毕业设计（论文）-基于ZigBee的无线传感器通信网络架构方法研究.doc

南南 开开 大大 学学 本 科 生 毕 业 论 文（设 计） 中文题目：基于基于 ZigBee 的无的无线传线传感器通信网感器通信网络络架构方法研究架构方法研究 外文题目：The Analysis of How to Build the WSN On ZigBee 学 号： 姓 名： 年 级：2007 级级 学 院：信息技信息技术术科学学院科学学院 系 别：电电子信息与通信系子信息与通信系 专 业：电电子信息科学与技子信息科学与技术术 完成日期：2010 年年 5 月月 7 日日 指导教师： 关于南开大学本科生毕业论文（设计）的声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文（设计） ，题目基于 ZigBee 的无线传 感器通信网络架构方法研究是本人在指导教师指导下，进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他 人创作的、以公开发表或没有公开发表的作品内容。对本论文所涉及的研究工 作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创 性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 本人声明：该学位论文是本人指导学生完成的研究成果，已经审阅过论文 的全部内容，并能够保证题目、关键词、摘要部分中英文内容的一致性和准确 性。 学位论文指导教师签名： 年 月 日 I 摘 要 无线传感器网络在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域都有着极其 广泛的用途。作为极具发展潜力的技术，其发展和应用将会给人类的生产和生 活带来巨大的影响。ZigBee 虽然在近几年才制定出来，但作为实现无线传感器 网络的一项重要技术，加上其低成本、低功耗、低复杂度等优点，其发展也取 得的瞩目的成绩。 由于 ZigBee 技术及无线传感器网络技术的不断进步，人们渴望更多的了解 与认识这种会给日常生活和生产带来革命性进步的技术。鉴于此，本文详细介 绍了 ZigBee 协议的各项指数，比较了几种常见的无线通信标准，在提出使用 CC2430 芯片搭建医院病人无线监护系统设计思路的基础上，介绍了基于 ZigBee 无线传感器网络架构的方法。 关键词：无线传感器网络 ZigBee 技术 CC2430 病人无线监护系统 II Abstract Wireless Sensor Network have extremely extensive use in industry, agriculture, military, environment, medical care and other traditional fields. As a promising technology, its development and use bring tremendous influence to our production and life. Although ZigBee technology appears not long, as an important technology for the WSN, plus its low cost, low power consumption, low complexity, the development of the ZigBee technology has achieved spectacular results. Due to the process of the ZigBee technology of the WSN, people hope to learn more about the technology which can bring revolutionary process of the daily life. So, this paper introduces the ZigBee technology, compares several common wireless standards, and tells the method of how to build the WSN based on the ZigBee technology by design the concept of the hospital patient wireless monitoring system using the CC2430. Keywords: WSN; ZigBee technology; CC2430; Patient Wireless Monitoring System III 目目 录录 摘摘 要要.I ABSTRACT .II 目目 录录.III 1.1. 引引 言言.1 1.11.1 前前 言言.1 1.21.2 研究意义研究意义.2 1.31.3 文献综述文献综述.2 1.41.4 论文结构论文结构.4 2.2. ZIGBEE 技术的介绍技术的介绍.5 2.12.1 ZIGBEE技术的历史发展及特点介绍技术的历史发展及特点介绍.5 2.22.2 几种无线标准的比较几种无线标准的比较.6 2.2.1 工作模式.6 2.2.2 频率、数据速率和范围.6 2.32.3 ZIGBEE协议构架协议构架.6 2.3.1物理层.7 2.3.2介质接入控制层.8 2.3.3网络层NWK.8 2.3.4应用层APL.9 2.42.4 ZIGBEE支持的网络拓扑结构介绍支持的网络拓扑结构介绍.9 3.3. 无线病床监护系统设计方案及预期结果无线病床监护系统设计方案及预期结果.10 3.13.1 无线病床监护系统功能要求和设计思想无线病床监护系统功能要求和设计思想.10 3.2.1系统功能要求.10 3.2.2设计思想.11 3.23.2 开发平台介绍开发平台介绍.11 3.2.1硬件选择.11 3.2.2软件选择.13 3.33.3 系统设计方案系统设计方案.14 3.43.4 软件设计软件设计.15 3.53.5 预期结果预期结果.17 3.5.1传感器节点部分.17 3.5.2数据接收控制中心.18 IV 4.4. 结束语结束语.18 4.14.1 总总 结结.18 4.24.2 展展 望望.19 参考文献参考文献.20 致致 谢谢.21 1 1. 引 言 1.1 前 言 医院病人的监护系统是保障病人生命安全的重要设施，现如今国内大多医 院的该系统采用“有线连接、护士检查”的方式监护病人的各项身体指标。这 种方式使病人在休息的时候极为不便，严重影响病人的正常休息；同时该系统 不能时时把病人的身体指标传到监护中心，仅靠护士定时的记录，对于患有某 些突发性疾病的病人的安全得不到有效的保障。如果能使该系统实现无线网络 通信，将具有十分积极的意义。 曾经有人说过这样的话：“今天的世界已经是无线的世界，未来的世界更 是无线的天下。 ”众众所周知，无线网络通信技术在许多领域都可以发挥出比有 线技术更加优异的性能，并且在个别领域还能解决有线技术束手无策的难题， 它给人类社会带来了无法想象的便利。因此，对无线网络通信技术的研究已逐 渐被各领域的人所重视。 无线传感器网络是一种很常见的无线技术应用。该网络由分布在监测区域内 的大量传感器节点组成，各个节点间通过无线通信方式形成的一个多跳的自组 织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象 的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络 的三个要素。通过无线传感器网络，我们可以很容易的对特定区域的一些数据 进行实时监测，尤其是对于一些地理环境复杂的地方，无线传感器网络更能发 挥出优良的性能。尤其是 ZigBee 技术出现之后，基于 ZigBee 的无线传感器网 络的应用更加广泛。因此，我们可以将基于 ZigBee 的无线传感器网络技术应用 到医院病人监护系统中。 ZigBee 技术作为一种近距离、低复杂度、低成本的双向无线通讯技术，近 些年来广泛应用在现代无线通信领域。随着 ZigBee 技术逐渐应用在人们的生活 的各个方面，人们对于该技术的兴趣更加浓厚。但对于 ZigBee 技术的起源与发 展，以及如何使用该技术进行无线网络，尤其是无线传感器网络的构建，人们 还存在不少疑问。 2 基于此，本文主要介绍 ZigBee 技术的发展经历以及协议栈结构等基本信息， 同时针对医院病人无线监护系统对基于 ZigBee 无线传感器网络的构架方法进行 探讨，使人们对于该项技术有更加深入的认识。 1.2 研究意义 鉴于无线传感器网络对人们生活的影响，人们对于无线传感器网络的接触 也越来越多，因此对于无线传感器网络的研究，尤其是对基于 ZigBee 的无线传 感器网络的研究就具有十分积极的意义。通过这些研究，可以推动该技术在产 业化方面的发展，使人类社会更快的进入无线的世界。 1.3 文献综述 无线传感器网络越来越多的出现在人们的生活学习中。无线传感器网络最 早由美国军方提出，1978 年开始美国国防部高级研究所计划署（DARPA）资 助卡耐基-梅隆大学进行分布式传感器网络研究，这被看成无线传感器网络最开 始的研究。之后，美国各高校都开始了类似项目的研究，比如 UCLA 的 WINS 项目等等。 ZigBee 技术是 IEEE802.15.4 和 ZigBee 联盟共同制定的一项无线通信标准 在短短的几年时间快速发展起来，成为现在短距离通信领域极为重要的一种通 信协议。华镕等人在 2010 年在一起仪表标准化与计量中发表了“几种无线 标准的比较”1的文章，详细介绍了几种不同的无线标准的区别。 近几年来，学术界有许多介绍 ZigBee 技术的文章和图书，从理论上介绍了 ZigBee 技术的实现。 重庆大学自动化学院的王东、张金荣等人在 2006 年的时候在重庆大学学报 上发表了“利用 ZigBee 技术构建无线传感器网络”2，文中分析了 ZigBee 技 术，以及讨论了“基于燃气表数据无线传输系统”的无线传感器结构和无线传 感器网络的实现。 天津大学的何颜平也在其硕士毕业论文“基于 ZigBee 协议的无线传感网络 组网”3中详细介绍了 ZigBee 技术组网的详细过程。 华东理工大学信息学院的郑丽国等人在 2006 年发表了“基于 ZigBee 技术 3 的产品开发流程及其实现方法”4，介绍了开发 ZigBee 产品的流程与方法。 王秀梅、刘乃安也在电子下载站网站上发表过“2.4GHz 射频芯片 2240 实 现 ZigBee 无线通信设计”5，文中介绍了 ZigBee 芯片 2240 的一些参数和参考 电路。 上述文章主要是从理论上介绍了 ZigBee 这项新技术的实现方法，除此之外， 学术界也提出了许多基于 ZigBee 技术的实际应用。 哈尔滨理工大学的杨晓明等人在 2010 年提出了“基于 ZigBee 技术的无线 智能家用燃气报警系统”6。郑州轻工业学院的甘勇等人在 2010 年提出了“基 于 ZigBee 网络的农田旱涝监控系统的设计”7。王凯等人也在 2006 年提出了 “基于 ZigBee 无线水表自动抄表系统的研究与设计”8。这些都是学者提出的 ZigBee 在人们生活中的各种应用。 在医疗领域，为了能给患者提供更加舒适的住院环境，同时能够实时监护 病人生理状况，我们可以把无线技术应用到医院的病人监护系统，使用户可以 不受时间、地点的限制，随时随地得到医院监护中心的监护9。在这方面，国 内外有着很多的研究。 国外的 Khoor,S 等人在 2001 年提出了一种基于蓝牙和 GSM 技术的心电监 护系统，采集器通过蓝牙与随身携带的手机相连，手机再把采集到的数据通过 GSM/3G 网络存储到远端的控制中心，进而实现了无线病人监护系统的功能10。 而清华大学深圳研究生院的姚湘平等人在 2006 年设计了一种基于 GPRS 的 远程心电监护终端，通过 GPRS 无线模块发送心电数据，实现心电无线实时监 护的功能11。 浙江工业大学的孟文超等人在 2011 年设计了“基于无线传感器网络的远程 心电监护终端”12。达到了监护对象不受时间、地点影响实时接收远程心电服 务的功能。 上面的几项研究主要是采用 GSM、GPRS 等技术来实现无线病人监护系统， 而在应用 ZigBee 技术方面，国内也有不少学者进行了相关的研究。 天津工业大学的李鸿强等人在 2006 年做了“医疗监护无线传感器网络的研 究”13，详细介绍了无线传感器网络体系在医疗监护系统中的应用。 4 华南理工大学的李勇正等人在 2008 年提出了“基于 ZigBee 的穿戴式多生 理参数 WPAN”14。在文章中，李勇正等人以 CC2430 为核心器件，进行嵌入 式 ZigBee 通信模块的设计，实现了无线的生理参数采集汇总的功能。 为了使人们对于 ZigBee 技术和无线传感器网络有更深入的认识，本文提出 了基于 ZigBee 的无线医院病人监护网络的研究思路。 1.4 论文结构 论文共分四章。第一章为引言。主要介绍论文的选题背景和研究意义；并 通过对与 ZigBee 相关的文献进行综述，为接下来的工作打好基础。 第二章，ZigBee 技术的介绍，共分三节。第一节主要对 ZigBee 技术的历 史发展进行简要的介绍；第二节主要介绍 ZigBee 协议的构架；最后介绍 ZigBee 网络支持的拓扑结构。 第三章，系统设计方案及预期结果，共分五节。包括系统的功能要求和设 计思路、开发平台介绍、系统设计方案、软件设计和预期结果。 第四章，结束语，共分两节。第一节是对本文的总结，包括本文的主要工 作总结，以及本文写作中的不足；第二节主要是对 ZigBee 技术的发展展望。 2. ZigBee 技术的介绍 2.1 ZigBee 技术的历史发展及特点介绍 长久以来，人们一直期待一种低价、低传输率、短距离的无线通信协议。 1994 年爱立信公司首先提出了一种短距离无线通信规范蓝牙（bluetooth） ， 1999 年，蓝牙特殊利益集团发布了“蓝牙”标准的最新版 1.0B 版。蓝牙的出 现确实使人们在短距离无线通信领域看到了光明，但由于其居高不下的价格， 厂商们只能望洋兴叹了。在此背景下，ZigBee 技术弥补了这块空白。 ZigBee 技术是 ZigBee 联盟制定的，基于 IEEE 批准通过的 802.15.4 无线标 准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。ZigBee 联盟成立 于 2001 年 8 月。2002 年下半年，英国 INVENSYS 公司、日本三菱电气公司、 5 美国 MOTOROLA 公司以及荷兰 PHILIPS 半导体公司共同宣布将加入“ZigBee 联盟” ，研发名为 ZigBee 的下一代无线通信标准。到目前为止，该联盟已经有 200 多家成员企业，并仍迅速发展壮大中。ZigBee 的基础是 IEEE 802.15.4，IEEE 处理了低级 MAC 层和物理层协议，而 ZigBee 联盟对其网络层 协议和 APL 进行了标准化。 2005 年 6 月，ZigBee V1.0 开放下载，这是第一个 ZigBee 标准公开版，代 表着 ZigBee 开始正式登上历史舞台；2007 年 1 月，ZigBee V1.1 开放下载； 2008 年 1 月，ZigBee 联盟公布了 ZigBee V1.2 作为第三个 ZigBee 标准公开版， 并供用户下载使用。 应用 ZigBee 技术可以组建一个由多达 65000 个无线数传模块组成的无线数 传网络平台，每一个 ZigBee 网络数传模块之间可以在整个平台内进行相互通信， 每个节点间的距离可以从标准的 75M 到扩展后的几百米甚至几千米，同时整个 平台还可以与现有的其他网络连接，以实现更多的网络控制平台。 ZigBee 技术的主要特点包括以下方面1516： 1.节能。 2.可靠。 3.网络容量大。 4.安全。 5.高保密性。 2.2 几种无线标准的比较 IEEE 协会发布了好几种无线通信标准，主要从物理层上，解释了 IEEE 802.11（WLAN/Wi-Fi） ，IEEE802.15.4（ZigBee）和 IEEE802.15.1（蓝牙）无线 标准的不同点和相同点。 2.2.12.2.1 工作模式工作模式 无线网络有两种工作模式：基础型和特别型。基础型无线网络通常有一些 基站，它们做为中心节点，然后连接其他无线终端。特别型网络能够形成一种 “腾空”的状态，在没有一个基站的情况下进行通信。不通过无线标准对对两 6 种运行模式的支持不尽相同。表 1 给出了不同无线标准支持的不同运行模式。 表 1 不同无线网络标准的不同运行模式 标准基础性特别型 IEEE 802.11（WLAN/Wi-Fi）支持支持 IEEE802.15.4（ZigBee）不支持支持 IEEE802.15.1（蓝牙）不支持支持 2.2.22.2.2 频率、数据速率和范围频率、数据速率和范围 不同的无线标准对频率、数据速率都有着不同的规定。表 2 给出了不同无 线标准在频率、数据速率方面的比较。 表 2 不同无线标准的不同频率、数据传输速率和通信距离 标准频率数据速率距离 IEEE 802.11b2.4GHz11Mbps140m IEEE802.15.4 868/915MHz 2.4GHz 40kbps 250kbps 75m IEEE802.15.12.4GHz3Mbps100m 2.3 ZigBee 协议构架 完整的 ZigBee 协议栈从下到上分别为物理层（PHY） 、介质接入控制层 （MAC） 、网络层（NWK）以及应用层（APL）等。体系结构如图 1。 7 图 1 ZigBee 协议栈体系结构图 2.3.12.3.1物理层物理层 IEEE 802.15.4 标准定义了 ZigBee 的物理层。在物理层，ZigBee 规范了通 信频率。规定 IEEE 802.15.4 工作在工业、科学、医疗（ISM）频段，根据不同 国家地区的不用需要，定义了两个不同的工作频段，分别是 868/915MHz 频段 和 2.4GHz 频段。在这些频段中，总共分配了 27 个具有三种速率的信道： 2.4GHz 频段有 16 个速率为 250Kb/s 的信道；915MHz 频段有 10 个 40Kb/s 的信 道；868MHz 频段有 1 个 20Kb/s 的信道。其中心频率定义如下： = 868.3 （ = 0） = 906 + 2（ 1） （ = 1,2,10） = 2405 + 5（ 11） （ = 11,12,26） ZigBee 可以参考 ISM 频段、可用性、拥挤状况和数据速率等因素在 27 个 信道中选择一个适合自己的工作信道。物理层还规范了调制方式，以及发射功 率的相关要求。 物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个数据服务接入点和一个物理层 管理实体服务接入点，通过这两个服务接入点，可以为物理层数据以及物理层 管理提供服务。 表 3 显示了 ZigBee 物理层数据包的格式，由同步包头、物理层包头和物理 层净荷组成。 表 3 ZigBee 物理层数据包的格式 前同步码帧定界符 帧长度（7 位） 预留位（1 位） PSDU 同步包头物理层包头物理层净荷 2.3.22.3.2介质接入控制层介质接入控制层 该层也由 IEEE802.15.4 标准定义，主要处理所有物理层的无线信道接入。 MAC 层包含一个管理实体，该实体不仅可以调用 MAC 层管理功能，而且还负 责维护 MAC 层固有的管理对象的数据库。 表 4 显示了 MAC 层数据包格式，由 MAC 层帧头、MAC 层载荷和 MAC 层帧 尾组成。 表 4 ZigBee MAC 层数据包格式 8 帧控制序列号 目的 PAN 标识符 目的 地址 源 PAN 标识符 源 地址 帧 载荷 FCS MAC 层帧头载荷帧尾 2.3.3网络层网络层 NWK 网络层标准由 ZigBee 联盟制定。主要功能是提供必要函数，确保 MAC 层 的正常工作和为应用层提供合适的服务接口。为能实现向应用提供接口的目的， 网络层提供了数据服务实体（NLDE）和管理服务实体（NLME） 。 网络层数据实体（NLDE）为数据提供服务，主要包括生成网络层协议数 据单元（NPDU） 、制定拓扑传输路由、以及确保通信真实安全等方面的服务。 网络层管理实体（NLME）提供网络管理服务，主要提供配置新设备、初始化 一个网络、连接和断开网络、寻址、邻居设备发现、路由发现、以及接收控制 的服务。 2.3.42.3.4应用层应用层 APL 应用层标准也由 ZIGBEE 联盟制定。由三部分组成：APS 子层、ZDO（包 含 ZDO 管理平台）和制造商定义的应用对象。 APS 提供了在 NWK 层和 APL 层之间，从 ZDO 到供应商的应用对行啊的 通信服务集。服务由 APS 数据实体（APSDE）和 APS 管理实体（APSME）这 两个实体实现。 ZDO（ZigBee 设备对象）描述了一个基本的功能函数，在应用对象、设备 Profile 和 APS 直接提供一个接口，满足所有在 ZigBee 协议栈中应用操作的一 般需要。ZDO 还有初始化 APS、NWK、SSS 的作用以及确定和执行发现、安 全管理、网络管理、绑定管理的作用。 2.4 ZigBee 支持的网络拓扑结构介绍 ZigBee 的工作节点都是可以独立的，通过无线通信可以组成不同的网络。 根据所组成的网络拓扑结构的不同，各个节点的功能也并不相同。系统中大部 分是为了降低成本的子节点，成为半功能设备（RFD） ；而另一些节点负责与这 9 些子节点通信，称之为全功能设备（FFD） 。 选用不同的网络拓扑结构，对各种节点的需要也不相同。ZigBee 支持多种 网络拓扑，包括：星状网络、串（树）状网络、网状网络。无论是哪一种网络 拓扑结构，每个独立网络值有唯一的协调器，可以由网络中的全功能节点实现。 星状网络的连接最为简单，如图 2。所有的网络节点都通过协调器实现网 络连接，而节点间的通信是禁止的，这种网络拓扑结构适合包含较少无线节点 的无线网络。 图 2 星形网络拓扑结构 串（树）状网络是在星状网络连接的基础上进行的扩展，如图 3。该网络 拓扑结构在星状网络的基础上加入全功能节点，全功能节点之间是可以相互通 信，一个全功能节点下的子节点要给另一个全功能节点下的子节点通信，必须 经过全功能节点。 图 3 串（树）形网络拓扑结构 网状网络中所有的无线节点都可以传递信息，每个无线节点不仅可以接收 信息，同时还可以给任何节点发送信息，如图 4。在网络中任何一个节点故障， 附近的节点都可以代替它进行工作。 10 图 4 网状网络拓扑结构 3. 无线病床监护系统设计方案及预期结果 3.1 无线病床监护系统功能要求和设计思想 3.2.13.2.1系统功能要求系统功能要求 无线病床监护系统功能要求有以下几点： （1） 病人生理参数采集功能。首先应该有穿戴式的传感器节点对病人的生 理参数进行采集，能随时获得病人的生理参数。 （2） 模数转换功能。将传感器节点采集的生理参数模拟信号进行模数转换， 方便后续系统的传输。 （3） 无线接口。无线监护系统需要无线接口实现病人生理参数的监护功能， 可以采用 ZigBee 无线网络协议。 （4） 要有报警定位功能。当病人生理指数发生不良变化时，主机处要发出 警报，同时要准确定位是哪位病人出现异常。 3.2.23.2.2设计思想设计思想 设计的无线病人监护系统包括多个终端穿戴式生理参数采集节点和一个数 据接收终端。使用 ZigBee 技术来实现无线网络通信功能，选择星状网络拓扑结 构，数据接收终端有报警装置，保证病人生理指数出现异常时，监护系统能及 时告诉值班的护士。 需要设计如下几部分部件：生理参数采集传感器、无线传输装置、数据接 11 收终端装置。 3.2 开发平台介绍 3.2.13.2.1硬件选择硬件选择 该系统硬件部分主要分为穿戴式生理参数采集传感器、无线传输装置、节 点模块与计算机通信模块、电源部分等。 穿戴式生理参数采集传感器采用符合国际标准的传感器模块，该传感器模 块采集的各项生理参数模拟信号，通过 16 位模数转换芯片 AD7705，将数据送 入 CC2430 中。 该组网设计的无线传输硬件平台核心是位于挪威奥斯陆的 CHIPCON 公司 （已于 2006 年被美国 TI 公司收购）推出的全球首款符合 ZigBee 标准的 2.4GHz 的射频芯片 CC2430。该芯片真正实现了 ZigBee 单芯片解决方案，是第 一个真正意义上的 SoC ZigBee 一站式产品。 CC2430 芯片内部结构图17如图 5。它延用了 CC2420 芯片的架构，在单个 芯片上整合了 ZigBee 射频前端、内存和微控制器。包括 1 个 8 为 MCU（8051） 、 32/64/128KB 可编程闪存、8KB 的 RAM、模数转换器（ADC） 、几个定时期 （Timer） 、AES128 协同处理器、看门狗定时器（WatchDog Timer） 、32KHz 晶 振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及 21 个可编程 I/O 引脚。 12 图 5 CC2430 芯片内部结构图 CC2430 芯片采用了 0.18mCMOS 工艺生产，工作时电路底，其休眠模式 和转换到主动模式的超短时间等特性，特别适合需要电池寿命长的应用。 CC2430 主要性能参数如下17： （1）工作频带范围：2.400-2.4835GHz； （2）采用 IEEE802.15.4 规范要求的直接序列扩频方式； （3）数据速率达 250kbps，码片速率达 2MChip/s； 13 （4）采用 O-QPSK 调制方式； （5）超低电流消耗，高接收灵敏度； （6）抗邻频道干扰能力强 （7）输出功率变成可控； （8）与控制微处理器的接口配置容易 （9）开发工具齐全； （10）采用 QLP-48 封装，外形尺寸只有 7*7mm。 为实现与计算机的通信，可以采用基于电平转换芯片 MAX232 的 RS232 电 平转换电路，实现串口连接。 电源部分选用 AH805 升压稳压器，这样可以将干电池提供的 3V 电压转变 为满足 MAX232 电路的 5V 电压。 开发平台则采用成都无线龙通讯科技有限公司18发售的 C51RF-CC2430- ZDK ZigBee 无线网络/定位系统。该平台实时在线仿真器通过 USB 接口直接连 接到电脑，并连接到 CC2430 的 ZigBee 无线单片机目标板，实现对 CC2430 无 线单片机的实时在线仿真/调试/测试。 3.2.23.2.2软件选择软件选择 本系统选用 IAR 公司推出的 IAR Embedded Workbench 的 C/C+交叉编译 其和调试器作为软件开发平台。该平台包括：嵌入式 C/C+优化编译器、汇编 器、连接定位器、库管理员、编译器、项目管理器以及 C-SPY 调试器。 3.3 系统设计方案 图 6 显示了该系统的整体结构，根据这整体结构图进行各部分的设计。 14 图 6 系统整体结构图 CC2430 是实现无线通信功能的核心，由于其内部已经集成了大量必要的电 路，因此采用较少的外围电路就可实现信号的收发功能。图 7 为 CC2430 的参 考设计电路18。 C191 和 C211 为 22pF，连接 32MHz 晶振电路；C241、C421 为 220nP 去 耦合电容，用来电源滤波；C341 为 5.6pF，电路中的非平衡变压器由电容 C341 和电感 L341、L321、L331 以及一个 PCB 微波传输线组成；C431、C441 为 15pF，为可选的低功耗设计；L321 为 8.2nH；L331 为 22nH；L341 为 1.8nH；R221 为 56K；R261 为 43 K。 15 图 7 CC2430 的参考设计电路 3.4 软件设计 本系统采用星状网络结构，所有的传感器节点与协调器相连，协调器柑橘 各个节点加入网络后所发送的网络地址建立一个地址表，根据地址表中存储的 地址收集各个节点传过来的数据。图 8 是传感器节点发送数据流程图。当传感 器节点接入网络时，就按下面所示的流程图进行数据传送。 16 图 8 传感器节点发送数据流程图 而数据处理中心接收部分在开始时要寻找组建网络，并且负责接受数据， 并对病人生理参数进行检查，如果有异常就发出警报。图 9 是接受部分的流程 图。 17 图 9 接受部分的流程图 18 3.5 预期结果 3.5.13.5.1传感器节点部分传感器节点部分 当有新病人入院后，病人佩戴上生理参数传感器，传感器贴在身体的各个 部位，连接 CC2430 无线通信芯片，无线通信芯片及电池绑在病人胳膊上，不 影响病人的正常休息。打开生理参数采集传感器节点开关及无线通信模块开关。 无线通信模块通过自组织网络技术自动搜索病房里的 ZigBee 网络进行连接，连 接成功之后，传感器节点开始工作，将病人的各项生理参数通过无线通信的方 式及时的发送到护士站的计算机屏幕上。 3.5.23.5.2数据接收控制中心数据接收控制中心 数据接收控制中心设计在护士站，由护士进行 24 小时监护，对每位病人身 上的传感器采集的生理数据进行实时观测。每个传感器节点传送过来的数据放 在不同的地址空间里，方便医生对病人住院期间生理参数的查看。系统对于心 跳、血压等生理数据进行报警设置，即病人生理参数超过警戒线时，系统发出 报警，护士根据数据存储地址快速确定是哪位病人，及时通知医生进行救助， 进而实现护士不需要打扰病人就能监控病人的各项生理指标的目标。 通过传感器节点和数据接收控制中心的协同工作，从整体上实现了医院的 病人无线监护系统的组建。 4. 结束语 4.1 总 结 本文着重介绍了 ZigBee 的基本技术指标，同时根据这些技术指标提出了使 用 CC2430 构建医院病人无线监护系统的思路。对基于 ZigBee 的无线传感器网 路的发展有着十分积极的影响，使人们对于 ZigBee 技术有了更加深入的认识， 对该技术的前景有了更加充足的信心。 本文提出的医院病人无线监护系统预期能够达到数据采集、短距离无线数 19 据传输、快速的网络组建和维护等要求，如果能够设计出成品，那么将能得到 广泛的应用。但由于时间关系及本人水平有限，本文的所提出的系统尚未有实 物检验。同时由于缺乏实际临床经验，该系统在抗干扰、节能功耗等方面还有 很大不足，有待进一步的改进。 4.2 展 望 起源于 20 世纪 90 年代末的无线传感器网络经过 20 年的发展，有了很大的 进步。由最初的军方使用，到现在更多的面向民间的应用，无线传感器网络正 一点点的开始影响人们的生活。 而 ZigBee 技术在 ZigBee 联盟和 IEEE 802.15.4 的推动下，结合其他无线技 术实现了无所不在的网络，不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域 有着极高的应用价值，在将来将更多的涉及人类日常生活和社会生活的所有领 域。虽然 ZigBee 技术由于各个方面的制约，大规模商业化应用还有待时日，但 我们还应该清楚的认识到，基于 ZigBee 的无线网络技术的远大前景，在该技术 不是很成熟的时候，抓住时机，加大投入力度，推动整个行业的发展。