（通信与信息系统专业论文）区域心电检测研究与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 当前，通信技术和医疗技术的发展方便了人们的生活，也提高了人们的生活 品质。但是，人们仍然面临着来自各种疾病的威胁，其中心脏病已经成为生命健 康三大杀手之一。 本文将z i g b c e 无线传感器网络技术应用到区域心电检测中，让医疗机构能实 时掌握患者心脏健康情况，长期记录心脏病案资料。为解决心血管疾病前期预防 和防止心脏病猝死提供了一种新的手段。 首先，设计了适合区域监测的健康监护平台架构。该架构基于三层数据传输 框架设计，选择了z i g b c e 技术承载采集节点和通信节点之间的数据传输任务，并 采用分频段传输方式实现异常心电数据传输。 其次，设计了无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k , w s n ) 节点。该节点基 于s t m 3 2 f 1 0 3 微控制器和c c 2 4 3 0 无线片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 开发，软件 开发移植了i _ t c o s 操作系统到s t m 3 2 f 1 0 3 ，移植了z i g b e e 无线传感器网络协议栈 到c c 2 4 3 0 。 再次，开发了以太网控制器模块和心电采集模块。以太网控制器模块为w s n 节点提供了嵌入式i n t e r n e t 访问功能，心电采集模块提供心电微小信号放大功能。 以太网控制器模块硬件部分基于c s 8 9 0 0 a 以太网控制器，软件部分移植了1 w i p 嵌 入式t c p i p 协议栈到运行于s t m 3 2 f 1 0 3 的 x c o s 操作系统。心电采集模块基于 i n a 3 2 1 低噪声仪器放大器设计，具有噪声低、工作稳定的特点。 最后，实现了心电数据采集节点、心电数据汇聚节点和心电数据中心服务器， 形成完整的区域健康检测平台。心电数据采集节点包含心电采集模块、w s n 节点 模块以及电池管理模块。无线数据汇聚节点包括以太网访问模块、w s n 节点模块。 心电数据中心服务器实现了w s n 网络管理、历史心电记录和心电报告生成等功 能。经过3 0 例临床验证，本平台能辅助医生提前发现心血管疾病异常情况如心律 失常、早搏、漏博等，具有现实意义。 关键词：z i g b e e ，i e e e8 0 2 1 5 4 ，p c o s ，1 w i p ，e c g ，远程医疗 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ed e v e l o p m e n t o fc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y a n dm e d i c i n e t e c h n o l o g yh a si m p r o v e do u rd a i l y1 i f eal o t h o w e v e r , p e o p l ea r es t i l lc o n f r o n t e dw i t h t h et h r e a tc o m i n gf r o mv a r i o u sd i s e a s e s ；t h eh e a r td i s e a s eh a sa l r e a d yb e c o m eo n eo ft h e t h r e eh e a l t h yk i l l e r s t i l i st h e s i sa p p l i e dt h ez i g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g yt oa r e n a e l e c t r o c a r d i o g r a m ，w h i c hm a k e st h ed o c t o rb ea b l et og r a s pr e a l t i m eh e a r th e a l t h c o n d i t i o n , r e c o r dl o n g - t i m eh e a r ti n f o r m a t i o n , a n dp r o v i d e dan e ww a yt ot a k e p r e c a u t i o n sa g a i n s tt h ec a r d i o v a s c u l a rd i s e a s ea n dg u a r da g a i n s ts u d d e nd e a t ho fh e a r t d i s e a s e s f i r s t l y , t h et h e s i sd e s i g n e dt h ea r c h i t e c t u r es u i t a b l ef o rh e a l t h c a r es o l u t i o n n i s a r c h i t e c t u r eb a s e do nt h r e el a y e r s ，u s ez i g b e et ot r a n s f e rh e a l t hd a t ab e t w e e nd a t a c o l l e c tn o d ea n dd a t as i n kn o d e s ，a n du s ed i f f e r e n tf r e q u e n c i e st ot r a n s m i tn o r m a lh e a t h m e s s a g ea n da b n o r m a lh e a l t hm e s s a g e s e c o n d l y , t h et h e s i sd e s i g n e dab a s i cn o d e n 坞h a r d w a r ed e s i g no ft h i sn o d ei s b a s e do ns t m 3 2 f 1 0 3m i c r o c o n t r o l l e ra n dc c 2 4 3 0s o cc h i p ，w h i l et h es o f t w a r ed e s i g n i n c l u d e dm i g r a t ei - t c o sr t o st os t m 3 2 f 1 0 3a n dm i g r a t ez - s t a c kt oc c 2 4 3 0 t h i r d l y , t h et h e s i sd e v e l o p e de t h e r n e tm o d u l ea n de l e c t r o c a r d i o g r a mm o d u l e e t h e r n e tm o d u l ew h i c hi sb a s e do nc s 9 0 0e t h e r n e ta d a p t e ra n dl w l pe m b e d d e dt c p i p s t a c kh a se x t e n dt h ei n t e r n e ta c c e s s i b i l i t yt ob a s i cn o d e a n dt h el e c t r o c a r d i o g r a m m o d u l ew h i c hi sb a s e do nl o wn o i s ei n s t r u m e n ta m p l i f i e ri n a 3 2 1h a sb r i n gt h e c a p a b i l i t yo fc o l l e c t i n ge l e c t r o c a r d i o g r a mi n f o r m a t i o nt ob a s i cn o d e l a s t l y , w ei n t e g r a t et h ec o l l e c t i o nn o d e ( w h i c hc o n t a i n se l e c t r o c a r d i o g r a mm o d u l e a n db a s i cn o d e ) ，d a t as i n kn o d e ( w h i c hc o n t a i n se t h e m e tm o d u l ea n db a s i cm o d e ) ，a n d d a t ac e n t e rs e n e r ( w h i c hi m p l e m e n t e de l e c t r o c a r d i o g r a mr e p o r tc r e a t i o n , n e t w o r k m a n a g e m e n t ，h i s t o r i c a lr e c o r di n t o ) a l la r e n ah e a l t h c a r ep l a t f o r mw h i c hh a sv e r i f i e db y 3 0c l i n i c a l l yc o u r s e st op r o v et h a tt h es o l u t i o nc a l la s s i s td o c t o r st od i s c o v e ra r r h y t h m i a c o r d i se t c k e y w o r d s ：z i g b e e ，i e e e8 0 2 1 5 4 ，i t c o s ，1 w i p ，e c g ，r e m o t eh e a l t h c a r e i i 图目录 图2 1 图2 2 图2 3 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图4 _ 1 图4 2 图禾3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 - 1 1 图5 1 图5 2 图5 - 3 图5 - 4 图5 5 图目录 总结构图7 z i g b e e 网络拓扑结构1 0 传感器通信原理图1 1 最小平台软件层次架构图1 4 无线传感器节点实物图l5 传感器通信节点硬件结构图1 6 s t m 3 2 f 1 0 3 主控芯片连接图1 6 s t m 3 2 f 1 0 3 最小系统电源模块1 7 s t m 3 2 f 1 0 3 系统j t a g 电路图1 7 c c 2 4 3 0 无线收发系统原理图1 8 c c 2 4 3 0 同s t m 3 2 f 10 3u a r t 通信示意图19 i x c o s 软硬体系结构图2 l c o r t e xm 3p e n d s v 中断i s r 流程2 4 z i g b e e 协议分层结构2 5 通过设置预编译参数控制h a l 编译内容2 7 z s t a c k 应用程序软件架构2 8 最小系统数据发送流程框图3l z i g b e e 测试方案框图3 2 建立网络过程报文图一3 2 正常通信报文图3 3 心电采集节点硬件结构图3 5 数据采集节点锂电池电源管理模块原理图3 6 心电采集电路前端设计3 7 数据报文基础格式定义3 7 利用网络层再接入命令的网络再接入流程图4 l 数据采集节点漫游切换流程图4 2 心电采集节点通信任务状态机4 3 频点切换流程图4 4 心电数据采集节点任务流程图4 5 心电波形测量图4 6 心电信号产生器4 7 数据汇聚节点硬件结构图4 9 c s 8 9 0 0 a 电路连接图5 0 汇聚节点实物图5 0 1 w i p 支持的两种应用进程模型5 2 1 w l p 操作系统抽象层层次结构图5 2 v i 图目录 图5 6 图5 7 图5 8 图5 - 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图6 1 图6 2 图6 3 1 w p 超时结构体定义5 4 1 w 口定时事件表维护流程图。5 5 n e t i f 设备对象结构简图5 6 数据汇聚点通信流程框图5 8 数据汇聚点任务流程框图6 0 单一节点连通性实验结果6 l 两节点连通性实验结果6 l 七节点连通性实验结果6 2 十个节的连通性实验结果6 3 2 5 节点的连通性实验结果6 3 z i g b e e 网络连通性实验结果。6 4 心电处理服务器软件结构框图6 7 心电分析处理流程图6 8 波形对比示意图7 0 i 表目录 表目录 表2 1蓝牙与i e e e8 0 2 15 4 标准性能对照表9 表3 1 s t m 3 2 与c c 2 4 3 0 片间通信参数一1 9 表3 2o sc p ua a s m 中的关键函数2 3 表3 3h a l 抽象层设备接口头文件2 6 表3 4s a p i 中函数列表3 0 表4 _ 1c c 2 4 3 0 同s t m 3 2 f 10 3 协议命令字3 8 表4 2数据采集节点g c o s 任务列表4 5 表4 3 电压测量结果一4 7 表4 - 4 幅频特性测试结果( 方波峰峰值：l m v ) 一4 7 表4 5心率分析算法测试结果4 8 表5 11 w i p 同g c o s 操作系统系统服务对比表5 3 表5 21 w i p 操作系统封装层主要函数列表5 3 表5 3数据汇聚节点l x c o s 任务列表5 9 缩略词表 a d c a e s 晦 a p s c r c c s m l a d s s s f f d f s h i s i c m p l s r m a c n 、( p h y p l l p w m l 心d r s s i i 汀c r t r s o c t c p u a r t u s a i 订 u d p 缩略词表 a n a l o gd i g i tc o n v e r t e r a d v a n c e de n c r y p ts t a n d a r d a p p l i c a t i o nf r a m e w o r k a p p l i c a t i o ns u p p o r ts u b l a y e r c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s 谢t t l c o l l i s i o na v o i d a n c e d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m f u l lf u n c t i o nd e v i c e f i l es y s t e m h o s p i t a li n f o r m a t i o ns y s t e m i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l i n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e m e d i u ma c c e s s ec o n t r o ls u b l a y e r n e t w o r kl a y e r p h y s i c a ll a y e r p h a s el o c k e dl o o p p l u sw i d t hm o d u l a t i o n r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t i o n r e a l t i m ec o n t r o l l e r r o u n dt r i pt i m e s y s t e mo nc h i p t r a n s p o r tc o n t r o l p r o t o c o l u n i v e r s a l a s y n c h r o n o u s r e c e i v e r t r a n s m i t t e r u n i v e r s a l s y n c h r o n o u s a s y n c h r o n o u s r e c e i v e r t r a n s m i t t e r u s e rd e f i n e dp r o t o c 0 1 1 ) ( 数模转换 高级数据加密标准 应用层框架 应用服务支持层 循环冗余校验值 载波冲突回退 直接序列扩频 全功能设备 文件系统 医院信息管理系统 网际控制报文协议 中断服务例程 媒体访问子层 网络层 物理层 锁相环 脉宽调制 精简功能设备 接收的信号强度指示 实时时钟控制器 往返时延 片上系统 传输控制协议 通用异步接收发送 装置 通用同步异步串行 接收发送器 用户自定报文协议 缩略词表 u s b w s n z c z d o z e d z r u n i v e l s a ls e r i a lb u s w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k z i g b e ec o o r d i n a t o r z i g b e ed e v i c eo b j e c t z i g b e ee n d p o i n td e v i c e z i g b e er o u t e r x 通用串行总线 无线传感器网络 z i g b e e 协调者 z i g b e e 设备对象 z i g b e e 终端设备 z i g b e e 路由器 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：二芝乞经 日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此 日期：年月日 第一章绪论 1 1项目背景 第一章绪论 心脏病具有突发性和不可预见性，是威胁人类生命的一大杀手。 根据我国卫生部2 0 0 5 年度卫生统计资料年鉴显示，我国死于心脏病的人数仅 仅排列在肿瘤和脑血管之后，心脏病已经成为严重威胁人们健康和生命的三大主 要疾病之一【i 】。 据世界心脏联盟统计，全世界范围内，每死亡三人，其中就有一人死于心脏 病【2 1 。预计到2 0 2 0 年，心肌梗死将从目前死因的第5 位上升到第l 位，全球心血 管病死亡率将增加5 0 ，心血管疾病已经成为全球卫生保健和卫生资源的沉重负 捌3 1 1 4 1 。 心血管疾病具有病发随机、高猝死率的特点，实时心电监护可以及时发现异 常情况，提早采取相应措施，是降低心脏病突发死亡率的有效手段之一。 实践表明，对于降低心脏病伤害的各种方法，最有效的手段就是预防和保健， 尽早发现异常病变，尽早进行治疗，以控制病情的进一步发展。本文设计的将实 时、长期的心电监护结合的区域心电监测平台对高危人群、亚健康人群以及老年 人群的心血管疾病预警具有重大意义。 1 2研究现状 当前，长期生理监护和记录技术是国内外健康监护系统领域研究热点之一， 有很多相关厂商设计了类似的技术和产品。 文献 5 】【6 】中提出了一种长期生理健康数据检测方案框架，采用三层架构：最 底层为基于p a n 网络的可穿戴式生理参数，中间层为智能手机，服务层为健康数 据中心服务器。 文献 7 】【8 】中提出了将z i g b e e 方案作为医院的无线生理数据检测方案，通过 z i g b e e 技术作为心率、呼吸、提问、血压等多重生理参数的生理数据通信技术， 即时将病人数据传输到医院护士站。 1 电子科技大学硕士学位论文 f r e e s c a l e 、t i 等公司也推出了家庭医疗保健相关产品的参考设计方案【9 】【10 1 。如 家用心率计、家用血压计等，这些参考设计适合作为长期生理健康监护系统的生 理数据采集前端。 文献【1 1 】【1 2 【1 3 明确提出了使用无线传感器网络技术用于长时间远程健康监 护的方法，并且进行了相关验证工作。 文献 1 5 】提出了构建基于社区的无线医疗监护系统对于提高国内当前医疗水 平有重要意义。 文献 1 6 设计了基于蓝牙技术的无线家用心电监测设备。但是蓝牙技术存在传 输距离短、电量消耗较大的特点，难以提供长时间心电监测和记录功能。 1 3技术背景 基于z i g b e e 技术的小区心电监护系统以z i g b e e 协议作为传感器网络通信协 议，以s t m 3 2 f 1 0 3 和c c 2 4 3 0 作为传感器节点硬件基础，以i - t c o s 作为传感器节 点运行软件平台，以1 w i p 嵌入式t c p i p 协议栈作为汇聚节点同远程服务器之间通 信手段，本节将详细介绍以上技术背景。 1 3 1s t m 3 2 f 1 0 3 微控制器 s t m 3 2 f 1 0 3 是意法半导体公推出的3 2 位微控制器，采用a r m 公司的c o r t e x m 3 嵌入式处理器内核。a r mc o r t e xm 3 内核具有低功耗、低成本、高性能的特点， 是a r m 公司原有a r m 7 体系结构处理器核的衍生，专门针对针对消费类电子产 品市场的嵌入式应用领域设计。c o r t e xm 3 内核支持t h u m b 2 指令集，能将应用程 序所需要的存储空间较之前降低5 0 1 7 1 1 8 】【1 9 】。 s t m 3 2 f 1 0 3 集成了a d 、d a 、u s b 、s p i 、u a r t 等功能模块，其产品线最高 端型号集成5 1 2 k bf l a s h 空i 、日j ，时钟频率可达7 2 m h z ，而运行功耗则只有3 6 m a ， 是3 2 位市场上功耗最低的产品。 1 3 2p c o s 嵌入式操作系统 o c o s 全称为m i c r oc o s i i ，为j e a nj l a b r o s s e 所编写的商用嵌入式实时操作 系统。该操作系统于2 0 0 0 年7 月通过了美国联邦航空管理局的r t c ad o - 1 7 8 b 标 准认证，表明u c o s 具有足够的安全性与稳定性，能够用于性命攸关的、安全性 2 第一章绪论 条件几乎苛刻的系统，如航天、医疗、核能等领域【2 0 】。 c o s 实时操作系统内核包含了任务调度、任务管理、时间管理、内存管理和 任务间的通信与同步等基本功能。没有提供输入输出管理、文件系统、网络等额 外服务。c o s 源代码公开，易于移植，用户可根据需要添加各种服务。 1 3 3i e e e8 0 2 1 5 4 i e e e8 0 2 1 5 4 标准是i e e e8 0 2 委员会中8 0 2 1 5 4 工作组为无线个人局域网所 制定的低速率无线通信标准。该工作组成立于2 0 0 0 年1 2 月，致力于定义一种廉 价、超低功耗、低复杂度和低连接通信速率的无线连接技术。 2 0 0 3 年1 2 月，i e e e 8 0 2 委员会通过了第一个8 0 2 1 5 4 协议标准，它定义了网 络的物理层( p h y s i c a ll a y e r , p h y ) 和媒体访问控制子层( m e d i u ma c c e s s e o n t r o i s u b l a y e r , m a c ) 2 q 。 i e e e8 0 2 1 5 4 作为支持低速率、低功耗、短距离无线通信的协议标准，将协 议模型划分为物理层( p h y ) 和媒体接入控制层( m a c ) 两个子层进行实现，对无线电 频率和数据率、数据传输模型、设备类型、网络工作方式、安全等方面都做出了 详细的说明。 1 3 4 z i g b e e z i g b e e 技术是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的无 线网络技术，它依据i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，在数千个微小的传感器之间互相协调实 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，所以它们的通信效率非常高，成为当前无线传感器 网络的首选网络协议。 z i g b e e 技术的发展简史如下： 2 0 0 0 年1 2 月，i e e e ( 美国电子和电气工程师协会) 成立了i e e e8 0 2 15 4 工 作组，致力于开发一种可应用在固定、便携或移动设备上的，低成本、低 功耗和低速率的无线连接技术【2 。 2 0 0 1 年8 月，美国h o n e yw e l l 等公司发起成立了z i g b e e 联盟，他们提出 的z i g b e e 规范被确认为i e e e8 0 2 15 4 标准。 2 0 0 2 年，摩托罗拉、飞利浦和三菱等企业加盟z i g b e e 联盟，2 0 0 6 年，中 3 电子科技大学硕十学位论文 国的华为公司也加入了该联盟。目前该联盟已有1 8 0 多个成员企业，包括 终端产品商、软件供应商和系统集成商。 2 0 0 3 年，i e e e8 0 2 1 5 4 标准获得通过，并在2 0 0 4 年1 2 月推出了z i g b e e 技术规范1 0 版本，正式对外公布【2 2 】。 2 0 0 8 年1 月，z i g b e e 联盟正式推出z i g b e e 的升级j 虢- - z i g b e e2 0 0 7 2 引。 1 3 5无线传感器网络芯片简史 在8 0 2 1 5 4 标准中指定两个频段：8 6 8 9 1 5 m h z 和2 4 g h z 作为直接序列扩频 ( d s s s ) 物理层频段。其中2 4 g h z 物理层支持2 5 0k b p s 通信速率，而采用 8 6 8 9 1 5 m h z 频段的物理层仅支持2 0k b p s 和4 0k b p s 通信速掣2 4 1 。 当前市场上还没有支持8 0 2 1 5 4 并采用8 6 8 9 1 5 m h z 频段的商业芯片，因此商 业芯片基本集中在2 4 g h z 与2 5 0k b p s 速率。常用的2 4 g h z 芯片分为以下类别： 符合8 0 2 1 5 4 的无线收发芯片如德州仪器生产的c c 2 4 2 0 ( 2 5 1 、f r e e s c a l e 生产 的m c l 3 1 9 2 、m c l 3 1 9 3 t 2 6 1 。 支持完整8 0 2 1 5 4 协议规范的射频收发器和m c u 做成一颗s o c 芯片，如 德州仪器生产的c c 2 4 3 0 t 2 刀与c c 2 4 3 1 t 2 8 1 ，f r e e s c a l e 的m c l 3 2 1 3 及 m c l 3 2 1 4 2 9 1 。 通过应用级a p l 支持z i g b e e 协议和8 0 2 1 5 4 协议的芯片，通过芯片提供的 应用接1 2 1 调用加入z i g b e e 网络而不必知道任何z i g b e e 或者8 0 2 1 5 4 底层信 息，如f r e e s c a l e 的m c l3 2 2 4 3 0 l 。 1 3 61 w l p 嵌入式t c p i p 协议栈 1 w i p ( l i g h tw e i g h ti p ) 是瑞士计算机学院的一个开源t c p i p 协议栈实现。1 w i p 设计的主要关注点是减少内存使用，精简代码。1 w l p 占用数百字节r a m 和4 0k b 代码空间，适用于资源有限的嵌入式系统【3 。 为简化协议栈处理逻辑，降低内存占用要求，1 w l p 协议栈只保留了t c p i p 协 议标准中的核心功能，在协议层之白j 使用指针传递数据报文避免复制操作。 1 w i p 协议栈既可以脱离操作系统运行，也可以作为系统任务运行于操作系统 中。1 w l p 协议栈支持如下特性： 4 第一章绪论 ( 1 ) 多网络接口下口转发； ( 2 ) 支持i c m p 协议； ( 3 ) 包括实验性的u d p 协议。 ( 4 ) 包括拥塞控制、r t t 估算、快速恢复和快速转发等t c p 特性。 ( 5 ) 提供用于进程内部使用的回调接口r a w a p i ，以提高应用程序性能。 ( 6 ) 提供b e r k e l y 接1 2 1a p i ，适合在多线程情况下使用。 1 4 研究问题 本文的目标是设计一套适用于区域心电监护的平台。该平台在提供长期监测 和记录心电数据的功能基础上，能综合无线传感器网络成本低、组网灵活的优点。 主要面临以下问题： ( 1 ) 如何设计适用于生理健康监护特点的无线传感器网络节点。该节点除拥有 无线传感器网络原有特性外，还需要能够采集并处理心电数据，完成网络 业务实现等功能。 ( 2 ) 如何为传感器节点提供合适的软件开发包( s o f t w a r ed e v e l o pk i t , s d k ) ，以 为后续开发提供无线传感器通信、任务管理、资源管理、以太网通信等方 面功能支持。 ( 3 ) 如何实现可靠通信链路。保证数据能从心电数据采集端完整传递到心电数 据中心服务器，能够实现心电数据采集节点在数据汇聚节点之间漫游切 换。 1 5结构及内容安排 本文设计了一套基于z i g b e e 无线传感器网络技术的区域心电检测平台。全文 从平台总体架构设计、传感器节点软硬件设计以及数据中心服务器方面进行了阐 述。最后，本平台通过进行符合国家医疗器械标准的临床试验验证了可靠性。 第二章描述了本平台总框架结构和技术选择。在蓝牙技术和z i g b e e 技术之间 进行了比较后，选择z i g b e e 技术作为本设计无线节点问通信技术。然后对z i g b e e 网络拓扑方式进行了深入讨论，最后设计适合本平台的网络拓扑结构。 5 电子科技人学硕士学位论文 第三章描述了无线传感器网络基本节点的软硬件设计。首先根据传感器节点 设计要求，选择了s t m 3 2 f 1 0 3 微控制器和c c 2 4 3 0 无线s o c 结合作为传感器节点 核心部件。然后讨论了如何将g c o s 操作系统移植到s t m 3 2 f 1 0 3 微控制器中和如 何将t i 公司的z i g b e e 协议栈实现移植到无线传感器节点。 第四章描述了心电采集节点的软硬件设计，心电采集节点硬件由心电采集模 块、传感器节点模块和电池管理模块组成。软件设计分为通信模块和控制逻辑模 块。通信模块在z s t a c k 基础上实现了数据采集节点在网络间切换，控制逻辑模块 抽象为任务运行于i t c o s 操作系统。 第五章描述了心电数据汇聚节点的软硬件设计。心电数据汇聚节点硬件由以 太网控制模块和传感器网络节点组成。软件部分阐述了如何移植1 w i p 嵌入式 t c p i p 协议栈到p c o s 操作系统，如何实现c s 8 9 0 0 a 以太网控制器的1 w i p 驱动 程序。 第六章描述了心电数据中心服务器设计及临床试验结果。首先讨论了心电数 据中心设计。服务器基于s o a 架构，采用w i n d o w s2 0 0 3 和n e tf r a m e w o r k 技术设 计。然后描述了本平台的临床试验过程以及对比结果。 第七章对全文工作进行了总结，并指出了继续进行的相关研究工作和未来可 能的研究方向。 6 第章平台总体垃讲 21 平台构架 第二章平台总体设计 本文所设计的基于z i g b c e 技术的区域心电监护平台从构架上在参考之前远程 医疗监护实现的基础上，将系统划分为三层：数据采集层、数据汇聚层和数据处 理层。 如图2 1 所示，本平台网络拓扑结构为树形：数据中心服务器作为整个网络结 构的根节点，其下连接数据j l 聚诂点作为数据的子节点【”l 。 每个数据犷聚节点下层分别连接不同数量的生理数据采集节点。数据中心服 务器和数掘汇聚节点之间采用以太网连接心电数据汇聚节点平钉心电数据采集节 点之间采用无线通信。 混 第。层 第一层 仃点 幽2 - 1 总结构幽 数据采集层【| j 佩戴在人体的心f b 数据采集节点组成。该数据采集节点通过心 t 乜传感器采集人体心电波形通过心牢计算分析后，传输分析结果。数据采集节 电子科技大学硕士学位论文 点可以佩戴在人体身上，使用电池供电。 数据汇聚层由固定的数据汇聚节点组成。健康数据汇聚节点除了管理健康数 据采集节点的加入、切换、数据传输等任务，还通过可靠的网络连接连接到数据 中心统计服务器，将采集到的数据传递到中心服务器。该层节点采用电力系统供 电， 数据处理为部署远程的数据中心服务器。服务器通过以太网同数据汇聚节点 通信，执行包括进行接收健康数据、更加详细的健康数据分析计算、存储健康数 据、管理健康数据等功能。 2 2无线传感器网络技术 基于2 1 中设计，心电数据采集节点和心电数据汇聚节点之问采用无线传感器 网络通信技术通信。本节首先针对无线传感器网络通信技术的物理层选择和网络 拓扑结构进行相关讨论，然后给出传感器节点之间的数据流程，最后根据心电传 输要求，提出了一种基于z i g b e e 技术的多速率传输方式。 2 2 1 物理层选择 传感器节点间的通信协议主要是指心电数据采集节点和数据汇聚节点之间的 通信协议。 从物理层协议看，无线传感器网络的功耗低、传输量较小，对数据传输速率 要求不高。但提高速率可以减少数据收发的时间，有利于节能。一般用单个字节 的收发能耗来定义数据传输对能量的效率，单字节能耗越小，系统能耗越少。无 线通信特有的空间独占性决定了在实际的应用中，需要符合一定的规范。2 4 g 的 i s m ( 科研和医疗频段) 频段在大多数国家都无需申请许可证，是传感器网络优先选 择的传输频段。 从链路层协议来看，传感器网络的数据联络层同其他网络的数据链路层一样， 需要提供流量可控、传输可靠的点到点通信服务，不同的是对网络传输速率要求 不高，但是需要能够长期稳定的工作。在这种工作情况中，节点在绝大部分时间 休眠，对链路层提出了通信同步要求，即通信节点双方需要在通信的时候同时唤 醒。同时，由于无线传感器网络是一种分布式网络，所有节点在通信地位上都是 对等的，因此要求做到全网范围内的同步，而不仅仅是通信双方的同步。 8 第二章平台总体设计 近距离的无线通信协议主要有i e e e8 0 2 1 5 1 蓝牙协议，i e e e8 0 2 1 5 4 标准以 及i e e e8 0 2 1 1 系列w l a n 协议标准。其中i e e e8 0 2 1 1 系列协议主要面向高速 率的网络通信，不适合作为近距离、低功耗的无线传感器网络协议。而蓝牙和 8 0 2 1 5 4 两种技术标准应用于不同场合时，则各有优劣。 表2 1 从工作场合、联网时间、功耗以及其他一些技术参数对蓝牙技术和 8 0 2 1 5 4 技术进行了对比【3 3 】【3 4 1 3 5 】： 表2 1蓝牙与i e e e8 0 2 15 4 标准性能对照表 协议名称 i e e e8 0 2 1 5 1 监牙i e e e8 0 2 1 5 4 应用场合替代数据电缆无线传感器通信 迮接网络时间 3s3 0m s 跳出睡眠时间351 5i l l s 编码调制技术跳频直接扩频 系统资源i 用 2 5 0 l ( b +3 2 6 4 k b 电池使刚寿命l 7 小时1 0 0 i o o o + 小时 网络1 了点数量最多7 个无限制 带宽7 2 0 k b p s 2 0 - 2 5 0k b p s 传输距离l 1 0 米l 1 0 0 米 从表2 1 可以看出，蓝牙技术为满足高质量数据传输任务，为不同工作周期、 中等传输速率工作节点而设计。i e e e8 0 2 1 5 4 在降低工作周期的同时，保证一定 数据传输速率，适用于静态或者动态情况下，需要部署大量节点的应用环境。 在本设计中，心率等参数是属于i h z 以下频率的低频率采样点数据，心电波 形等数据则是属于数百h z 的生理采样数据，同时个人的生理数据信息也属于隐私， 传输过程中需要进行加密和验证。 z i g b e e 协议除了支持8 0 2 1 5 4m a c 层中所定义的2 5 0 k b p s 传输速率外，同时 拥有超低功耗、超低复杂度、加密通信等特点，并且在功耗方面、同步技术方面 以及数据安全问题方面进行了充分的设计。本文最终选择以i e e e8 0 2 1 5 4 为物理 层的z i g b e e 技术执行无线传感器网络传输任务。 2 2 2网络拓扑结构 在z i g b e e 网络中根据设备所具有的通信能力，可分为f f d ( f u l l f u n c t i o nd e v i c e ， 全功能设备) 和r f d ( r e d u c e d f u n c t i o nd e v i c e ，精简功能设备) 。f f d 可以同f f d 、 r f d 设备通信，r f d 只能与f f d 通信而不能同其他r f d 通信。r f d 节点负责采 9 电子科技人学硕十学位论文 集数据和发送数据，在网络结构中一般作为通信终端。f f d 则负责网络控制和网 络管理功能。 根据8 0 2 1 5 4 协议所定义，z i g b e e 中将连接入网络的设备主要有三种角色： z i g b e e 协调者( z c ) ，z i g b e e 路由器( z r ) ，z i g b e e 终端节点( z e d ) 。 z i g b e e 协调者主要负责找寻、建立以及修复网络报文的路由信息，并且负责 转发网络报文；网络终端具有加入、退出网络功能，并可以接收和发送网络报文。 z i g