目來源：貴州大學研究生創新基金項目（研理工：2015008）

2015-05-22修改日期：2015-07-01