（计算机软件与理论专业论文）无线远程心电监护系统的研究.pdf

e m e r g e n c yp e o p l ec o u l dn o to b t a i nt h es p e c i f i cl o c a t i o no ft h ep a t i e n t ，a n dc a nn o tg i v e t h e ma t i m l ym e d i c a la i d i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，t h i sp a p e rp r o p o s e saw i r e l e s s r e m o t er e a l - t i m ee c gs y s t e mb a s e do ng p s p o s i t i o n i n g a n dg p r sw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，a n dt h es y s t e mh a sb e e nd e s i g n e da n dt e s t e d d u et ot h es y s t e m ，p a t i e n t w i t hh e a r td i s e a s ec a nb ea c h i e v e dar e a l t i m ee c g m o n i t o r i n g ，a n dt h ed o c t o rc o u l d g r a s pt h ep a t i e n t sl o c a t ei n f o r m a t i o n t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ed e t e c t e de c gd a t a ， d o c t e rc a ng r a s pt h ec h a n g e so ft h ep a t i e n t sc o n d i t i o n ，a n dt om a k et i m e l yd i a g n o s i sa n d t r e a t m e n t t h i s s y s t e ma v o i d ss u d d e nh e a r ta t t a c k so fc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e ，a n d s t r e n g t h e nt h es a f e t ya n dc o m f o r to ft h eh e a r td i s e a s ep e o p l e m e a n w h i l e ，i no r d e rt om a k et h ev a s tm a j o r i t yo ft h ee l d e r l yh e a r td i s e a s ep a t i e n t s a l s oh a v ear e m o t ee c g m o n i t o r i n gs e r v i c e ，t h i sp a p e rp r o p r o s e sac o m m u n i t y o r i e n t e d e c g m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nz i g b e ew i r e l e s st e c h n o l o g y , a n dt h es y s t e mh a sb e e n t e s t e d t h i sw i r e l e s sr e m o t ee c gm o n i t o r i n gs y s t e mc o m b i n e dw i t ht h ew i r e l e s se c g m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ng p sp o s i t i o n i n ga n dg p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc a n c o n s t r u c tas y s t e mb a s e do nw i r l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c n o l o g y , t h es y s t e mc a nm a k ea l l h e a r td i s e a s ep e o p l eh a v eaf u l le c g m o n i t o r i g k e yw o r d s ：r e m o t ee c gm o n i t o r i n g ；z i g b e e ；g p r s ；g p s ；e m b e d d e ds y s t e m 一 目录 第1 章绪 仑1 1 1课题背景及研究意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 远程医疗的研究现状2 1 2 2 远程心电监护的研究现状3 1 3 研究的主要内容4 1 4 论文结构安排6 第2 章嵌入式系统及z i g b e e 技术介绍7 2 1 嵌入式系统介绍7 2 1 1 嵌入式操作系统概况7 2 1 2 嵌入式g u i 系统概况9 2 2z i g b e e 技术介绍1 0 2 2 1z i g b e e 技术特点1 1 2 2 2z i g b e e 协议结构1 2 2 2 3 基于z i g b e e 标准的w s n 体系结构1 3 第3 章基于g p s 定位和g p r s 通信的无线远程心电监护系统1 6 3 1 总体设计1 6 3 2 个人无线移动心电监护终端的硬件设计1 7 3 2 1 无线心电采集模块的设计1 8 3 2 2 嵌入式主控制模块2 0 3 2 - 3 人机交互、g p r s 无线通信以及g p s 定位模块2 1 3 3 心电压缩与心率计算算法2 2 3 3 1 心电压缩算法2 2 3 5 2 心率计算算法。2 4 3 4 通信协议的制定2 6 3 4 1 通信测试平台和评估标准2 8 3 4 2 实验测试结果2 9 3 4 3 实验结果分析3 2 3 5 个人无线移动心电监护终端的软件设计3 2 3 5 1e o s 以及嵌入式g u i 的选择3 2 3 5 2 嵌入式无线移动心电监护终端的软件设计3 4 第4 章基于z i g b e e 技术的远程无线心电监护系统。4 6 4 1 基于z i g b e e 技术的无线心电监护系统的设计4 6 4 1 1 基于无线传感器网络的心电监护系统的设计4 6 4 1 2 面向社区家庭的远程无线心电监护系统设计。4 7 4 1 3 系统测试与结果分析4 9 第5 章总结与展望5 4 5 1 本文工作总结5 4 5 2 对未来的展望5 4 参考文献。5 6 攻读学位期间发表的论文6 0 攻读学位期间参与的科研活动6 0 一 致谢。6 l 学位论文独创性声明。6 2 学位论文知识产权权属声明6 2 薯， 簟 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 摹 第1 章绪论 心血管疾病的发病率在逐年增加，根据世界卫生组织的统计，世界上被心血 管疾病所困扰的病人已经超过了1 5 亿，每年因心血管疾病死亡的人数已经超过一 亿六千万，即在每3 个死亡者中就有1 人死于心血管疾病，而且在死亡者中8 0 发 生在发展中国家l l j 。在我国，根据国家卫生部心血管病防治研究中心发布的中国 心血管疾病研究报告指出，心血管疾病己成为威胁中国居民健康的重大疾病。据 统计，中国每年死于心血管疾病的人数约3 5 0 万，占死亡人数总数的5 0 左右， 是威胁人类健康的“头号公敌 i 到。因此，心血管疾病的防御和治疗便成为目前 医学界人士面临地至关重要的问题。医生通过对心电体征信号的分析研究，可以 及时掌握心血管疾病患者的病情变化情况，对病情出现异常者给予及时的治疗， 降低了心脏病患者因病情恶化得不到及时诊断治疗而死亡的风险。因而如果能够 准确地提取心血管疾病患者的心电体征信号，并将提取的心电信息实时地发送至 医疗监护中心供专家诊断分析，可以有效地降低因心脏病突发而导致死亡的概 率，据相关资料1 3 j 表明至少7 0 的患者可以避免死亡。 近年来，随着医学电子信息技术地迅猛发展，医疗电子监测监护系统已经 在临床医学中得到了普遍应用，其中，用来监o j i l , i , , 电体征信号的设备称作心电图 机。在医院进行的例行心电图检查通常是患者在病床上静卧地情况下，通过心电 图机测得的短时段心电体征信号，医生通过对测得地心电图的分析可以了解到患 者的心脏状况。但是，这种在医院例行地心电图检查其心电图仅能记录六到一百 个心动周期，记录时间大约仅为6 0 秒，因而医生从中只能获得少量患者心脏状 况信息。对于一个正常人来说，一天的心搏次数能够超过十万次，但是其例行的 心电图检查仅仅持续六十秒，可见在如此短暂地时间内能够记录到心脏状况发生 异常的可能性将非常小，特别是对于患有问断性心率失常的心脏病患者来说，即 使是其感觉到了心脏有些不适，但在医院做例行心电图检查时检测不到心脏出现 异常状况的可能性非常大。研究【4 】发现，记录一分钟的心电图仅能检查出百分之 十左右的病人可能患有心率失常，但是如果是二十四小时的话，则检查出心脏出 现异常患者的概率将可达8 0 以上。如果在不影响心脏病患者正常工作生活的情 况下，就能够使他们得到持续实时地心电监护，那么就可以及时地发现患者出现 的心动过缓、心动过速等心脏异常状况。综上所述，通过对病人进行r 常 心电监护，不仅能够检测出在静卧状态下不易出现的心电变化，还能使心电图的 青岛大学硕上学位论文 临床应用迈向一个新的台阶。由于远程心电监护能及时地检测到病人心脏出现的 各种异常变化，并能够将这些信息实时的传递给远程医院监护中心的专家，专家 通过对心电图的分析能够采取及时地医疗协助，从而有效地降低心脏病的死亡 率。因此，对患者进行日常活动中的远程心电监护，对于心脏病患者的治疗具有 极其重要的意义【5 】【酬。 近年来，医疗监护产品向无线化、网络化发展，现有的无线心电监护设备已 经能够对患者的心电信号进行实时的监测，同时减少了监护设备与医疗传感器之 间的连线，使患者拥有较多的自由活动空间，在患者心电信号出现异常时，医生 可以给予病人及时地救助，减少了心脏病突发死亡率。因此研制一种既能监测患 者心电参数信号，又能方便患者拥有更大活动范围的监护系统具有一定的实际意 义同。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 远程医疗的研究现状 远程医疗集计算机技术、通信技术和医疗技术为一体，目前已经在国际上得 到了广泛的应用和重视【8 】。如今，在世界各国尤其是在欧洲、美洲等国家远程医 疗已经达到了服务项目全、覆盖面广的阶段【9 j 。 较早开展远程医疗的国家主要集中在欧美，十九世纪八十年代欧盟设置了用 于资助远程医疗项目的研究基金。目前来说已经投入使用的远程医疗项目包括 p o r t u g a l 的院问脑电图传输系统、f r a n c e 的流行病统计网、s p a i n 的远程血压监测 系统和紧急报警系统等。英国的布法罗大学为了对远程医疗进行系统的研究，还 专门成立了远程医疗系。据统计表明，截止到2 0 0 5 年，在欧洲已经有7 0 多个国家 应用了远程医疗系统。同时，在欧美地区，越来越多的公司( 比如因特尔、惠普 等) 也将远程医疗作为其发展领域，同时也有非常多的中小型公司加入其行列中 u o l 。 o 一 美国乔治亚洲教育医学系统( c s a m s ) 1 1 】是目前世界上规模最大、覆盖范 围最广的集远程教育与远程医疗为一体的网络，除了可以进行有线通信活动外， 还可以进行无线和卫星通信活动。g r e e c e 还有一种安装于救护车中的医疗监护系 统，通过g s m 网络与医院的监护中心取得联系，可以随时监测患者的生理参数， 以便及时获得医院指导，争取抢救时间，这一系统已经在g r e e c e 、s w e d e n 、i t a l y 、 c y p r u s 等国家投入使用。 除了欧美国家积极发展远程医疗外，当今世界其他各国【1 1 】也在积极努力地开 发远程医疗系统。为了发展远程医疗，c a n a d a 每年都会举办一次有关远程医疗的 2 第一章绪论 学术会议，而a u s t r a l i a 因其地广人稀的特点( 患者不方便经常去医院检查就诊) ， 更加努力地在积极发展远程医疗，俄罗斯与美国联手成立了称作s a t e l i f e 的计划 l l 引，该计划主要是通过卫星为支持发展中国家医疗保健的远程医疗计划，同时拉 丁美洲等国也和美国建立了远程医疗伙伴关系，建立了一个称为s t u d i o c l i n i c s 的 远程医疗机构1 1 3 j ，通过该机构将在本地获取的医疗信息发送至美国的医疗监护中 心，通过这种途径获得美国专家的远程医疗协助。i s r a e l 也推出了一系列关于远 程心电监护的产品。同时，韩国、日本、墨西哥也先后开展了远程医疗研究计划， 其中日本主要侧重于家庭健康监护和远程手术等方面的研究。日本北海道大学的 一个远程医疗研究小组研究了多种移动通信方式的远程监护系统，可用于飞机、 轮船、救护车关于移动医学方面的研究，国内目前还没有成熟的产品。 1 2 2 远程心电监护的研究现状 远程监护是远程医疗的一部分，而远程心电监护又是远程监护的一个重要分 支，是当今世界各国研究的一个热点。近年来，远程心电监护已经成功引起了世 界许多国家的高度重视，而且推出了各种各样的远程心电监护设备。目前的心电 监护系统主要有h o l t e r & , 电监护系统、心电b p 机系统和实时心电监护系统等。 h o l t e r ( 浩特) 心电监护系统是一种磁带记录式心电监护系统。h o l t e r 系统 通过磁带记录器将心电体征数据记录在磁带上，患者只要将磁带记录器带在身上 就能够记录心电数据，简单方便，不影响日常生活和工作。一天结束后，病人需 要将一天之内记录下的心电图送回医院，由医院专用的回放仪对患者的心电图进 行分析，对病人的病情作出诊断。浩特心电监护设备具有不问断记录、记录时间 长的显著特点，可是浩特心电监护系统仅仅起到记录心电体征数据的作用，对心 电图不能够进行简单分析，更加没有远程传输数据的能力，受监护者必须亲自将 2 4 小时心电体征记录送回医院，因此该心电监护系统还比较简陋，无法真正达 到远程监护的目的1 1 3 j 。 心电b p 机系统通常由一个类似于b p 机大小的心电信号记录单元和一个数 据通信单元组成。记录单元主要负责记录受监护者的心电图，一旦心电信号发生 异常或者受监护者感到不适的时候，只要按下记录按钮便可记录一定时间长度 ( 时间长度有机器本身决定) 的心电图，受监护者可以将此段心电图上传到个人 电脑上，由电脑通过i n t e m e t 传送到远程医疗监护中心。心电b p 机虽然在某种 程度上做到了对病人给予及时救治，可是它还是不能避免患者的参与。更重要的 是心电数据的采集以及传输都央杂了人工干预操作，使得心脏b p 机系统只能对 受豁护者可察觉到的心脏异常状况进行报警，而对一些感觉不到的病情恶化状况 无法报警，从而还是达不到真正意义上的及时救洲1 4 j 。 实时心电监护系统大体可以分为两种：无线心电遥测系统( w i r e l e s se c g 3 青岛大学硕十学位论文 t e l e m e t r ys y s t e m - - w e t s ) 和电话心电遥测系统( t e l e p h o n ee c gt e l e m e t r y s y s t e m - - t e t s ) 。对于w e t s 来说，其受监护者终端主要有两部分组成：智能心 电实时监护仪与小型化心电检测仪。w e t s 不仅能够使受监护者享有一定地活动 自由，而且由心电检测仪所采集到的心电体征信号能够非常及时的反映到遥测分 析系统中。心电检测仪将采集到的心电体征信号通过无线电( r a d i o ) 方式传输 给智能心电监护仪，智能心电监护仪将立刻接收改心电信号，并对其进行及时地 分析和处理。在心电检测的过程中，如果发现心电信号出现异常，智能心电监护 仪会立即自动拨号，通过m o d e m 将记录的心电图实时传输至医疗监护中心。而 对于t e t s 来说，它则是通过声耦合的方法将采集到的心电体征信号发送到医疗 监护中心，它与心电b p 系统相比，在实时性上有了一定程度上的改进，可是还 是限制了受监护者的活动范围，并且不像b p 系统那样对受监护者做到长时间的 心电监护【1 5 l 。综上所述，目前实时心电监护系统存在的最大缺点就是可移动性差， 很大程度上限制了受监护者的活动自由。 目前国内外关于无线远程监护的案例主要有： 德国卡尔斯鲁厄大学的信号处理研究所协同企业和其他科研机构共同成功 开发了世界上第一个个人健康监护系统p h m s ( p e r s o n a lh e a l t hm o n i t o r i n g s y s t e m ) ，该系统是基于蓝牙通信协议而构建的。哈佛大学集合多位相关学科人 员共同开发了医学应用平台c o d e b l u e t o o t h 无线传感器网络，实现了医院流动的 医学急救，缩短了病人的康复时间。此外，美国亚拉巴马大学的e m i l j o v a n o v 等人深入研究了基于z i g b e e 通信协议的个人健康监护系统【1 6 1 。国内的赵泽等人 提出一种基于z i g b e e 技术的传感器节点和监护基站设备的系统结构设计1 1 7 1 ，对 z i g b e e 技术应用于监护领域做了一些探讨。 1 3 研究的主要内容 1 本论文的研究工作主要分为2 部分进行：基于g p s 定位以及g p r s 通信的 无线远程心电监护系统与面向社区单元的基于z i g b e e 技术的无线远程心电监护 一 系统。 目前存在的远程心电监护系统不能够为受监护者提供持续并且长时间实时 地心电监护服务，而且无法在受监护者病情出现危急时为其提供及时的医疗协 助，针对这些问题，本文首先提出了一种基于g p s 定位以及g p r s 通信的无线 远程心电监护系统，该无线远程心电监护系统主要包括两大部分：个人无线移动_ 心电监护终端和医疗监护中心。个人无线移动心电监护终端负责实时采集受监护 者的三导联心电体征数据，并且将其与受监护者的地理位置定位信息汇集在一 起，然后通过g p r s 无线通信网络将这些信息传送至医疗监护中心。个人无线移 4 一 第一章绪论 动心电监护终端能够对采集到的心电体征数据先作一个简要分析，然后通过该终 端上的液晶显示屏实时显示受监护者的心电图信息以及分析结果。医疗监护中心 主要负责对所有受监护者的心电数据进行自动分析并及时存储，之后由监护中心 的专家医师对病人病情作进一步的诊断。本论文的研究重点主要放在个人无线移 动心电监护终端的设计和开发上。 本论文研究的另一个重要部分就是面向社区家庭的基于z i g b e e 的无线远程 心电监护系统，该监护系统主要包括2 部分的内容，即基于人体体域医学传感器 网络( b a m w s n ) 的无线心电监护系统的设计和面向社区家庭的无线心电监护 系统设计。b a m w s n ( b o d ya r e am e d i c a lw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 是整个无线远 程心电监护系统的基本单元，主要负责采集受监护者的心电体征数据。面向社区 家庭的无线心电监护系统就是在该b a - m w s n 的基础上，通过z i g b e e 协议支持 的网型( m e s h ) 网络拓扑结构组建面向社区家庭的无线远程心电监护系统，来 解决社区内网络布线困难、心电监护设备与医疗传感器之间连线较多，患者拥有 的自由活动空间太少的问题。 本论文将两套无线心电监护系统相结合，组建一个基于无线通信的远程心电 监护系统，无论是对经常在外活动的心脏病患者还是对大多数久居家中的老年人 心脏病患者来说，已经基本上满足了他们对心电监护系统的要求，实现了较为全 面的心电监护。图1 1 给出了本论文中该无线远程心电监护系统的总体架构设想。 户外自由活动的受监护者 一 矗、一积臌嗍 丽黟岁删终 一一。，： 、2 匕 一，一7_-2 图1 1 无线远程心电监护系统总体架构图 5 医疗监护中心 青岛大学硕士学位论文 1 4 论文结构安排 本论文共5 章，结构安排如下： 第1 章绪论。着重介绍远程医疗和远程心电监护系统的研究现状； 第2 章嵌入式系统及z i g b e e 技术介绍。简要介绍了嵌入式操作系统与嵌入 式g u i 发展概况，并介绍了z i g b e e 技术的特点、协议框架、网络拓扑结构。 第3 章基于g p s 定位和g p r s 通信的无线远程心电监护系统。为了使在院 外工作生活的患者在心脏突发时能够得到及时的救治，本章设计的心电监护系统 引入了g p s 定位功能，并通过g p r s 无线通信的放式与医疗监护中心进行实时 通信，达到了动态心电监护的目的。最后对该系统的功耗、信号强度等进行了测 试。 第4 章基于z i g b e e 技术的无线远程心电监护系统。为了使久居家中的老年 心脏病患者也能够得到满意的心电监护服务，特别提出了一种面向社区单元家庭 的无线远程心电监护系统，为了克服传统网络布线困难的问题，在人体体域医学 传感器网络的基础上构建了面向社区的局域医学传感器网络。最后对系统的通信 距离、信号强度、可靠性进行了简单测试。 第5 章总结与展望。指出了两种无线远程心电监护系统存在的问题并对以 后的研究工作做了展望。 6 、 第2 章 2 1 嵌入式系统介绍 根据i e e e 的定义，嵌入式系统【1 8 j ( e m b e d d e ds y s t e m e m s ) 是“控制、监视 或者辅助装置、机器和设备运行的装置”( d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r , o ra s s i s t t h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。从中可以看出嵌入式系统是软件 和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。目前国内一个普遍被认同的定义 是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功 能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统主要具有这几个方面的特征：1 ) 由于e m s 通常是用于小型化电 子设备，系统资源比较有限，因此，系统内核很小。2 ) e m s 地专用性很强，通 常软硬件系统地结合十分紧密，一般会针对硬件进行系统地移植，即使在同一品 ， 牌、同一系列地产品中也必须要进行修改。3 ) 系统精简。e m s 通常不会区分系 统软件与应用软件，不要求其功能设计以及实现上过于复杂，这样既有利于控制 系统地成本，也有利于实现系统地安全性能。4 ) 具有实时性高的系统软件。软 件都是固态存储，为的是提高速度。对软件代码的质量和可靠性也要求很高。 2 1 1 嵌入式操作系统概况 目前嵌入式操作系统e o s ( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 是一种用途非常广 泛的系统软件，已经从8 位1 6 位单片机发展到了以a r mc p u 核为代表的3 2 位 嵌入式处理器，如今嵌入式操作系统成功取代了传统的经手工编制的监控程序或 调度程序，已经成为重要的基础组件。嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、 硬件资源的分配、调度工作，控制协调并发活动。随着因特网技术的发展、信息 家电的普及以及嵌入式操作系统的微型化，嵌入式操作系统开始从单一的弱功能 向高专业化的强功能方向发展1 1 9 】。嵌入式操作系统具有屏蔽应用程序的功能，使 应用程序员面向操作系统级开发应用软件，并易于在不同的a r m 核的嵌入式处理 器上移植。嵌入式操作系统都具有一定的实时性，易于裁剪和伸缩。相对于一般 的操作系统来说，嵌入式操作系统除了具有一般操作系统最基本的功能( 同步机 制、任务调度、文件管理、中断处理等) 外，还具有如下几个特点： 实时性强，可用于各种设备控制当中。 具有开放性、可伸缩的体系结构。 操作简单快捷，提供友好的用户图形界面。 7 青岛人学硕上学位论文 拥有统一的接口，并且提供各种设备的驱动接口。 具有较强的稳定性、相对较弱的交互性。 提供强大的网络功能，支持t c p i p 协议，提供u d p t c p i p p p p 协议 支持和统一的物理层访问接口，并且为各种移动设备预留了一部分接 口。 具有良好的移植性。 在嵌入式系统中，e o s 和应用软件被固化在计算机的r o m 中，而一般辅 助存储器在嵌入式系统中很少使用，所以e o s 的文件管理功能可以相对 比较容易地拆卸。 目前e o s 比较多，但是主要有以下五种【2 0 】： 嵌入式l i n u x 操作系统：l i n u xo s 一个最明显的优点就是它为用户公开了 源代码( 即是一种f r e e d o ms o f t w a r e ) 。它几乎满足当今u n i xo s 的所有要求，并 且符合p o s i x1 0 0 3 1 标准。l i n u xo s 还具有很强的适应性，能够适应各种不同 的硬件平台，而且性能稳定，易于裁剪。除此以外，该o s 的特点还包括：支持 多用户访问和多任务编程、采用页式存储管理、支持动态链接、支持多种文件系 统等。综上所述，l i n u xo s 是发展嵌入式设备地绝佳资源，具有极其广泛地发 展应用前景。 嵌入式w i n c e 操作系统：w i n c eo s 也是微软w i n d o w s 家族中的一员，继 承了w i n d o w s 许多优点。它是一个紧凑、完整以及扩展地e o s ，同时也是一个 多线程、基于优先级可抢占式地o s ，比较实用与有限资源地硬件平台。w i n c e 具有内存管理的功能，可以检查出应用造成低系统异常，主要用于p d a 等智能 型移动设备。但是，与其它的e o s 相比，w i n c e 的实时性相对较差，而且代码 不开源，不容易移植。 嵌入式u c o s 操作系统：u c o s 是一个源代码公开的( 但是在商业场合需 要付费) 、可移植性强的、内核最小的多任务嵌入式实时操作系统。该系统的内 核里面仅仅只有存储器管理、任务调度等基本模块。总的来说，u c o s 比较适合 做没有复杂外围器件地实时系统，但是作为本文中移动心电监护终端的操作系统 则不太适合。 嵌入式n u c l e u s 操作系统：目前来说n u c l e u s 还是作为一种非主流的嵌入式 操作系统而存在，虽然可移植性比较好，但是它的实时性不够好，而且存在着中 断管理不可靠、系统调试工具太少以及输入输出管理太过简单等不足。如果用 于商业场合的话该系统也是需要付费的。 嵌入式v x w o r k s 操作系统：v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于 1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式实时操作系统( r t o s ) ，它的实时性非常好，系 统本身开销很小，进程调度、进程通信、中断处理等系统通用程序精简而有效， 8 t 第2 章嵌入式系统及z i g b e e 技术介绍 因此时延很小。除此之外，该系统的可靠性和可裁剪性也非常棒，唯一的缺点就 是v x w o r k s 操作系统的费用非常昂贵。 2 1 2 嵌入式g u i 系统概况 g u i ( g r a p h i cu s e ri n t e r f a c e - - - 图形用户接口) 系统是计算机系统与用户之间 相互通信地接口。在嵌入式领域中，随着用户需求地不断增加，g u i 的应用已经 越来越广泛，g u i 在嵌入式系统中的作用也越来越突出。当智能手机、p d a 等 系统出现后，e o s 不仅仅是给个别专业人员使用，更需要适用于广大的普通用 户。虽然在传统的嵌入式系统领域，人际交互地内容并不是非常复杂，但是用户 同样需要有一个更加友好的图形用户接口界面1 2 1 1 。 在嵌入式系统中，g u i 是实现图形化界面的核心。鉴于e o s 的特殊性，嵌 入式g u i 应该具有这几个方面的特点：可移植性好；具有较高的稳定性和可靠 性；系统开销少；具有较高的可配置性等。嵌入式l i n u x 系统需要高性能、轻量 级地g u i 系统，因此一大批基于嵌入式l i n u x 系统的g u i 便应运而生，目前市 场上主要的g u i 有以下几种i 冽： q t e m b e d d e d ：q t e m b e d d e d 是t r o l l t e c h 新开发的用于嵌入式l i n u x 的图 形用户界面系统。t r o l l t e c h 最初创建q t 作为跨平台的开发工具用于l i n u x 台 式机。它支持各种有u n i x 特点的系统以及m i c r o s o f tw i n d o w s 。k d e 作为最 流行的l i n u x 桌面环境之一，就是用q t 编写的。q t e m b e d d e d 以原始q t 为 基础，并做了许多出色的调整以适用于嵌入式环境。q te m b e d d e d 通过q ta p i 与l i n u xi o 设备直接交互。那些熟悉并已适应了面向对象编程的人员将发现它 是一个理想环境。而且，面向对象的体系结构使代码结构化、可重用并且运行快 速。与其它g u i 相比，q tg u i 非常快，并且它没有分层，这使得q t e m b e d d e d 成为用于运行基于q t 的程序的最紧凑环境。 o p e n g u i ：o p c n g u i 基于一个用汇编实现的x 8 6 图形内核，提供了一个高层 的c c + + 图形窗口接口。o p e n g u i 提供了2 维绘图原语，消息驱动的a p i 、b m p 文件格式支持，并且支持鼠标和键盘的事件。由于其基于汇编实现的内核并利用 m m x 指令进行了优化，o p e n g u i 运行速度非常快，可以用u l t r a f a s t 形容，它 支持3 2 位的机器，能够在m s d o s ，q n x 5 和l i n u x 下运行，主要用来在这些 系统中开发图形应用程序和游戏。o p e n g u i 非常稳定，但可移植性因为其内核 使用汇编语言实现会受到影响。 m i c r o w i n d o w s n a n o x ：m i c r o w i n d o w s 是c e n t u r ys o f t w a r e 的开放源代码 项目，设计用于带小型显示单元的微型设备。它有许多针对现代图形视窗环境的 功能部件。象x 一样，有多种平台支持m i c r o w i n d o w s 。m i c r o w i n d o w s 体系结构 是基于客户机服务器的并且具有分层设计。在最上层，m i c r o w i n d o w s 支持两 9 青岛大学硕士学位论文 种a p i ：w i n 3 2 用i n c ea p i 实现，称为m i c r o w i n d o w s ；另一种a p i 与g d k 非 常相似，它称为n a n o x 。n a n o x 用在l i n u x 上。它是象x 的a p i ，用于占 用资源少的应用程序。n a n o x 服务器占用的资源大约在1 0 0k 到1 5 0k 字 节。原始n a n o x 应用程序的平均大小在3 0k 到6 0k 。由于n a n o x 是为有 内存限制的低端设备设计的，所以它不象x 那样支持很多函数，因此它实际上 不能作为微型x ( x f r e e 8 64 1 ) 的替代品。 m i n i g u l ：m i n i g u i 是一款面向实时嵌入式系统的图形用户界面支持系统。 m i n i g u i 的开发起始于1 9 9 8 年底，到现在已历经近十年时间。经过飞漫软件 多年的精心打造，m i n i g u i 已经成为性能优良、功能丰富的跨操作系统嵌入式 图形用户界面支持系统。目前，m i n i g u i 已经广泛应用于通讯、医疗、工控、 电力、机顶盒、多媒体终端等领域。但是，m i n i g u i 也存在一些缺点，那就是对 图形设备的抽象层次太高而且图像功能尚不完善，除此以外，m i n i g u i l i t e 对不 同进程地不同窗口剪切未作处理。鉴于m i n i g u i 的客户与服务器是同一进程的 两个不同线程，不同地线程共享了同一个地址空间，因此，客户线程可能会破坏 系统服务器线程地数据，影响了系统地安全性。 2 2z i g b e e 技术介绍 z i g b e e 技术是一种近距离、低功耗、低复杂度、低成本、低数据速率的双 向无线通信技术，此前被称为“h o m e r fl i t e ”、“r f e a s y l i n k ”或“f i r e f l y ”无线电 技术【矧，主要用于近距离无线通信连接。它拥有自己的无线通信标准，在数千个 微型传感器之间实现协调通信。传感器的功耗很低，通过无线电波以接力的方式 传输数据，通信效率非常高。z i g b e e 在工业控制、家庭智能化、无线传感器网 络等领域有广泛的应用前景。 2 2 1z i g b e e 技术特点 z i g b e e 基于i e e e 8 0 2 1 5 4 【2 4 i z i g b e e 技术标准。由于i e e e 只能处理低级m a c 和物理层p h y 协议，因而z i g b e e 联盟对其网络协议和应用层a p i 进行了标准化。 完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4 k 字节，或者连接到作 为h u b 或路由器的协调器的3 2 k 字节。每个协调器最多可连接2 5 5 个节点，几 个协调器则可形成一个网络，而且对路由传输的数目没有限制。z i g b e e 联盟还 开发了其安全性能，以保证z i g b e e 设备不会泄漏其标识，而且还可以保证通过 网络进行远距离传输时不会被其它节点所截获。 z i g b e e 技术具有以下特点1 2 5 l ： 低成本：协议简单并且所需的存储空问小，降低了对通信控制器的要求，这 1 0 第2 章嵌入式系统及z i g b e e 技术介绍 极大地降低了z i g b e e 的成本。z i g b e e 模块的初始制作成本仅为六美元左右，估 计很快就能降到一到两美元左右，而且z i g b e e 协议是免专利费的。低成本对于 z i g b e e 来说也是一个至关重要的特点。 低功耗：z i g b e e 的传输速率比较低，因而发射功率仅为l m w ，而且还采用 了休眠模式，因此z i g b e e 设备功耗很低，非常省电。据估算，在低耗电待机模 式下，一台z i g b e e 设备依靠两节5 号电池就可以维持6 个月到2 4 个月左右的使 用时间，在相同条件下，蓝牙能工作数天，w i f i 仅能工作数小时，因此其功耗 远远小于其它无线设备。 时延短：z i g b e e 的响应速度较快，不仅通信时延短，从休眠状态激活的时 延也非常短，通常搜索设备的时延为3 0 m s ，休眠激活的时延为1 5 m s ，活动设备 信道接入的时延为1 5 m s ，这样一方面节省了能量消耗，另一方面更适用与对时 延敏感的场合。相比较，蓝牙需要3 到1 0 秒，而w i f i 则需要3 秒左右。因此 z i g b e e 技术非常适用于对时延要求非常严格的应用中。 网络容量大：z i g b e e 可采用星型、树型、网型网络拓扑结构。一个主节点 管理若干个子节点，最多一个主节点可管理2 5 4 个子节点，同时主节点还可由上 一层网络节点管理，最多可组成6 5 0 0 0 个节点的大网。 可靠性高：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专 用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。m a c 层采用了完全确认的数据传输模 式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题 可以进行重发。 安全性能高：z i g b e e 提供了基于循环冗余校验( c r c ) 的数据包完整性检查功 能，支持鉴权和认证，采用了a e s 1 2 8 的加密算法，每个应用都可以灵活地确定 其安全属性。 有效范围较广：有效覆盖范围1 0 - - 7 5 米之间，具体依据实际发功率的大功率 和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。 优良的网络拓扑能力：z i g b e e 具有星、树和丛网络结构的能力。z i g b e e 设 备实际上具有无线网路自愈能力。 工作频段灵活：使用的频段分别为2 4 g h z ( 全球) 、9 1 5 m h z ( 美国) 及 8 6 8 m h z ( 欧洲) ，均为免执照频段。 2 0 0 6 年1 0 月9 日，z i g b e em a c 补充协议8 0 2 1 5 4 a 协议提出将致力于 建立一个新的物理层( p h y ) 规范，它有可能替代8 0 2 1 5 4 规范中已定义的 8 6 8 m h z 、9 1 5 m h z 及2 4 g h z 物理层规范。z i g b e e 的传输速度将达到2 m b s ， 点对点的室内传输距离为6 0 米，室外为9 0 0 米，具有高精度的测距及定位能力( 精 确度可达1 米) 。非常适用于工业监测和控制、物流管控( r t l s 实时物流供应 有源r f i d ) 、医疗和安全网络等领域1 2 6 。 青岛大学硕十学位论文 2 2 2z i g b e e 协议结构 z i g b e e 技术是最近几年才兴起的一种面向短距离无线通信的技术标准，它是 由z i g b e e 联盟基于美国电气以及电子工程师协会地i e e e 8 0 2 1 5 4 技术标准研制 开发的，其典型特征是“四低 ：低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本。与 其他一些无线通信标准不同，8 0 2 1 5 4z i g b e e 标准以最大传输速率2 5 0 k b p s 来承 载有限地数据流量。z i g b e e 的协议框架由底往上依次是：物理层、媒体接入层、 网络安全层以及应用层1 2 7 。 物理层：对于物理层来说，其功能主要包括这几个方面：信道数据的传输、 数据的接收、选择合适的信道通信频率、确定信道的接入方式、对z i g b e e 进行 激活和钝化、监测信道地能量、提供链路服务质量信息等。在物理层的设计中， i e e e8 0 2 1 5 4 标准分别定义了八百六十八兆赫兹、九百一十五兆赫兹以及二点 四季赫兹三种工作频率，可供三个频段使用地信道分别有一个、十个、十六个等， 并且分别提供二十、四十以及二百五十( k b p s ) 地数据传输速率，在三种工作频 率下地数据传输距离均在十米到一百米之间。为了使应用系统地容错性能更加地 突出，三个频段都采用了d s s s ( d i r