毕业设计（论文）-基于ZIGBEE技术的病人血压监测系统设计.doc

第 17 页基于ZigBee技术的病人血压监测系统设计摘 要作为医学治疗的一个重要组成部分，医疗监护在现代医学治疗领域越来越受到重视。医疗监护仪器目前可分为两类：一类是指在医院内由职业医生或专业技术人员使用的专门仪器， 对病人进行生理指标的监护；另一类是在普通人员的家庭内或者户外，在医生的指导下，由患者本人或其家属使用远程医疗监护系统对其进行监护，所得生理指标将及时传送给相关医生。目前，医院所使用的监护系统，大多是建立在线缆连接的基础上，往往体积和功耗大，不便于携带，且要求在患者身边使用，限制了患者和医护人员的行动，增加了他们的负担和风险，已经越来越不适应当今实时、连续、长时间地监测患者重要生命特征参数的医疗监护需求，为了更好地对病人进行准确地、人性化地进行医疗监护，人们开始越来越多地关注无线医疗监测技术。远程医疗主要应用在临床会诊、检查、诊断、监护、指导治疗、医学研究、交流、医学教育和手术观摩等方面。在信息技术高速发展的今天, 它已经成为医学交流中一道亮丽的风景线。 血压是医护人员评估病人身心状况的基本资料，为诊断治疗提供重要依据。基于ZigBee技术的病人血压监测系统在医疗监护领域中有着重要的作用。该系统可实现对病人血压的无线监测。医护人员能更好、方便地了解病人的身心状态，对医疗诊断提供了方便。关键词：ZigBee技术，血压监测，传感器，CC2430芯片ZigBee technology based on the blood pressure of a patient monitoring system designAbstractAs a medical treatment is an important part of modern medical treatment, medical care in the field has been paid more and more attention. Medical monitoring instrument can be categorized into two types: A class is defined in the hospital by occupation doctor or professional and technical personnel using specialized equipment, the patient physiological index monitoring; Another kind is in the general staff within the family or outdoor, under the guidance of a doctor, by the patients themselves or their families using the remote medical monitoring system for monitoring, the physiological indexes will be transmitted to the doctor. At present, used by hospital care system, mostly based on cable connection, often the volume and large power consumption, not easy to carry, and requests in patients using, limits the patient and medical personnel actions, has increased their burden and risk, already more and more did not adapt this real-time, continuous, long time to monitor the patients vital characteristic parameters of the medical care demand, in order to better for the patient to accurately, humanly medical care, more and more people began to pay close attention to wireless medical monitoring technology. Telemedicine is mainly applied in the clinical consultation, examination, diagnosis, treatment, care, medical research, communication, medical education and operation and so on. The rapid development in information technology today, it has become a medical exchange in a beautiful landscape. Blood pressure is the medical evaluation of patients physical and mental status of basic information, provide important basis for diagnosis and treatment. The ZigBee technology based on patient blood pressure monitoring system in medical treatment plays an important role in. The system can realize the wireless monitoring of blood pressure in patients with. Health care professionals can better understand the patient conveniently, and provides convenience for medical diagnosis.Key words: ZigBee technology, monitoring of blood pressure, sensor, CC2430 chip目录摘要IAbstractII前 言31 血压的测量方法及其原理31.1 血压的基本概念31.2 收缩压和舒张压31.3 影响血压的因数31.4 血压的测量方法分类及其原理32 方案论正32.1 对本次设计的介绍32.1.1 无线传感网络和设计的简介32.1.2 血压测量模块的使用方法介绍32.2 ZigBee技术概述32.3 设计方案论证32.3.1 市场产品的技术分析32.3.2 设计的总体要求32.3.4 具体的设计方案32.3.5 设计方案的可行性分析33 血压测量模块的硬件电路和软件的设计和电源模块设计33.1.1血压测量的原理33.1.2 血压测量模块的工作原理33.2 传感器简介及电路设计33.2.1 传感器结构简介33.2.2 传感器内部测量原理3图3.3压力传感器内部原理图33.2.3 传感器电路设计33.3 血压测量的流程33.4 电源模块33.4.1 TPS60210芯片简介33.4.2 TPS60210芯片的工作原理33.4.3 TPS60210芯片的供电电路33.5 气泵电路33.5.1线性阀PWM控制电路33.5.2充气PUMP控制电路34 通信模块电路和软件设计34.1 无线传感网络的简介34.2 ZigBee 技术34.2.1 ZigBee协议栈简介34.2.2 ZigBee 节点的类型34.2.3 ZigBee 网络的拓扑结构34.2.4 ZigBee无线网络的组建34.2.5星型网络的组建与通信的实现34.3 TI 的ZigBee 单芯片CC2430 简介及其电路34.3.1 TI 的ZigBee 单芯片CC2430 简介34.3.2 CC2430芯片的主要特点如下34.3.3 CC2430的基本电路设计3结论3参考文献3致谢3附录3前 言在现代疾病谱上，高血压的危害无疑高居前几位。对于上了年纪的人，血压是一个重要的健康信号。随着生活水平的提高，时下老年人对自己的血压越来越关注。高血压是世界最常见的心血管疾病，也是最大的流行病之一，它的危害非常的巨大，据有关统计资料显示，我国现有的高血压患者已达一亿，并且每年新增人数在300万以上。从高血压目前的危害来看，高血压病已然成为了人类的头号隐形杀手病。高血压病不但是长期危害人体健康的一种慢性病，而且它还是引起脑中风、冠心病、心肌梗死、心力衰竭、肾衰等疾病的祸首，因此被人们称为“无形杀手”。高血压对人体的损害是全身性的，也是造成死亡的恶魔，直接威胁着人的生命，所以，对高血压这个无形杀手，我们不可掉以轻心。本次设计的目的主要是让医护人员利用ZigBee的无线传输技术，实时对病人的血压进行监测，以免病人因血压过高而得不到及时的处理发生意外事故。通过无线传感网络技术来实现对病人生命体征的监测，这对于医护人员来说，这项技术能给他们提供很大的方便，他们可以实时对病人进行监护，实时了解病人的情况。而高血压患者也可以自己随时随地测量自己的血压，了解到自身病情，能有效避免血压过高而导致不能及时救治时发生的意外事故。这项技术应用到医疗事业上，对医护人员和病人来说，都给他们带来了便利。本次设计需要解决的问题主要是怎么样实现测量数据的传输过程，即无线传感网络的节点和协调器之间传输关系的建立。建立端点和路由器之间的通信关系，对本次设计来说极其重要。1 血压的测量方法及其原理1.1 血压的基本概念从心脏送出的血液对血管壁产生的压力值的大小称为血压（一般指的是动脉血管内的压力）。血压值的计量单位是mmHg或KPa(毫米汞柱或千帕斯卡)。1.2 收缩压和舒张压体循环动脉血压简称血压（blood pressure，BP）。血压是血液在血管内流动时，作用于血管壁的压力，它是推动血液在血管内流动的动力。心室收缩，血液从心室流入动脉，此时血液对动脉的压力最高，称为收缩压（systolic blood pressure，SBP）。心室舒张，动脉血管弹性回缩，血液仍慢慢继续向前流动，但血压下降，此时的压力称为舒张压（diastolic blood pressure，DBP）。1.3 影响血压的因数1.身高：身体越高，心脏便需要更大压力去泵出血液，令血液能流遍全身。 2.年龄：年纪越轻，新陈代谢率越高，血流量较大，心脏需要较大压力泵血，随着年龄增长。 3.血黏度(血液密度)：血液越黏稠，心脏需要越大压力泵出血液。 4.姿势：站立时血压高于坐姿血压，而坐姿时的血压又高于平躺时之血压。因受重力原理影响。 5.血管质素：血管如果变窄，血液较难通过，心脏便需要更大压力泵出血液。 6.其他：精神状态、生活节奏、个人差异、饮食习惯、药物、遗传、天气变化等等。1.4 血压的测量方法分类及其原理要治疗高血压病，首先是要测量准确的血压值。测量血压的仪器称为血压计，血压计的测量原理可分为直接测量法和间接测量法两种。直接测量法又叫有创测量法，也就是通过穿刺在血管内放置导管后测得的血压，比如在做心脏介入诊断及治疗时就要监测患者的有创血压。用有创方法直接测量血压。因所测部位不同，方法各异，也不能完全反映人体的血压。间接测量法又叫无创测量法，也就是不通过穿刺在血管内放置导管后而是通过间接测得的血压。间接测量法又分为听诊法和示波法。1）听诊法 听诊法又叫柯氏音法，也分为人工柯氏音法和电子柯氏音法。人工柯氏音法也就是我们通常所见到的医生、护士用压力表与听诊器进行测量血压的方法；电子柯氏音法则是用电子技术代替医生、护士的柯氏音测量方法。目前听诊法测量血压所用的血压计由气球、袖带和检压计三部分组成。2）示波法 示波法又称为压力振荡法，其工作过程是先将袖带充气以阻断动脉血流，然后在放气过程中检测袖带内的气体压力并提取微弱的脉搏波。即利用袖带阻断动脉血流, 在慢速放气过程中检测源于血管壁的搏动振荡波包迹, 并找出包迹与动脉血压之间的固有关系, 进而达到测量血压的目的1。在测量血压时, 气袖中的压力因放气而下降的同时, 还存在着一种规律的振荡, 称为脉搏波, 其波形如图1 所示。从图中可以看出, 整个测量过程脉搏波的变化分为4 个阶段: ( 1) 当袖带压( 静压) 大于收缩压( SP) 时, 一般差值在2.67 4.00kPa( 2030 mmHg) , 动脉被压迫关闭, 此时因近端脉搏的冲击而呈现细小的振荡波;( 2) 当静压接近SP 时, 波幅增大;( 3) 静压等于平均压(MP) 时, 动脉壁处于去负荷状态, 波幅达到最大值;(4) 静压小于MP 时, 波幅逐渐减小, 静压小于舒张压(DP) 后, 动脉管腔在舒张期已充分扩张, 管腔刚性增加, 这时波幅维持在较低水平。平均压表示心脏在整个心动过程中给予动脉血液的灌注压力。已经证明, 血压振荡信号最大值与平均压有较好的对应性, 因此常用最大波幅来确定平均血压值2。图中波形幅度最大处所对应的袖带压力为平均压, 可直接测量, 而收缩压( SP) 和舒张压(DP) 却不能直接测得, 它由各种血压算法得到。如图1所示，当袖带压力P远高于收缩压时，脉搏波消失，随着袖带压力下降，脉搏开始出现。当袖带压力从高于收缩压降到收缩压SP以下时，脉搏波会突然增大，在平均压MP 时幅值达到最大。然后脉搏波又随袖带压力下降而衰减。示波法血压测量就是根据脉搏波幅度与袖带压力之间的关系来估计血压的。脉搏波最大值对应的是平均压，收缩压SP 和舒张压DP 分别由对应脉搏波最大幅值的比例来确定。收缩压判据的确定：在充气过程中脉搏波幅度包络线的上升段，当某一个脉搏波的幅度Ui与最大幅度Um 之比Ui Um =Ks 时，就认为此时对应的气袖压力为收缩压。即Ps=PUi=KsUm 。舒张压判据的确定：在脉搏波幅度包络线的下降段，当某一个脉搏波的幅度Ui与最大幅度Um 之比UiUm =Kd 时，就认为此时对应的气袖压力为舒张压。即Pd=PUi=KdUm 。 收缩压和舒张压的经验判别准则, 可分为2 类, 一类是归一化准则, 另一类是突变点准则。归一化准则是通过将振动信号的幅值与信号的最大幅值相比,进行归一处理, 进而识别收缩压和舒张压。其中最常用的方法是幅度系数法, 利用压力波幅的最大值与收缩压和舒张压的比例关系进行判定, 即:A(SP)/A(MP) = !1( !1 取值为0.3 0.75) , A(DP)/A(MP) = !2 ( !2 取值为0.45 0.90) 。这种方法被证明最为简洁有效, 具有较强的抗干扰性和个体适应性, 易于在以微处理器为核心的电子血压计或各类监护仪中实现。突变点准则认为, 收缩压和舒张压对应振动波幅度发生突变的点, 即要识别振荡波包络的拐点3。此方法要求建立一定的数学模型, 利用复杂的数学运算来实现, 在仪器设计实现中有一定的困难。临床上长期以来采用柯式音法测量无创血压, 其中人工柯式音法( 听诊法) 尤其为医务人员和患者普遍接受。柯式音法是利用听到或测量到的柯式音来判断血压值。而电子血压计中广泛采用的振荡法在慢速放气过程中, 检测的不是柯氏音, 而是源于血管壁的搏动压力4。与电子柯氏音法比较, 它省去了1 个脉搏拾音监测单元, 避开了外界声音振动的干扰, 重复性较好; 与人工柯氏音法相比, 它在一定程度上克服了测量时间长( 人工柯氏音法的测量时间为50 60 s, 而振荡法为25 30 s) , 受医务人员经验、技术和外界环境干扰的影响大, 一致性差的缺点。振荡波能准确地测出平均压, 且有一致性较好, 节省人力, 受人为因素影响小的优点, 正日益得到国内外的认可。间接法测量仪器有汞柱血压计6、随机零点血压计、弹簧表式血压计、自动电子血压计、间歇式长时间血压测量计、皮肤小动脉血压测定计等。这些血压计都是根据不同需要而设计的，如随机零点血压计是为克服目测等人为误差而较准确地研究血压变化时应用；间歇式长时间血压测量计则是用来连续24小时监测血压变化的；皮肤小动脉血压测定计是为幼儿、婴儿、新生儿而设计的；由于智能化的发展，电子血压计可自动向充气袖带内充气及显示血压值的读数。指套式电子血压计只需将一个指套戴在手指上，就可自动测量血压，更为方便。需要注意的是，这些自动电子血压计测得的血压值可能与汞柱式血压计测得的血压值有一定差数，应预先进行校验，并记住这一差数。2 方案论正2.1 对本次设计的介绍2.1.1 无线传感网络和设计的简介近年来,工业以太网、现场总线等网络架构已越来越广泛地应用于工业自动化领域,而无线通信取代传统的通信手段将成为自动化系统通信的一个重要方向,由此产生了基于无线技术的网络化智能传感器的全新概念。无线传感器网络5在军事、工业、环境等领域有着广泛而巨大的潜在应用价值,尤其是在环境恶劣、人类无法到达的应用中有着不可替代的作用。鉴于它的巨大应用价值,无线传感器网络的学术和应用研究快速发展起来。无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是由大量密集的微型智能传感器节点通过无线通信方式形成的一个自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中监控对象的信息并发送给观察者。无线传感器网络的节点随机地分布于一定的监控区域，每个节点具备信号的采集、处理、节点间的通信和路由等功能，节点内置的嵌入式软件能够实现通信链路的保存和管理，从而实现节点的组织和路由等功能。基于现代传感器技术，无线传感器网络能够实时监测和采集网络分布区域内的各种信息，如：地震、电磁场、温度、湿度、噪声、光强、压力、土壤成分、速度等信息，并将这些信息发送到网关节点，从而实现指定范围内目标检测与跟踪。无线传感器网络具有时效性好、抗毁性强、获取信息精度高、部署灵活性强、可靠性高、成本低等特点，在军事侦察、环境监测、工农业控制、智能家居、交通管理、医疗卫生及空间探索等领域具有非常广阔的应用前景。而本次设计的基于ZigBee技术的病人血压监测系统是一个以无线传感网络为基础，通过无线传感网络技术把检测到的病人血压值传输给医护人员的一个医疗产品。本产品重量轻，便携，可放入病人随身衣服的口袋中。无水银，增强环保意识，避免医疗水银污染事故。而且是一台使用操作非常简单的仪器，真正做到老少皆会。该产品通过传感器测得血压值，再将血压数据通过A/D转换器转换成数字信号，把数字信号发送到微型控制器中即CC2430芯片中，CC2430芯片通过无线传输技术把信息发送到医疗中心，医护人员就可以实现对病人的血压监测。2.1.2 血压测量模块的使用方法介绍在使用本产品时应掌握正确的方法。第一，袖带位置须与心脏高度保持一致，上臂自然下垂，肘和前臂自然地搭在桌子上，手心向上，不要把整个胳膊平伸在高于心脏位置的桌子上，或用垫子将胳膊垫得过高；第二，每天要在固定时间和同样状态下，以相同的姿势测量血压；第三，应该在安静的状态下进行测量，测量前安静休息1020分钟，深呼吸23次；第四，饭后或运动后至少休息一小时再进行测量；第五，不要在浴后、吸烟、饮酒、喝咖啡后测血压；第六，要在没有尿意时测血压。第七，测量时应保持心情舒畅，没有疲劳感，不紧张。2.2 ZigBee技术概述ZigBee711是在IEEE 802.15.4 标准的基础上制定的一种低速率无线个域网，是一种新兴的低复杂度、低功耗、低成本的短距离无线通信新技术，该技术主要针对低速率无线传感器和控制网络而设计，它可以在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，ZigBee 可以非常简单的实现各种设备的联网，作为一个全球标准，为将来实现无所不在的泛在计算创造了条件。ZigBee 可以满足小型化、低成本设备的无线联网要求，如温度调节装置、照明控制器、环境检测传感器等，能广泛地应用于工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本、对数据速率和对信号质量要求不高的无线通信应用场合，与现有的各种无线技术相比，ZigBee 更适用于组建常用的各种无线传感器网络。2.3 设计方案论证2.3.1 市场产品的技术分析：目前电子血压计主要有手动式数字电子血压计和全自动电子数字血压计。所谓手动式数字电子血压计是指要自己往气袋中打气，测量过程则是自动的，因此这种血压计也称半自动电子血压计。另一类是全自动电子数字血压计，它无需捏橡胶球充气加压，只需要按动开关键，一切就都可以自动完成。它又分为臂式、腕式和指式三种。由于指式自动血压计的准确性还需继续加强，所以目前市场上出售的主要是前两种产品。但是不管是那种血压计，它都只是供人们测量自己的血压而已。病人测量得到的血压值无法及时让医护人员知道，不能及时的了解他们的病情。如果在这些血压计中加入无线通信技术，我们就可以把测量得到的血压数据及时发送给医护人员。而目前市场上的无线通信技术很多，如WI-FI技术，蓝牙技术，手机通信技术，ZigBee技术等。而我们选用ZigBee的无线通信技术，是因为ZigBee一种低速率无线个域网，是一种新兴的低复杂度、低功耗、低成本的短距离无线通信新技术，该技术主要针对低速率无线传感器和控制网络而设计，它可以在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。ZigBee技术更适合应用于医疗事业，更符合消费者的需求。这项技术在众多无线通信技术中也许不是最好的，也不一定是成本最低的，而且实验刚好有ZigBee模块，不用需要在花钱买其他的无线通信的模块，这样可以节约一点设计的成本。所以综合各种因素，利用ZigBee技术来实现通信是符合这次的设计要求的，所以我们选用了ZigBee技术模块作为本次设计的通信模块。振荡法测量血压实现起来较容易得多，因为选用柯式音法测量血压的话，很多不利的因数会影响到血压测量的结果，如测量环境噪音的干扰、医护人员对柯音的判断不一致等。所以本次设计选用振荡法作为血压的测量的基础。2.3.2 设计的总体要求该智能型血压监测系统是传感技术和微控制器技术的结合体，它的结构应该能保证完成四项基本任务：感应血流压力大小：判别高压和低压：测量数据的读取：测量数据的无线传输。感受血流压力离不了传感器，民用电子血压计中所应用的压力传感器必须是高性能低成本的，灵敏度要高，测量范围倒不需要很大。在各种传感器中有一类是利用压电效应的，还有一种人工合成的被称为PVDF的压电薄膜，它是柔软的塑料。其次就是能根据血压变动及时抓住高、低压的微处理器。而测量数据的发送应该满足实时性的要求。2.3.4 具体的设计方案该智能血压监测系统以数字压力传感器ASDX 001为测量器件，传感器把采集到的数据进行数据处理后，转换成数字信号输出。以TI公司生产的CC2430芯片为控制核心，传感器输出的数字信号送到控制芯片中，控制芯片把数据通过无线通信模块发送到协调器模块去，即构成了血压测量和无线发送的装置，如图2.3所示。图2.3 血压监测系统方案框图2.3.5 设计方案的可行性分析在压力测量气囊的帮助下，采用的压力传感器可以准确的感应到压力值，然后将这个物理量转换成电压的讯号，电压讯号经过放大电路放大后，再将这个电压讯号传入控制核心CC2430芯片。最后，在CC2430芯片的控制下，系统将血压值准确的传输到协调器上去。整个过程，从理论上来讲，是正确的；从现有条件上来讲，也是完全可以做到的。因此，这种方案都是完全可行的。该方案利弊分析：.该方案用到的各种电气元件价格都比较适宜，而且CC2430包含一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核，运行时钟32MHz。由于更快的执行时间和通过除去被浪费掉的总线状态的方式，使得使用标准8051指令集的CC2430增强型8051内核，具有8倍的标准8051内核的性能。我们所开设的课程，主要是通用的51系列单片机，这样对于我们来说编写程序代码时比较方便。.查阅大量的资料后，发现使用ZigBee技术来做这个设计课题，对于我们来说较容易入手，通信协议栈容易看得懂，而运用其他无线传输技术的也是可行。ZigBee技术和Wi-Fi技术相比，Wi-Fi能够支持的范围非常有限，用户只有保持在距离无线接入点设备（AP）300英尺的范围内才能实现高速连接。虽然Wi-Fi拥有很多优点，但是它存在的安全隐患却是一个致命的缺点。Wi-Fi采用的是射频（RF）技术，通过空气发送和接收数据。由于无线网络使用无线电波传输数据信号，所以非常容易受到来自外界的攻击。而ZigBee技术用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此它们的通信效率非常高。传输速度快，响应时间快，功耗更低，传输距离在理想环境下能达到200米。因此，本次设计选用ZigBee技术作为无线传感网络的技术基础，用以实现数据的远距离无线传输。3 血压测量模块的硬件电路和软件的设计和电源模块设计3.1.1血压测量的原理：根据气袖在减压过程中，其压力振荡波的振幅变化包络线来判定血压的。目前比较一致的看法是当气袖压力振荡波的振幅最大的时候，气袖的压力微是动脉的平均压。动脉的收缩压对应于振幅包络线的第一个拐点，舒张压对应于包络线的第二个拐点。收缩压判断的确定：通常采用最大的振幅法，即在放气过程中脉搏波振幅度包络线的上升段，当某一个脉搏波的幅度Ui与Um之比=Kd时，就认为此时对应的气袖压力为收缩压。Ps=P|Ui=Ks*Um。舒张压判断的确定：也是用最大的振幅法来判定，不过是在脉搏波振幅包络线的下降段，当某一个脉搏波的幅度Ui与Um之比=Kd时，就认为此时对应的气袖压力为舒张压。Pd=P|Ui=Kd*Um。3.1.2 血压测量模块的工作原理：马达在充气时，产生压力，数字压力传感器ASDX 001感应到该压力值即420mA的电信号，电信号输出经放大电路处理放大和滤波电路进行滤波后，再把处理过后的电信号送给A/D转换装置转换成数字信号，在CC2430芯片的控制下以串行数字形式经芯片的第12脚（P0-1口）读入。CC2430芯片在程序的控制下，严格按照ASDX 001压力传感器的要求的工作时序进行读写控制，读入信号后，对数字信号进运算，然后经第32（RF-P口），33（TXRX-SWIITCH口），34(RF-N口)脚输出。3.2 传感器简介及电路设计：3.2.1 传感器结构简介：ASDX 001属于微型结构压力传感器ASDX DO系列。ASDX系列是Sensym 公司检定合格的ICT 代表产品的一种增强型品种。也是工业水平领先的一种SDX系列传感器增强型。ASDX 001 传感器的外形尺寸要比SDX稍大，能提供高电平(4.0 V测量范围)的输出电压，价格便宜。ASDX 001压力传感器内置专用集成电路（ASIC)经全面CI校准并有温度补偿。ASDX 001压力传感器采用标准DIP封装，可对传感器偏置、灵敏度、温度系数和非线性度进行数字校正。ASDX 001采用了IC兼容性协议，无需额外的元件或电子电路，就可容易地连接最常用的微控制器和微处理器。所有ASDX DO压力传感器的精度在满量程范围内为。具有可用单一5 Vdc供电电压土作的特性。传感器的设计和制造均遵循ISO 9001标准。此系列传感器可用于非腐蚀性、非电离的工作流体，如空气和干燥气体。传感器的输出是一个16进制格式的己校正的压力值，其分辨率为12位。该压力传感器可用于测量绝压、差压和表压。范围从0PSI到100PSI。单位换算如下：1psi=6.895kPa, 1毫米汞柱（mmHg）=133.322帕（Pa）。而人体的极限压力为55mmHg-160mmHg,此传感器的测量范围完全可以满足测量的要求。绝压型传感器有一个内部真空参比值(基准值)，因此可直接输出一个与绝压成比例的信号。差压型装置允许在传感膜片的任一侧施加压力，可用于表压和差压的测量。数字压力传感器ASDX 001的结构：（1）外部结构：图3.1 ASDX 001外部结构图（2）内部结构ASDX 001的内部结构主要包括4部分：多路分配器；模/数转换器；微控控制；模/数转换器。图 3.2 ASDX 001内部结构图3.2.2 传感器内部测量原理传感器ASDX001内部测量部件为测量应变式电阻电桥，电阻应变式压力传感器，通过粘结在弹性元件上的应变片的阻值变化来测量压力值的。压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。频率响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。不平衡电桥的工作方式为通过不平衡电桥把电阻的变化转换成电流或电压信号的输出。压力传感器内部原理图如图3.3所示。图3.3压力传感器内部原理图压阻式传感器内的电阻的压阻效应为：。测量电路形式分为恒压和恒流。对于恒压源： ，电桥输出电压与R / R成正比，输出电压受环境温度的影响。对于恒流源： ，电桥输出电压与R成正比，环境温度的变化对其没有影响。测量原理：膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡， 输出相应的电压，电压与膜片两边的压力差成正比。1. 恒流源供电电桥图3.4恒流源供电电桥假设RT为温度引起的电阻变化，则 ，电桥的输出为： 电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成正比，但与温度无关，因此测量不受温度的影响。测量得到的U0 大小就为测量的压力的电信号。测量得到的电信号输入到多路分配器，在到A/D转换器，转换成数字信号。3.2.3 传感器电路设计：ASDX 001的外围引脚共有8个，其中5个为空脚。工作电压为正5伏。由+Vs脚引入正5V电压，Vout为数据输出脚，将所测量得到的数字电压信号传送到CC2430芯片的12脚，ASDX 001的地脚为GND脚，接地。因此，这个电路连接十分简单，只需要将传感器的输出脚Vout连接到CC2430芯片的12脚上即可。如图所示：图3.5 传感器ASDX001电路3.3 血压测量的流程血压测量的软件流程如下图所示：图3.6 血压测量的软件流程3.4 电源模块3.4.1 TPS60210芯片简介便携式电子产品市场中电池的使用时间是一项非常重要的指标，要想发挥电池的最大工作效率，电源电力管理设计显得十分重要。传统的电池电源设计存在低电压供电难供电时间不长输出的电压纹波较大，在开关频率较高时转换效率低下，电流消耗大等弊端。本设计系统采用TI公司出产的TPS60210转化器来实现电压3.3V稳定输出。其芯片的功能特点为：待机模式下最大2 mA的输出电流。可从两节AA电池或AAA电池（镍镉镍氢或碱性电池）等标准电源中或一节初级LiMO2电池（ 1.83.6 V输入电压 ）中得到3.3 V、 100mA的供电电压。采用推挽拓扑结构，输出电压纹波峰峰值低于30 mV。内置电池电压监视器。开关频率可与外部时钟频率同步。转换效率高达90% ，2 A静态工作电流大大地延长了电池使用寿命。无电感器件应用的低EMI特性。小型MSOP10封装，很少的外接元件。TI 公司最新的功能强大的升压型充电泵TPS60210 转换器旨在实现一种高效低成本简化设计的低EMI 特性的电池电源供给解决方案该控制器可与DSP 平台接口并且能够将两节电池或者1.8 V 的内核电压转换成3.3 V 的稳定输出其功能。如图3.7所示。图3.7 TPS60210芯片TPS60210采用MSOP10封装，引脚排列如图3.7所示，各引脚功能如下：贵州大学本科毕业论文（设计） 第 35 页1 脚LBI：低电池电压监视输入端，可通过把LBI接至GND屏蔽此功能；2 脚GND：接地脚；3脚C1-：外接电容C1负端；4脚C1+：外接电容C1正端；5脚OUT:3.3V输出电压，滤波电容必须接在OUT和GND之间;6脚C2+ :外接电容C2正端;7脚IN：供电电压，旁路电容必须接在IN和GND之间;8脚C2-：外接电容C2负端；9脚: 高、低电平以及与外部时钟信号相连时设定三种不同的工作模式；10脚LBO：低电池监视。当LBI端电压低于1.18V电压阈值时，低电池电压警告信号产生。TPS60210主要由振荡器、参考电压、误差放大器、大电流MOSFET开关管、内部电阻反馈回路、关断及软启动、控制回路等组成。特点为：1）待机模式下最大2 mA 的输出电流2）可从两节AA 电池或AAA 电池镍镉镍氢或碱性电池等标准电源中或一节初级LiMO2电池1.83.6 V 输入电压中得到3.3 V 100 mA的供电电压3）采用推挽拓扑结构输出电压纹波峰峰值低于30 mV4）内置电池电压监视器5）开关频率可与外部时钟频率同步6）转换效率高达90% 2 mA 静态工作电流大大地延长了电池使用寿命7）无电感器件应用的低EMI 特性8）小型MSOP 10 封装很少的外接元件3.4.2 TPS60210芯片的工作原理TPS60210为典型的推挽拓扑结构。两路电荷泵工作在推挽模式，它们之间的相位差是180，每路单独的电荷泵在半个周期里对其外接电容C1或C2充电，在另半个周期里供给负载电流以及对输出电容C0充电，使输出电压升高。当一个电荷泵在充电相位内对其外接电容充电时，另一个电荷泵在传递相位内供给负载电流以及对输出电容C0充电，这种模式可以确保在一个完整的循环周期里有连续的电流流向负载 。因此输出电容C0不再需要在每半个周期里缓冲负载电流，从而避免了常规充电泵电路固有的高输出电压纹波。TPS60210可以通过对引脚的设置选择三种不同的工作模式，当接入低电平时设置成待机模式；接入高电平时处于正常工作模式，如果负载电流低于7mA的电流阈值时，进入脉冲跳跃模式，如果负载电流大于约7mA的电流阈值时，进入连续频率模式，使输出电压稳定。3.4.3 TPS60210芯片的供电电路 TPS60210芯片是一块电源管理芯片，其目的就是把两节干电池的3V电压升为3.3V，为CC2430芯片供电，起到稳定电压的重要作用。TPS60210芯片的5脚输出值为3.3V电压，5脚接到CC2430芯片的第41、47、13、20、23脚。如图3.8所示。图3.8 供电电路3.5 气泵电路3.5.1线性阀PWM控制电路：泄气速率以PWM（Pulse Width Modulation 脉宽调变）方式控制，MCU将依据压力值之泄气变化调整泄气速率在规格范围内。C121与C212做为 稳定电源与滤波作用，减少PWM控制避免电源变动造成电压不稳。具体工作方式：当充气到200KPA时，开始漏气，由IC发出一个信号给第13脚，经R3流过到Q2使Q2导通，输出一个2.7V的电压给V1，使V1开始工作，D2保护Q2和V1的正常工作而设计。如图3.9所示：图3.9线性阀PWM控制电路3.5.2充气PUMP控制电路：PUMP control讯号控制PUMP动作，R4为限流电阻。具体工作方式：由CC2430芯片的14脚输出一个低电平约（0.6V）信号给R4，经Q5导通，VBT为Q5提供3.3V的电压，Q5导通输出一个3.3V的电压经PUMP，使PUMP导通。D3为保护二极管，使PUMP能稳定工作。如图3.10所示：图3.10充气PUMP控制电路4 通信模块电路和软件设计4.1 无线传感网络的简介无线传感器网络是一种特殊的AdHoc 网络, 网络中节点密集、数量巨大且部署在十分广泛的区域; 网络拓扑结构动态变化, 网络具有自组织和调整的特点。网络节点成本低体积小、能量极其有限。目前发展前景最大的无线传感器网络是基于IEEE802. 15.4 标准的Zigbee 无线网络。Zigbee 是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术, 它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案, 主要用于近距离无线连接。它依据802. 15. 4 标准, 在数千个微小的传感器之间实现了相互协调和通信。4.2 ZigBee 技术4.2.1 ZigBee协议栈简介ZigBee 协议栈8由IEEE 802.15.4 规范的物理层（PHY）、媒介访问控制层（MAC）和ZigBee 联盟增加的网络层（NWK）、安全层、应用层（APL）组成。IEEE 802.15.4 定义了868/915MHz 和2.4GHz 两个物理层标准，其中最常采用的是2.4GHz 物理层，它基于直接序列扩频技术，有16 个信道，信道间隔为5MHz，数据采用十六进制准正交调制，能够提供250kbps 的传输速率。IEEE 802.15.4 定义的MAC 层采用了特别的载波侦听多路访问/冲突防止（CSMA-CA）算法的信道访问控制和完全握手协议，为无线数据的可靠传输提供了保证。ZigBee 的网络层主要实现网络的建立，节点加入或离开网络、储存相关邻近节点信息、路由发现和路由维护等功能，支持星形、树形、网格等多种拓扑结构。ZigBee 的安全层提供了循环冗余校验、访问控制列表、AES-128 加密等安全保护措施，保证网络中的便携设备不会意外泄漏其标识以及其它节点不会俘获传输中的信息。ZigBee 的应用层主要负责把不同的应用映射到ZigBee 网络上，主要包括安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现和业务发现等。图4.1 ZigBee协议栈结构4.2.2 ZigBee 节点的类型从网络配置来讲，ZigBee 网络有三种类型的节点：协调节点、路由节点和终端节点9。ZigBee 协调节点在无线传感器网络中可以作为汇聚节点,它必须是FFD，一个ZigBee 网络只有一个协调节点，它功能强大，是整个网络的主控节点，负责发起建立新的网络、设定网络参数、管理网络中的节点以及存储网络中节点信息等，网络形成后也可以执行路由器的功能，协调节点一般由交流电源持续供电。ZigBee 路由节点也必须是FFD，它可以参与路由发现、消息转发、通过连接别的节点来扩展网络的覆盖范围等。此外，路由节点还可以在它的个人操作空间中充当普通协调节点，普通协调节点与协调节点不同，它仍然受协调节点的控制。ZigBee 终端节点可以是FFD 或者RFD，它通过协调节点或者路由节点连接到网络，但不允许其它任何节点通过它加入网络，终端节点能以非常低的功率运行。4.2.3 ZigBee 网络的拓扑结构如图4.2 所示，ZigBee 主要支持三种拓扑结构：星形、树形和网格形10。星形拓扑是由一个协调节点和多个终端节点组成的，协调节点位于网络的中心，负责发起建立和维护整个网络，其它的节点一般为RFD，分布在协调节点的覆盖范围内，直接与协调节点进行通信。星形网的控制和同步都比较简单，通常用于节点数量较少的场合；网格拓扑一般由若干个FFD 连接在一起组成骨干网，它们之间是完全的对等通信，每个节点都可以与通信范围内的其它节点通信，但它们中也有一个会被推荐为协调节点， 骨干网中的节点还可以连接FFD 或RFD 组成以它为协调节点的子网。网格拓扑是一种高可靠性网络，具有自恢复能力，它可为传输的数据包提供多条路径，一旦一条路径出现故障，则存在另一条或多条路径可供选择，但正是由于两个节点之间存在多条路径，它也是一种“高冗余”的网络；树形拓扑采用簇树路由传输数据和控制信息，枝干末端的叶子节点一般为RFD。每个簇首向与它相连的叶子节点提供同步服务，这些簇首又受协调节点的控制，协调节点比网络中的其它簇首具有更强大的处理能力和存储空间。树形拓扑的一个显著优点是网络覆盖范围较大，但随着覆盖范围的增大，信息的传输时延增大，而且同步复杂。图4.2 网络结构类型而本次设计中采用的通信方式为星型拓扑结构，这样使用起来可以在设计中省略了无线路由器的建立。4.2.4 ZigBee无线网络的组建协调器节点组网流程如图4.3所示，当FFD协调器设备被激活后，首先进行对物理层所默认的有效信道进行能量扫描，以检测可能存在的网络重叠以及PAN ID冲突的干扰。并对检测到的信道按能量值进行排序。然后执行主动扫描过程以选择唯一的16位PAN ID，建立自己的网络。当一个新网络被建立后，ZigBee路由器与终端设备就可以加入到该网络中了。图4.3 协调器组网流程图新网络建立后，所有其它节点(FFD或RFD)均可作为网络中的子节点发送入网请求，寻找其通信范围内的网络。如果找到网络，节点根据所获取的网络信息选择一个父节点提出入网请求，并等待父节点的请求响应。父节点接到一个入网申请后，将根据请求信息做出是否允许加入网络的判断，若允许加入，则父节点发出请求响应，通知子节点。子节点收到请求响应后，将得到一个父节点分配给它的一个16位网络地址作为在网络内的唯一身份标识，至此节点成功加入该网络。这样通过一级级的网络地址分配，网络区域内的所有节点将组成一定形式的网络结构。4.2.5星型网络的组建与通信的实现本文的实验是以ASDX001压力传感器采集的血压作为实验数据，以此来验证本系统的可行性，因此以压力采集节点为例，介绍星型网络的组建与各节点间通信的实现。在网络设置时，使用Chipcon公司提供的开发套件对网络进行配置。网络协调器通过NLMENETWORKFORMATIONrequest原语来组建一个新的网络：网络协调器上电后，首先初始化协议栈，然后网络层通过发送MLMES