（机械电子工程专业论文）无线生理参数监测系统的研制.pdf

无线生理参数监测系统的研制 摘要 本文讨论了对于健康人群基本生理参数进行监测的重要意义，分析了无线生理参数监 测系统的国内外发展概况及趋势。在系统总体设计之前，对系统进行了分析，介绍了系统 的相关理论、功能及应用范围，从技术方面论证了系统的可行性，完成了基于星型无线传 感器网络的系统总体方案的设计，实现了人体温度的无线监测。 本文所研制的无线生理参数监测系统包括：采集节点和汇聚节点。采集节点由数字温 度传感器d s l 8 8 2 0 、单片机a t 8 9 l v 5 1 和无线收发模块p t r 8 0 0 0 组成，负责采集温度数 据并将数据以无线方式传输到汇聚节点；汇聚节点由本地机( p c ) 和从单元组成，从单 元包括a t 8 9 l v 5 1 和p t r 8 0 0 0 ，负责管理采集节点、存储和传输数据。 通信协议和软件系统的设计是本课题研究的重点，本文一共拟定了3 个通信协议： 采集节点与汇聚节点之间的无线通信协议；汇聚节点与远程p c 之间的串行通信协议； 汇聚节点内部本地机与从单元之间的串行通信协议。在软件系统的设计上，针对不同 的硬件平台，完成了采集节点与汇聚节点从单元的程序设计以及汇聚节点本地机的应用软 件设计，实现了温度数据的采集、存储和传输。 关键词：生理参数；监测；无线通信；网络；协议 as t u d yo nw i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e mf o r p h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r s a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ei m p o r t a n c eo fm o n i t o r i n gt h eb a s i cp h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r so f h e a l t h yp e o p l e ，a n dr e v i e w st h ed e v e l o p m e n ta n dt e n d e n c yo fw i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e mf o r p h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r si nt h em a i n l a n da n dw e s tc o u n t r i e s b e f o r et h eo v e r a l ld e s i g ni s d e t e r m i n e d ，t h er e l e v a n tc o n c e p t s ，t h ef u n c t i o na n dt h ea p p l i c a t i o nr a n g eo ft h ew i r e l e s s m o n i t o rs y s t e mt ob ed i s c u s s e d ，t h ef e a s i b i l i t yo f d e s i g ns o l u t i o ni se x p l m n e d ，a n dt h ew h o l e s c h e m ab a s eo ns t a rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sd e s i g n e d ，t h ed e t e c t i o no ft h eh u m a n t e m p e r a t u r ei si m p l e m e n t e di nt h ew i r e l e s sw a y t h ea b o v es y s t e mi n c l u d e s ：t h es a m p l en o d e sa n dt h es i n k e a c hs a m p l en o d ec o n s i s t so f t h et e m p e r a t u r es e n s o rd s18 8 2 0 ，t h em c ua t 8 9 l v 51 ，a n dt h ew i r e l e s st r a n s c e i v e rm o d u l e s p t r 8 0 0 0 ，a n di su s e dt os a m p l et e m p e r a t u r e ，a n dt ot r a n s m i tt h ed a t at ot h es i n k t h es i n k c o n s i s t so ft h el o c a lm a c h i n e ( p c ) a n dt h es l a v eu n i ti n c l u d i n gt h em c ua t 8 9 l v 51a n dt h e p t r 8 0 0 0 ，i t sf u n c t i o n sa r e t h em a n a g e m e n to fs a m p l en o d e s ，d a t as t o r a g ea n dt r a n s m i s s i o n t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa n ds o f t w a r ed e s i g ni st h ek e yc o n t e n to ft h i sp r o j e c t t h i s p a p e rg i v e st h ef o l l o w i n gt h r e ep r o t o c o l s ：t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e n t h es a m p l ea n dt h es i n k ；t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o c o t o lb e t w e e nt h es i n ka n dr e m o t e p c ；t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o c o t o lb e t w e e nt h el o c a lm a c h i n ea n dt h es l a v eu n i to f t h e s i n k i nt h ed e s i g no fs o f t w a r es y s t e m s ，f o rd i f f e r e n th a r d w a r ep l a t f o r m s ，t h em o n i t o r i n g p r o g r a m sf o rt h es a m p l en o d ea n dt h es l a v eu n i to fs i n ka r ed e s i g n e d ，a n dt h ea p p l i c a t i o n p r o g r a mf o rt h el o c a lm a c h i n eo ft h es i n ki sa l s od e s i g n e d t h es a m p l e ，s t o r g ea n dt r a n s m i s s i o n o ft e m p e r a t u r ed a t ac a nb ea c h i e v e d k e yw o r d s ：p h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r s ；m o n i t o r ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ；n e t w o r k ；p r o t o c o l i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 万对犯 日期：如g 年月细日 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解北京服装学院有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期| 、日j 论文工作的知识产权单位属北京服装学院。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅、借阅和复印；学校可以将学 位论文的全部或部分内容公开或编入有关数据库进行检索，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书。 学位论文作者签名：万异寸杉 同期：沙- 君年j 月冈日 导师签名： i 杈 r 期：2 n s 年j 月f o 同 北京服装学院硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 近些年来，随着人们对于自身健康状况关注力度的加大，引起了生理参数监测仪器的 开发热潮。以微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 为核心，在系统软件的指挥下， 能自动、及时、准确完成对人体生理参数监测任务的仪器是当前研究的热点。本文中所研 制的无线生理参数监测系统是针对健康人群监测人群若干生理参数的仪器，例如，对于人 体温度、脉搏等生理参数的监测。 随着人类生活节奏的加快，竞争的日益激烈，人们在努力工作的同时，却忽略了自身 的健康，而很多疾病都是因为缺乏及时、准确的预警而导致了难以接受的后果。因此，监 测并及时准确地记录人体基本生理参数及其变化，为临床正确诊断、及时治疗和护理提供 了第一手资料和依据，意义非常重大。并且，随着家庭医疗保健工程( h o m eh e a l t hc a r e e n g i n e e i n g ，h h c e ) 的兴起和人们对健康的重视，对医疗保健产品的需求将会不断增长， 在不久的将来，基于监测人体基本生理参数的仪器肯定会走进平常百姓家中，服务于千家 万户，成为生活中不可缺少的保健医生。其次，按照国家统计局的人口预测，2 0 1 0 年中 国6 0 岁及以上老年人口总数为1 7 1 亿，占总人口的1 2 6 ，6 5 岁及以上老年人口总数为 1 1 3 亿，占到总人口的8 3 t 1 1 。老龄化社会的到来，适用于家庭的生理参数监测仪器的 需求会逐渐增加。 本课题所研制的无线生理参数监测系统还可以应该于服装工效的评价中。服装工效研 究对象是“人一服装一环境”系统，从适合人体的各种要求和角度出发，对服装的设计与 制造提出要求，以数量化情报形式来为创造者服务，使设计最大限度地适合人体的需要、 达到舒适卫生的最佳状态【2 1 。不同材料制作的衣服的保温性和舒适性都是不同的，而这些 不同在人体上的反映则表现为体温、脉搏等生理参数的不同，通过对这些生理参数的监测 和分析，可以对服装的工效做出评价。 1 2 国内外发展概况 国内外研究人员在很早以前就开始了对人体生理参数监测这个领域的研究，经过了几 十年的发展，已经取得了巨大的成果。 欧美、日本等国家从上世纪6 0 年代起就开始了生理参数监测仪器的开发，积累了丰 富的监测技术、方法及理论。他们以先进的电子设备为基础，并且投入了大量的资金，产 品具有精度高、功能强大、抗干扰能力强、性能稳定等特点。 1 第1 章绪论 1 9 5 7 年，美国学者h o l t e r 发明了一种随身携带的心电记录器。该记录器可连续记录 人体2 4 7 2 小时同常生活状态下的心电变化，经回放，在计算机上分析处理心电图【3 】。 1 9 8 3 年美国c s i 监测仪器公司发明了世界第一台便携式电池型血氧监测仪。 2 0 0 1 年1 2 月，美国的应用数据公司的“数字天使”可以在患者心脏病突然发作时， 将患者所处的准确位置及身体状况信息发送到地面接收站，一个分离的微型发送机将通过 移动通讯网络寻求救援。“数字天使还包括警报按钮，可以呼叫急救和护理人员 4 1 。 在生理参数监测仪器的科研和生产上，我国与国际先进水平相比还存在一定的差距， 目前国内生产的大部分生理参数监测仪器体积大、操作复杂，只能由专门的医护人员进行 操作，并且只能在病床旁边监测，不能移动。代表产品有深圳荣创公司的r c 9 0 0 0 系列多 参数监测仪，南京世帝公司的s d 2 0 0 3 系列监测仪等。这些仪器可以同时监测心电、呼吸、 血压、血氧饱和度、脉搏和体温等六个生理参数，主要应用于医院手术室和重症病房监测 室中。它们具有模块化、集成化和数字化等优点，但与国外同类产品相比，这些监测仪器 在测量的准确性、稳定性以及抗干扰等方面仍有差离。 1 3 生理参数监测仪器的发展趋势 生理参数监测技术是一门综合性科学，是集现代科技、现代医学、物理学、计算机技 术等多学科基础的综合技术，它的发展有赖于科技的进步、医学的发展、生命科学的研究 成果及社会的需求。随着电子技术、集成电路、计算机技术、网络技术和信号处理技术的 不断发展以及对生理参数监测仪器需求的不断提高，生理参数监测仪器的体积越来越小、 监测参数越来越多、结构组合更加灵活、网络功能日渐完善、操作界面更加友好简便，展 望生理参数监测仪器未来的发展趋势，主要具有以下特点： ( 1 ) 小型化 生理参数监测仪器的小型化依赖于电子元件的小型化，由于电子信息技术的飞速发 展，电路的集成化越来越高，不仅传统的电子元件在迅速小型化，片式元件也在迅速小型 化。目前，1 6 0 8 型( 1 6r a m 0 8 m m ) 片式阻容元件已成为主流产品，1 0 0 5 型( 1 0 m m x 0 5 m m ) 的片式阻容元件已成为移动通信设备使用的主流阻容元件【5 1 。同时，半导体供应商开始将 技术上目新月异的手机设计思想应用到生理参数监测仪器的设计上，可供借鉴的设计思想 包括i o 标准、u s b 端口的优点、e s d 保护的耐久性、使用高集成度的f p g a 和a s i c 来提高功能并减少周边元件以及简易的芯片组平台解决方案等。小型化的生理参数监测仪 器将更加亲和于人类的使用习惯，方便、灵活，不会影响到使用者正常的活动，从而可以 更好地满足人们对于自己健康关注的需要。 2 北京服装学院硕士学位论文 ( 2 ) 综合化 近些年来，研究人员将更加完善的设计理念融入到了生理参数监测仪器的研制过程 中，现代的生理参数监测仪器不但可以监测人体更多生理参数，而且可以存储、分析、反 馈生理参数信息，从而使用户可以全面、及时、准确地掌握生理参数的变化情况。与早期 的生理参数监测仪器相比，现代生理参数监测仪器的监测功能已从单一的心电监测扩展到 血压、呼吸、脉搏、体温、血氧饱和度、心输出向量、p h 值等多种生理参数的监测。生 理参数的输出内容也从单一的波形显示转变为波形、数据、字符、图形相结合。既可实时、 连续监测，又能冻结、记忆、回放；既可显示单次测量的数据和波形，又能进行特定时间 段的趋势统计6 8 1 。 ( 3 ) 网络化 由于通信技术、计算机网络的发展，生理参数监测仪器的网络化进程也随之加快，不 具备网络功能的生理参数监测仪器已经不能满足人们的需求。随着嵌入式微型网互连技术 ( e m e d d e dm i c r oi n t e m e t w o r k i n gt e c h n o l o g y ，e m i t ) 的发展，嵌入式设备可接入i n t e m e t ， 利用该技术可将i n t e m e t 延伸到广泛应用的8 位、1 6 位和3 2 位单片机软件平台上，可实 现基于i n t e m e t 的远程数据采集、远程控制、上传下载数据文件等功能，这些都极大的促 进了生理参数监测仪器的网络化。其次，随着无线通信技术的迅猛发展，具有无线通信功 能的生理参数监测仪器，将是发展的趋势。与有线联网方式相比，无线联网安装简单，应 用灵活，无线生理参数监测仪器的使用者可以在室内或者是小区任意移动，实现对用户生 理参数的连续监测。例如，带有无线功能的起搏器能够同时将用户和设备信息数据传回医 生的办公室，医生只需查看网站，即可了解用户的身体健康状况。 ( 4 ) 智能化 生理参数监测仪器j 下向智能化的方向发展，这主要表现为：基于微电子技术和计算机 技术的应用实现生理参数监测仪器的自动化，通过计算机控制器和数字模型进行数据采 集、运算、统计、处理，提高生理参数监测仪器数据处理能力，数字图像处理系统实现了 生理参数监测仪器数字图像处理功能的发展。并且，生理参数监测仪器逐渐发展到有强大 的软件分析功能，如心律失常分析、起搏分析等，并可根据临床需求进行监测信息回顾， 包括趋势图、表的信息存储功能，存储时间长，信息量大【6 罐】。因此，具有各种分析功能、 辅助诊断及专家系统的生理参数监测仪器将得到更快的发展。 1 4 课题的研究目的和内容 本文所研制的无线生理参数监测系统由采集节点和汇聚节点组成，采集节点与汇聚节 3 第1 章绪论 点以无线的方式传输数据，采集节点负责采集人体温度，汇聚节点负责管理采集节点，存 储、传输数据。系统集成了传感器技术、嵌入式系统和无线通信三大技术，是一种集数据 采集、处理、传输于一体的综合化智能信息系统。 本课题的主要研究内容如下： 根据传感器技术、微电子技术、嵌入式系统和短距离无线通信技术的发展水平， 对系统的可行性进行了分析。 分析系统的功能及特点，设计出了系统的总体方案。 根据系统总体设计方案，设计能够测量温度且以无线方式传输数据的采集节点和 能够管理采集节点且能以无线方式传输数据的汇聚节点。 根据采集节点和汇聚节点的结构合理选择芯片，构建出采集节点和汇聚节点的硬 件平台。 设计采集节点与汇聚节点之间的无线通信协议、汇聚节点与远程p c 之间的串行 通信协议以及汇聚节点内本地机与从单元之间的串行通信协议。 根据拟定的通信协议及系统的功能要求，完成采集节点与汇聚节点从单元的程序 设计以及汇聚节点本地机的应用软件设计。 1 5 论文的组织结构 本文的内容按照以下顺序分为7 章论述，各章的内容如下： 第1 章介绍了课题的研究背景及意义，分析了生理参数监测仪器的国内外发展概况； 并根据当前电子技术、集成电路、计算机技术和网络技术的发展情况，详细论述了生理参 数监测仪器的发展趋势；本章的最后详细介绍了本课题的研究目的和内容，并对论文的组 织结构作出了说明。 第2 章主要是对系统的可行性进行分析。介绍了系统的理论基础，分析了无线生理参 数监测仪器功能及应用范围，并从技术方面对于系统的可行性进行了详细的论证。 第3 章对系统的总体设计进行了论述。设计了系统的总体设计方案，分析了系统各个 单元所应该具有的功能；综合考虑了系统的实际应用环境、不同芯片之间的性能差异等因 素，选择了合适的芯片和嵌入式操作系统平台。 第4 章介绍了采集节点和汇聚节点的硬件电路的设计。详细论述了数字温度传感器 d s l 8 8 2 0 、无线收发模块p t r 8 0 0 0 等芯片的性能及单片机a t 8 9 l v 5 1 的接口电路设计。 第5 章介绍了通信协议的设计。本章首先概述了数据通信的基本原理，设计了采集节 点与汇聚节点之间的无线通信协议、汇聚节点与远程p c 之间的串行通信协议以及汇聚节 北京服装学院硕+ 学位论文 点内本地机与从单元之间的串行通信协议。 第6 章介绍了软件系统的设计。本章介绍了软件系统的开发环境，采集节点和汇聚节 点从单元的程序设计以及汇聚节点应用软件的设计。 第7 章总结了已经完成的主要工作，并提出了需要进一步完善和改进的地方。 1 6 小结 本章主要讨论了对于健康人群基本生理参数进行监测的重要意义，分析了生理参数监 测系统的国内外发展概况及发展趋势，最后介绍了本课题的主要研究内容。 5 第2 章系统分析 第2 章系统分析 系统分析是确定系统总体设计方向的重要阶段，在对系统进行设计之前，一定要对整 个系统进行分析，分析在当前的技术水平下，系统的可行性。 2 1 系统相关理论概述 2 1 1 数据采集 在智能仪器，信号检测与处理及工业自动控制等领域，都存在着信号的测量与控制的 问题。将外部世界存在的温度、压力、流量、位移、液位等模拟量转换为数字信号，再收 集传送到计算机作进一步处理的这一过程，即为“数据采集 ，相应的系统即为数据采集 系统【9 】。 图1 表示出数据采集系统和外部模拟世界的关系。 习新 预处理转换 叫信号调理卜-叫a d c _叫计算机卜_ + l 显示 住县 圉瑚l ll jn a r1 1 1 。“q 垤 。“。1 1照而 模拟最：， i 数字最 i 图1 数据采集系统和外部模拟世界的关系 ( 1 ) 典型的数据采集系统结构 图2 所示为典型的数据采集系统结构，由4 部分组成9 1 。 图2 典型的数据采集系统结构图 6 北京服装学院硕十学位论文 数据采集器 包括多路开关m u x 、测量放大器i a 、采样保持器s h a 、a d 转换器a d c 等。它的 作用是将多个现场模拟信号按某种规则( 即为某种采样顺序) 逐个采集，经量化后送人微 型计算机进行处理。 微机接口电路 用来传送数据采集系统运行所需的数据、状态及控制信号。 d a c 转换器 将计算机输出的数字信号转换为模拟信号，以实现系统要求的显示、记录与控制任务。 应用软件 在众多的应用场合，多路开关m u x 之前或之后还要配置滤波、前置放大等信号调理 电路。 ( 2 ) 数据采集系统的性能指标 数据采集系统的性能指标是恒量系统性能的重要依据，也是在设计数据采集系统时应 该着重考虑的方面。 主要的性能指标有： 精确度 精确度是表示数据采集系统给出接近于被采集量真值的能力。在工程采集系统中，为 了简化表示采集结果的可靠程度，引入一个精确度等级( 简称精度等级) 概念，用么表 示精度等级。彳以一系列标准百分比数值( o 0 0 1 ，0 0 0 5 ，0 0 2 ，0 1 ，o 2 ，o 5 ，1 0 ，1 5 ， 2 5 ，4 0 ，6 0 等) 进行分档。精度等级4 通常用数据采集系统在规定工作条件下，其最 大绝对允许误差娜戤相对于数据采集系统采集范围的百分比： 彳：尘生l o o ( 2 1 ) x m a x x m i “ 式中：x m 戤，x m i 。一测量范围的上下限值； 鲫舣一最大绝对允许误差值。 稳定性 数据采集系统的稳定性是指：在规定时间内，在规定工作条件保持恒定时，数据采集 系统性能保持不变的能力，当外部环境和工作条件发生变化时引起采集结果的不稳定程度 的大小。 灵敏度 7 第2 章系统分析 数据采集系统在稳态下输出增量对输入增量的比值，用k 表示，即k = 。，它是 静态特性曲线上相应点的斜率。如果特性曲线是一条直线，如图3 ( a ) 所示，各点斜率相等， 则k 为一常数。如果静态特性曲线不是直线如图3 ( b ) 所示，则说明灵敏度将随采集量 的大小而变。如图3 ( b ) 中在x l 和x 2 处的k 值不等。 图3 灵敏度曲线 线性度 数据采集系统线性度指系统的实际输入输出特性对理想直线性输入输出特性的近似 程度，用两者的最大偏差m 觚对量程b 之比的百分数表示，如图4 所示。线性度的表达 式如( 2 2 ) - 口：垒唑1 0 0 ( 2 2 ) b 量程b 指数据采集系统( 或智能仪器) 的采集值范围。用被采集量的上限x m 双和下 限x m i n 之差来表示，即b = x m 舣一x m i n o 图4 线性度 ( 3 ) 多通道数据采集系统 多通道数据采集系统是指输入信号个数多于一个以上的数据采集系统，这种采集系统 又可以分为分布式单机数据采集系统和网络式数据采集系统，如图5 和图6 所示。 由图5 可见，分布式单机数据采集系统由单c p u 单元实现无相差并行数据采集控制， 系统实时响应性好，能满足中、小规模并行数据采集的要求，但在稍大规模的应用场合， 北京服装学院硕士学位论文 对智能仪器系统的硬件要求较高。 模 一多匝卜匝卜 接拟 输 口 入电 c p u 信 路 号 j 多咂丑怔 一 图5 分布式数据采集系统的典型结构 输入信号 图6 网络式数据采集系统的典型结构 网络式智能仪器数据采集系统是计算机网络技术发展的产物，它由若干个“数据采集 站和一台上位机及通信线路组成，如图6 所示。数据采集站一般由单片机数据采集装置 组成，位于生产设备附近，可独立完成数据采集和预处理任务，还可将数据以数字信号的 形式传递给上位机。该系统适应能力强，可靠性高，若某个采集站出现了故障，只会影响 单向的数据采集，而不会对系统的其他部分造成任何影响。而采用该结构的多机并行处理 方式，每一个分机仅完成有限的数据采集和处理任务，故对计算机硬件的要求不高，因此 可用低档的硬件组成高性能的系统，这是其他数据采集方案不可比拟的。另外，这种数据 采集系统用数字信号传输代替模拟信号传输，有效地避免了模拟信号长线传输过程中的衰 减，有利于克服差模干扰和共模干扰，可充分提高采集系统的信噪比【1 0 】。 2 1 2 无线传感器网络 无线传感器网络【l l 】就是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点通过无线电通信 形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域里被 监测对象的信息，并发送给观察者。 无线传感器网络的系统架构如图7 所示，通常包括传感器节点( s e n s o rn o d e ) 、汇聚 o 第2 章系统分析 节点( s i n k ) 和管理节点( m a n a g e rn o d e ) 。 图7 无线传感器网络的系统架构 在图7 中，大量传感器节点随机密布于整个被观测区域中，通过自组织的方式构成网 络。传感器节点在对所探测到的信息进行初步处理之后，以多跳中继的方式将其传送给汇 聚节点，然后经卫星、互联网或是移动通信网络等途径到达最终用户所在的管理节点。终 端用户也可以通过管理节点对无线传感器网络进行管理和配置、发布监测任务或是收集回 传数据。 传感器节点通常是一个嵌入式系统，由于受到体积、价格和电源供给等因素的限制， 它的处理能力、存储能力相对较弱，通信距离也有限，通常只与自身通信范围内的邻居节 点交换数据。从网络功能上看，每个传感器节点都具有信息采集和路由的双重功能，除了 进行本地信息收集和数据处理外，还要存储、管理、融合其他节点转发过来的数据，同时 与其他节点协作完成一些特定任务。 汇聚节点通常具有较强的处理能力、存储能力和通信能力，它既可以是一个具有足够 能量供给和更多内存资源与计算能力的增强型传感器节点，也可以是一个带有无线通信接 口的特殊网关设备。汇聚节点连接传感器网络与外部网络，通过协议转换实现管理节点与 传感器网络之间的通信，把收集到的数据信息转发到外部网络上，同时发布管理节点提交 的任务。 无线传感器网络所具备的自组织、微型化和对周围区域和感知能力等特点，决定了它 在检测人体生理数据、健康状况、医院药品管理以及远程医疗等方面可以发挥出色的作用， 因而在医疗领域有着广阔的应用前景。 2 2 系统功能分析 本课题所研制的无线生理参数监测系统主要是为了实现对于人体基本生理参数的无 线监测，并将采集到的数据存储起来，方便对数据的后续分析处理；系统还可以与远程的 数据终端( 如私人医生、社区医疗中心、医院、服装工效学实验室) 建立连接，实时地将 北京服装学院硕士学位论文 数据传输到远程的数据库系统，从而实现数据的共享。 系统的主要功能如下： 采集和存储人体基本生理数据，例如，对于温度、脉搏等生理参数的采集及存储； 响应数据终端的指令，将采集到的数据传输到数据终端； 系统具有良好的扩展性，新的监测功能可以在原有的系统上作简单的扩展； 提供可扩展的接口和软件升级，以便于新开发应用程序的安装和升级。 2 3 系统的应用范围 根据系统的功能，系统主要应用于两个方面：( 1 ) 作为“数据采集站”应用于社区医 疗中心；( 2 ) 作为“数据采集站 应用于服装工效学实验室。 如果作为“数据采集站”应用于社区医疗中心，则它是整个系统中的数据源，主要任 务就是采集生理数据，并将采集到的生理数据通过无线的数据传输方式发送到社区医疗中 心，社区医疗中心在接收到数据后，可以通过有线或无线的数据传输方式将数据发布到网 络上，医护人员或亲属可以在网络上取得这些数据，从而实现生理数据的共享，整个远程 医疗系统的结构如图8 所示。 图8 远程医疗系统结构图 如果作为“数据采集站 应用于服装工效学实验室，则它的主要任务是监测实验中的 样本( 人) 在穿着不同的衣服时，生理参数的变化情况。监测系统采集样本的一些基本生 理数据，如温度、脉搏等，并将采集到的数据以无线的数据传输方式发送到服装工效学评 价系统中，服装工效学评价系统通过对采集到的数据进行分析，从而对不同衣服的服装工 效学性能作出评价，整个服装工效学评价系统的结构如图9 所示。 1 1 第2 章系统分析 图9 服装工效学评价系统结构图 2 4 技术可行性分析 本课题所研制的无线生理参数监测系统融合了传感器技术、微电子技术、嵌入式系统 和短距离无线通信技术，下面主要从技术方面论证系统实现的可行性。 ( 1 ) 传感器技术 传感器技术是现代信息技术的三大支柱之一，它贯穿于各种技术和应用领域，并占据 着十分重要的地位，因此，传感器技术伴随着信息技术的发展得到了极大的发展。首先， 由于新工艺、新材料、新原型的出现，机械结构型传感器在精度、稳定性等方面有了极大 的提高，如石英谐振传感器、微传感器、光学传感器、生物传感器等新型传感器的开发利 用大大拓展了传感器在各个领域的应用。其次，近代材料科学的发展，如大量的半导体材 料、功能陶瓷和功能有机聚合物，为传感器的发展，提供了坚实的物质基础，更由于宽广 的市场需求，刺激了各种廉价传感器的发展，促进了传感器的小型化【1 2 l 。随着微电子技 术技术与微处理器技术进入传感器领域，传感器与微处理机相结合，使之不仅具有检测功 能，还具有信息处理、逻辑判断、自诊断以及“思维等人工智能，就称之为传感器的智 能化。借助于半导体集成化技术把传感器部分与信号预处理电路、输入输出接口、微处理 器等制作在同一块芯片上，即成为大规模集成数字传感器( 智能传感器) 。数字传感器具 有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点。 在众多类型的传感器当中，温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。目前， 市场上有多种温度传感器，例如：数字温度传感器d s l 7 2 2 、m a x 6 5 7 5 l h 、d s l 8 8 2 0 等； 而应用于脉搏信号监测的传感器在市场上也具有多种型号，例如：h k 一2 0 0 0 、s c 0 0 7 3 等。 传感器是无线生理参数监测系统的信号源，传感器技术的发展为系统的研制提供了有力的 支持，本文将在第3 章就传感器的选型做一步的论述。 ( 2 ) 微电子技术 微电子技术是当代发展最快的技术之一，是电子信息产业的基础和心脏。集成电路 1 2 北京服装学院硕士学位论文 ( i c ) 则是微电子技术的核心，经过多年的发展，i c 制造工艺已经向深亚微米挺进，研 发了不少工艺模块，先进加工工艺已达到8 0 n m 。封装测试水平从低端迈向中高端，在s o p 、 p g a 、b g a 、f c 和c s p 以及s i p 等先进封装形式的开发和生产方面取得了显著成绩。i c 设计水平大大提升，设计能力小于等于0 5 p m 企业比例已超过6 0 ，其中设计能力在 0 1 8 9 m 以下企业占相当比例，部分企业设计水平已经达到9 0 n m 的先进水平。设计能力 在百万门规模以上的国内i c 设计企业比例已上升到2 0 以上，最大设计规模已经超过 5 0 0 0 万门级【1 3 】。微电子技术的快速发展，使无线生理参数监测系统的小型化成为可能。 ( 3 ) 嵌入式系统 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m s ) 是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可 剪裁( 可编程，可重构) 的专用计算机系统。经过了3 0 多年的发展，嵌入式系统技术日 益完善，其中，主要体现在嵌入式处理器、嵌入式式操作系统等方面。 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。据不完全统计，全世界嵌入式处 理器的品种已有上千种之多。其中，我们最为熟悉的是8 0 5 1 和6 8 h 结构的产品。实际上， 几十年来，各种4 、8 、1 6 和3 2 位的处理器在嵌入式系统中都有广泛应用。当前，嵌入式 系统处理器的发展趋势主要采用3 2 位嵌入式c p u ，其主流系列有a r m ( 包括i n t e l 公司 的s t r o n ga r m 和x s c a l e ) 、m i p s 和s h 三大系列【1 4 1 。 嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ， e o s ) 负责嵌入式系统的全部软、 硬件资源的分配、任务调度、控制、协调并发活动。目前，嵌入式操作系统已经走向成熟， 除了提供文件系统、内存分配、i o 存取服务、中断服务、任务( t a s k ) 服务、时间( t i m e r ) 服务等系统服务外，有些嵌入式操作系统也会提供多种通信协议，以及用户接口函数库等。 在本课题中，嵌入式操作系统是作为汇聚节点本地机的应用软件开发平台，嵌入式系统的 快速发展，将为无线生理参数监测系统的智能化提供有力的技术支持，本文将在第3 章就 嵌入式操作系统的选型做进一步的论述。 ( 4 ) 短距离无线通信技术 近年来，短距离无线通信技术成为无线通讯领域发展热点。目前，应用于生理参数监 测领域比较成熟的短距离无线通信技术方案有：基于非标准协议无线收发芯片、蓝牙技术、 z i g b e e 技术和超宽带技术。 基于非标准协议无线收发芯片的短距离无线通信技术方案最早应用于生理参数监测 是通过独立的射频电路实现的，这种方案最早应用于美国和前苏联的载人航天工程中。随 着超大规模集成电路技术的发展，目前已经能够实现在单个芯片上集成整个射频电路，其 1 3 第2 章系统分析 体积和功耗都大大减小，从而便于无线通信技术在生理参数监测领域的应用。蓝牙技术是 一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它工作在全球通用的2 4 g h zi s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ) 频段，其程序写在一个9 m m 9 m m 的微芯片，最高 传输速率为1 m b s 。z i g b e e 技术由i e e e8 0 2 1 5 4 标准的物理层和数据连路层，再a n 上 z i g b e e 协议的网络层和媒体访问控制层组成，它同时还是一种个人局域网( p a n ) 技术。 超宽带技术( u l t r aw i d eb a n d ，u w b ) 是一种使用h z 级到g h z 级频段的超带宽、通过 微弱的脉冲信号进行通信的无线技术，数据传输速率能够达数数百m b s ，耗电量仅为现 有无线技术1 1 0 0 t 1 5 6 1 。在本课题中，采集节点与汇聚节点之间的通信方式为无线通信， 经过分析，在现有的技术条件下，可以达到系统设计的要求，本课题选用的短距离无线通 信方案为：基于非标准协议无线收发芯片，本文将在第3 章对无线收发芯片的选型作进一 步的论述。 经过以上的分析和调研，在现有技术基础上，已经具备开发无线生理参数监测系统的 实力。 2 5 小结 本章介绍了数据采集、无线传感器网络等相关理论基础，分析了系统的功能及应用范 围。最后，从传感器技术、微电子技术、嵌入式系统、无线通信技术等方面论证了系统的 可行性。 1 4 北京服装学院硕十学位论文 3 1 总体设计方案 第3 章系统总体设计 为了使系统具有良好的扩展性，在设计系统时，借鉴了无线传感器网络的设计理念， 将系统分为采集节点和汇聚节点。采集节点负责采集生理数据；汇聚节点负责管理采集节 点，存储采集到的数据，并能够对数据作进一步的处理，例如，将生理数据传输到远程 p c ，医院等。采集节点和汇聚节点以无线通信的方式组织成星型无线传感器网络，汇聚 节点为中心节点，采集节点直接与汇聚节点进行无线数据传输。 本课题一共设计了两个温度采集节点( 简称采集节点) ，采集两路温度数据，采集节 点主要由温度传感器、单片机和无线收发模块组成，其中，温度传感器用于测量人体温度； 单片机负责控制温度传感器和无线收发模块；无线收发模块负责采集节点与汇聚节点之间 的无线数据传输。 汇聚节点由本地机和从单元组成，其中，本地机为p c ，从单元包括无线收发模块和 单片机，作为汇聚节点与采集节点之间的无线通信接口。从单元中的单片机作为本地机与 无线收发模块之间的通信接口，负责本地机与无线收发模块之间的数据转发，系统的总体 设计框图如图1 0 所示。 f 苗量两i 五j 萎酽： i采集节点lil 一 3 2 芯片的选用 3 2 1 温度传感器 i i 无 线 苴 太 收 片 地 回叫 发 机 模 机 ( p c ) 块 汇聚节点： 图l o 系统总体设计框图 为了加快系统的开发速度，决定选用数字温度传感器。数字温度传感器是微电子技术、 计算机技术和自动测试技术( a t e ) 的结晶，它的内部包含温度传感器、a d 转换器、信 号处理器、存储器( 或寄存器) 和接口电路，其特点是能输出温度数据及相关的温度控制 量，适配各种m c u ，可以克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和a d 转 换器的弊端，因而被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。 目前，国际上己开发出了多种类型的数字温度传感器，这些产品的出现极大的丰富了设计 l s 型 第3 章系统总体设计 者的选择对象。在选择数字温度传感器时，主要应该考虑以下几点： 温度的测量范围、精度和转换速度是否符合系统的要求； 元器件的大小是否合适，外围电路是否简单； 温度传感器的总线负载能力如何，占用多少个m c u 的i o 引脚； 被测对象的环境条件对测温元件是否有损害。 常用的数字温度传感器主要有： ( 1 ) d s l 7 2 2 d s l 7 2 2 是一种低价位、低功耗的三总线式数字温度传感器，它的工作电压：模拟电 压为2 6 5 5 5 v 、数字电压为1 8 5 5 v ，温度测量精度为o 2 ，温度分辨率为8 1 2 位 ( 1 0 - 0 0 6 2 5 ) ，可以通过编程控制，温度数据可以通过摩托罗拉串行接口和标准三 线接口读写。数字温度传感器d s l 7 2 2 由4 个主要部分组成：精密温度传感器、a d 转换 器、s p i 三线接口电子器件和数据寄存器。开始供电时，d s l 7 2 2 处于能量关闭状态，供 电之后用户通过改变寄存器分辨率使其处于连续转换温度模式或者单一转换模式。在连续 转换模式下，d s l 7 2 2 连续转换温度并将结果存于温度寄存器中，读温度寄存器中的内容 不影响其温度转换；在单一转换模式，d s l 7 2 2 执行一次温度转换，结果存于温度寄存器 中，然后回到关闭模式，这种转换模式适用于对温度敏感的应用场合。在应用中，用户可 以通过简单的编程实现8 1 2 位的数字值读数方式，最高分辨率可达o 0 6 2 5 ，可以分别 在7 5m s 和1 2 0 0m s 内完成8 位和1 2 位的数字量。 ( 2 ) m 【a x 6 5 7 5 l h m a x 6 5 7 5 l h 是美国m a x i m 公司的一种单总线式数字温度传感器，它的工作电压 为2 7 5 5 v ，测温范围为4 0 , - , + 1 2 5 ，其误差范围：在2 5 。c 时优于3 。c ，在8 5 时优于 4 5 ，在1 2 5 时优于5 。但是m a x 6 5 7 5 l h 在其测温范围内非线性误差较大，因 此，当它用于高精度温度测量时，必须对其进行非线性补偿。它最多允许在一根m c u 的 i o 总线上同时挂接8 个m a x 6 5 7 5 l h 进行多点温度测量。为了避免多个传感器同时测 温时有重叠的现象，m a x 6 5 7 5 提供了“l ”和“h 两种型号的传感器，它们的使用方法 相同，而且每一种型号的传感器又可以通过时间选择引脚。 ( 3 ) d s l 8 8 2 0 d s l 8 8 2 0 是美国d a l l a s 半导体公司继d s l 8 2 0 之后最新推出的一种改进型数字温 度传感器，工作电压为3 5 5 v ，测温范围5 5 - , + 1 2 5 。c 。与传统的热敏电阻相比，它能够 直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9 - - - 1 2 位的数字值读数方式， 1 6 北京服装学院硕十学位论文 最高分辨率可达0 0 6 2 5 。c ，可以分别在9 3 7 5m s 和7 5 0m s 内完成9 位和1 2 位的数字量。 d s l 8 8 2 0 具有独特的单总线接口方式，从而使测温装置与传感器的接口变得十分简单， 克服了模拟式传感器与微机接口时需要的a d 转换器及其他复杂外围电路的缺点，由它 组成的温度测控系统非常方便，而且成本低、体积小、可靠性高。 d a l l a s 公司的单总线技术具有较高的性价比，有以下特点： 适用于低速测控场合，测控对象越多越显出其优越性； 性价比高，硬件施工、维修方便，抗干扰性能好； 具有c r c 校验功能，可靠性高； 软件设计规范，系统简明直观，易于掌握。 经过以上的分析，m a x 6 5 7 5 l h 测量误差过大；相对于d s l 8 8 2 0 ，d s l 7 2 2 的接口较 多，温度