毕业设计（论文）-生命体征监测的ZigBee无线传感器组网设计.doc

全套设计加扣 3012250582 华东交通大学毕业设计（论文）任务书华东交通大学毕业设计（论文）任务书姓名学号毕业届别2014专业通信工程毕业设计（论文）题目生命体征监测的 ZigBee 无线传感器组网设计指导教师学 历职 称副教授华东交通大学毕业设计（论文）1）毕业设计的任务）毕业设计的任务利用 zigbee 射频芯片作为通信单元，设计多个无线传感器网路节点和协调器的硬件电路和驱动软件，可以采集基本的生命特征信号（例如脉搏、体温）。理解 TI Z-Stack 协议栈，对多个传感器节点和协调器进行组网设计，能以 zigbee 规范实现数据传输。2）毕业设计课题的技术及成果要求）毕业设计课题的技术及成果要求序号内容要求分值完成时间（周）1开题报告任务、目标明确5第 3 周2英文翻译基本正确翻译与课题相关的3000 字以上的英文文献5第 3 周3设计方案合理、可行5第 4 周4性能指标 1传感器节点硬件10第 8 周5性能指标 2能采集基本的生命特征信号20第 9 周6性能指标 3Zigbee 组网代码20第 11 周7仿真分析测试分析、优化10第 12 周8安装与调试效果能以 zigbee 规范实现数据传输10第 13 周9论文初稿要按规格誊写打印毕业设计论文；论文包括摘要(中、英文)，关键字，正文，参考文献，毕业设计小结，附录等；5第 14 周10论文终稿毕业设计论文装订按学校的统一要求完成10第 15 周 指导教师签字： 年 月 日系部意见： 题目及工作量符合本科培养要求是否是新题 是 否 系部主任签字： 年 月 日题目发出日期设计（论文）起止时间学院意见：同意发布题目 是 否毕业设计领导小组组长签章： 华东交通大学毕业设计（论文）开题报告书华东交通大学毕业设计（论文）开题报告书课题名称生命体征监测的 ZigBee 无线传感器组网设计课题来源课题类型导 师华东交通大学毕业设计（论文）学生姓名学 号专 业通信工程一文献综述一文献综述随着全球老龄化的到来和越来越多的健康保健的需求人群，医疗开支已成为各国最为棘手的问题。电子医疗(eHealth)特别是远程的体征监控成为最为迫切的医疗信息服务。无线传感器网络可以通过佩戴或植入到人体的各类传感器，将人体实时的体征包括体温、脉搏、呼吸、血压甚至心电图传送到医疗机构乃至医生的随身电脑。这些数据可以自动在医生的后台程序中进行分析，并得出一些指导性的建议，如果遇到有突发情况可以直接调动医疗资源进行及时救助。这些应用可以在广泛地在社区、家庭和个人移动环境下开展，并且在全世界各个国家和地区具有非常好的通用性和普适性。传统的医疗监护方式大多使用固定的医疗监护仪，这种监护方式占用了紧缺的医疗资源，同时监护设备的有线束缚给患者带来很大不便，采用硬线连接的有线医疗监护系统网络不仅在布线过程中非常繁琐，而且线路容易老化或遭到磨损、腐蚀等。而无线传输方式灵活，可避免复杂、重复的布线，网络的基础设施无须隐藏在墙里，同时无线网络还可以适应移动或变化的需求。因此，本文提出基于 ZigBee 技术构建的无线传感器网络具有低成本、低功耗、网络容量大等特点，可以解决传统医疗监护系统移动性差、布线复杂、重建成本高等问题。目前，市场上的近距离无线通信技术主要有无线局域网 WiFi、蓝牙和一些专用标准（如 Ad-hoc 网等）的产品。一些共识为开拓市场和应用领域，也在积极研究和制定一些新的无线组网通信技术标准，如无线 USB、超宽带通信 UWB 和WiMax 等。下面对这些技术做一些简要的介绍和比较。蓝牙技术的发展从 1999年起已经经历多个年头，一直受芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题的困扰。目前主要应用在无线耳机等不需要很高传输带宽的领域，且互通性方面也存在问题。WiFi 在 Intel 的大力支持下迅速占领市场；采用 IEEE802.11 标准，使用2.4GHz 直接序列扩频，是目前应用最广泛的无线网络传输协议。借助 USB 在 PC 上的广泛应用，无线 USB 也受 Intel、HP、微软等几家 PC领域大公司的力推，已于近期制定了无线 USB 规范。使用 WiMedia 联盟的 MB-OFDM 超宽带 MAC 和 PHY 层，通信距离在 310m,最高速率在 480Mbps，有望短期内在 PC 周边设备的无线连接上得到大量应用。UWB 是一种未来短距离宽带无线传输技术。由于未采用通常无线收发中的载波调制技术，因此它不需要混频、过滤和射频/中频转换模式，实现了低成本、低功耗和高宽带性能。目前有两大技术阵营竞争技术标准，预期的通信距离510m 速率甚至可达到 1Gbps,非常适合于家用消费电子产品之间的大容量数据传输。作为 WiFi 下一代技术的 WiMax，被设想成一项无线城域网接入技术，在传输距离和速度方面均胜过 WiFi，最高接入速率 70Mbps，信号传输半径可达50km。主要的无线技术都集中在 1Mbps 以上的速率；而 ZigBee 恰恰是填补低速率端无线通信技术的空缺。在实际应用环境中，低速率，低成本的无线通信子在自动控制、无线传感器网络、家具自动化等诸多领域更贴近实际需求，同样具有广泛的市场。医疗监护仪器目前可以分为两类，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华东交通大学毕业设计（论文）内或者户外，在医生的指导下，由病人本人或者家属使用远程医疗监护系统对病人进行监护，所得到的生理指标将及时传送给相关医生。目前，医院所使用的监护方法，大多使用固定的医疗监护仪，连接设备将传感器探头连接在病人与监护设备之间进行信号的传递。复杂的设备，众多的连线，会造成病人心理上的压力和紧张情绪，可能会影响病人身体状况，使得诊断所得到的数据与真实情况有一定差距，给病人和医护人员都带来不便，可能会影响对病情的正确诊断。总结总结本文在初级研究的基础上将介绍一种基于无线传感器网络的可扩展的远程医疗监护系统。该系统在家庭或者医院病房的环境中建立一个无线传感器网络，通过该网络，传感器节点采集人体生理指标信息，或者动态监测医疗仪器运行以及治疗的过程，并且将信息传输到监护基站设备和服务器计算机。传感器网络系统可以通过监护基站设备以不同的方式连接到该远程监控中心。系统具有高度的灵活性和可扩展性，可以广泛应用于社区的远程医疗和医院病房监护的环境中。通过 Internet 网络可以构建远程医疗信息网，不仅有利于发达地区的病人获得保健服务，也有利于贫困地区的病人获得必要的医疗服务。在未来的工作中，将进一步开发该系统的软件和硬件，以提高稳定性和实用性，同时也将根据特殊的需要定制开发上层管理软件以及完善医疗监护管理平台软件。参考文献参考文献1 周林，冯婷婷，ZigBee 的无线医疗监护系统的研究与设计J.电视技术，2013。2 王东，张金荣，魏延，曹长修等，利用 ZigBee 技术构建无线传感器网络.重庆大学学报2006。3 赵泽，崔莉，一种基于无线传感器网络的远程医疗监护系统.中国科学院计算技术研究所，2006。4 周怡寤，凌志浩，吴勤勤 ZigBee 无线通信技术及其应用探讨.华东理工大学.自动化仪表，2005。5 Liu C H, Teng P C. The safety design of the laboratory monitoring systemC/Networked Computing and Advanced Information Management (NCM), 2010 Sixth International Conference on. IEEE, 2010: 509-513. 6 7 Park J, Cho J, Choi J, et al. A zigbee network-based multi-channel heart rate monitoring system for exercising rehabilitation patientsC/TENCON 2007-2007 IEEE Region 10 Conference. IEEE, 2007: 1-4.8 Hu X, Wang J, Yu Q, et al. A wireless sensor network based on zigbee for telemedicine monitoring systemC/Bioinformatics and Biomedical Engineering, 2008. ICBBE 2008. The 2nd International Conference on. IEEE, 2008: 1367-1370.9 李念强.数据采集技术与系统设计M.北京：机械工业出版社.2009.10 祝常红.数据采集与处理技M.北京：电子工业出版社.2008.11 无线龙 ZigBee 无线网络原理M 冶金工业出版社.2011.0712 Farahani S. ZigBee wireless networks and transceiversM. Access Online via Elsevier, 2011.华东交通大学毕业设计（论文）13 Instruments T. A true system-on-chip solution for 2.4-GHz IEEE 802.15. 4 and ZigBee applicationsJ. 2010)2012. http:/www. ti. com/lit/ds/symlink/cc2530. pdf, 2011.14 /medical_electronics/2011/1010/article_2411.html15 /tech/fangan/727512.html16王小强，欧阳俊，黄宁林.ZigBee 无线传感器网络设计与实现M 化学工业出版社。17郭渊博，杨奎武，赵俭等ZigBee 技术与应用CC2430 设计、开发与实践M 国防工业出版社18钟永峰，刘永俊ZigBee 无线传感器网络M 北京邮电大学出版社 200819金纯，罗祖秋ZigBee 技术基础及案列分析M 国防工业出版社 200820吕治安ZigBee 网络原理与应用开发M 北京航空航天大学出版社 200821李文仲，段朝玉PIC 单片机与 ZigBee 无线网络实践 M 北京航空航天大学出版社 2007课题类型：（1）A工程设计；B技术开发；C软件工程；D理论研究； （2）X真实课题；Y模拟课题；Z虚拟课题 （1）、（2）均要填，如 AY、BX 等。华东交通大学毕业设计（论文）华东交通大学毕业设计（论文）开题报告书华东交通大学毕业设计（论文）开题报告书二、方法及预期目标：二、方法及预期目标：1、本课题的任务要求1) 理解 TI Z-Stack 协议栈；2) 对多个传感器节点和协调器进行组网设计；3) 数据能 ZigBee 规范实现数据传输；4) 可以采集基本的生命体征信号；5) 设计多个无线传感器网络节点和协调器的硬件电路和驱动软件。2、本课题的整体方案 根据任务要求，设计了如下方案：首先根据 CC2530 芯片的工作原理设计其外围的工作电路。然后根据实际应用要求设计接入传感器的 I/O 口及相应的电路特征要求。最后设计相应的软件程序和界面，进行调试。整体设计框图如下。(1) 终端节点设计中央处理器（CPU）体温传感器血压传感器A/D转换信号放大无线通信（射频）电源电源 节点通过传感器将数据采集，然后经过转换，经 CPU 处理后将数据通过RF 射频天线发送出去。华东交通大学毕业设计（论文）(2) 路由器设计中央处理器（CPU）无线通信（射频） 电源终端节点发送的数据 路由器是在终端节点无法将数据直接发送给协调器时使用的一个中转站，负责将数据进行转发。(3) 协调器模块协调器路由器ZigBee网络体温、血压传感器节点ZigBee网络ZigBee网络路由器体温、血压传感器节点体温、血压传感器节点体温、血压传感器节点PC上位机串口通信ZigBee网络ZigBee网络ZigBee网络串口通信PC上位机 协调器首先负责组织一个网络等待终端节点的加入，其次是接受节点发送过来的数据，然后将数据通过串口上传到上位软件上显示。3、拟采用的研究方法整个传输系统可大致分为硬件部分和软件部分，而且软件的设计是基于硬件平台的，所以根据任务要求先进行硬件的设计，然后再根据设计制作的硬件平台和任务要求进行软件的编程。硬件系统主要为控制处理模块和射频无线收发模块。在控制处理模块，MCU 采用的是 TI 公司生产的性价比极高的 CC2530。在 CC2530 的控制下设计外围电路和传感器接入电路从而是传感器的数据可以为 CC2530 采集、储存、处理、传输。软件系统：软件部分主要是根据任务要求在 Z-Stack 的基础上编写程序添加相应的应用。包括实现体温数据的采集，脉搏数据的采集，无线收发模块的控制，上位机显示等。程序采用 C 语言编写，开发环境是 IAR Embedded Workbench 软件。4、本课题要研究或解决的问题及预期效果 拟解决的关键问题：(1) ZigBee 网络的组织；(2) 应用层事件的添加；(3) 传感器器外围电路的设计与程序设计；华东交通大学毕业设计（论文）(4) 数据的采集与处理。硬件系统设计满足如下要求： (1) 对体温和脉搏数据的采集； (2) 对无线数据的传输； (3) 对采集的数据在上位机上中显示。软件系统设计要求：(1）Z-Stack 协议栈优化；(2）网络运行有效且可靠。5、开发工具操作系统：Windows 操作系统；开发语言：C 语言，C+语言；开发平台：自制监测系统开发板；开发软件：Altium Designer Winter 09、IAR Embedded Workbench, Sniffer_Packet。三、指导老师意见三、指导老师意见同意开题指导老师签名 日期摘要I生命体征监测的生命体征监测的 ZigBee 无线传感器组网设计无线传感器组网设计 摘要ZigBee 无线医疗监护系统能够让广大民众在医院以及家中享受个性化医疗卫生服务，从而有效地缓解医疗卫生资源紧缺等严峻的社会问题。研究通过ZigBee 传感器网络在一般环境下通过组织的网络结构， 其网络的抗干扰能力、最大通信距离、网络自恢复能力、耗电量会有所不同。经过实际的测试可以得出 ZigBee 短距离通信技术在实际应用中的优缺点，以及在医疗监护中应用的可行性，为面向医院和家庭的的无线医疗提供了理论依据。并且设计了协调器与上位机、路由节点、传感器节点的通信协议。通过各种测试，研究得出结论：ZigBee 短距离通信技术在医院和家庭环境中，能够有效地克服各种家用设备的干扰，数据传输准确率高。本课题研究设计的内容主要包括以下 3 个部分：（1）实现 6 个 ZigBee 传感器节点监测人体生命体征信息；（2）完成网关的设计与调试；（3）上位机监测显示数据。本系统主要包括 6 个 ZigBee 节点、一个协调器、串口和上位机显示平台。网络拓扑结构采用的是星型网，多个传感器节点和一个核心节点组成星型网。协调器接受子节点的上传数据，经判断处理后通过串口传送到 PC 机上。基于Qt 的上位机监控系统，将收集的数据通过可视化的图形界面直观的展现给用户（如温湿度实时曲线等） ，可远程监测环境动态。关键词关键词：医疗；ZigBee；节点；网络；上位机软件AbstractIIThe Monitoring System Design of Vital Signs based on ZigBeeAbstractZigBee wireless medical monitoring system can let the general public in hospital and home enjoy personalized health care services, which effectively alleviates the serious social problems such as shortage of health care resources.Research by ZigBee sensor network through the organization of the network structure in the general environment, the anti-interference ability of the network, the maximum communication distance, network self-healing capacity, power consumption will be different.Through the actual test can be concluded that the advantages and disadvantages in ZigBee short distance communication technology in practical application, and the feasibility of the application in the medical ward, for hospitals and family oriented wireless medical provides a theoretical basis.And design the routing node, the coordinator and the upper machine communication protocol, sensor nodes.Through a variety of tests, the study concluded that: ZigBee short distance communication technology in the hospital and family environment, can effectively overcome the interference of all sorts of household equipment, high accuracy of data transmission.The content of the research design include the following three parts:(1) Above six ZigBee sensor nodes to monitor vital signs information；(2) Completed the design and commissioning of the gateway;(3) PC monitoring and display the data；The system includes six ZigBee nodes, a coordinator, serial port, and the host computer monitoring platform. The network topology is a star network, composed of multiple sensor nodes and a core node star network. Coordinator to accept the child node upload data sent through the serial port to the PC, after judgment processing.Keyword: Medical; ZigBee; Node;Network; PC software目录目录目录IV摘要.IABSTRACT.II第一章 绪 论.11.1 选题背景 .11.2 无线传感器网络国内外研究现状 .11.3 论文内容和结构安排 .2第二章 系统方案分析.42.1 基础概述 .42.1.1 ZigBee 简介.42.1.2 ZigBee 协议体系结构.62.2 功能需求 .62.3 模块分析 .82.3.1 控制模块.82.3.2 无线模块.82.3.3 显示模块.112.4 本章小结 .11第三章 生命体征传感器节点硬件设计.123.1 ZigBee 节点硬件设计 .123.1.1 节点电源模块设计.123.1.2 体温传感器分析.133.1.3 脉搏传感器分析.143.2 协调器的设计 .153.3 协调器串口通信单元硬件的设计 .163.3.1 SP3232EEN 分析.163.3.2 SP3232EEN 电路设计.173.4 本章小结 .18目录V第四章 系统组网软件设计.194.1 ZigBee 节点软件设计 .194.1.1 DS18B20 采集温湿度软件设计.194.1.2 HKG-07A 红外脉搏传感器软件设计.214.1.3 CC2530 无线通信软件设计 .224.2 上位机监控软件设计 .244.2.1 Qt 介绍.244.2.2 系统总体概述.264.2.3 数据接收.274.3 本章小结 .28第五章 测试和结构分析.295.1 系统调试 .295.1.1 硬件调试过程与结果分析.295.1.2 软件调试过程与结果分析.305.2 系统测试与结果 .305.3 本章小结 .36第六章 总结与展望.376.1 总结 .376.2 展望 .37参考文献.38致谢.39附录.40附录 A 外文翻译-原文部分.40附录 B 外文翻译-中文部分.46目录VI附录 C 电路原理图和 PCB 图.52附录 D 硬件部分程序.54生命体征监测的 ZigBee 无线传感器组网设计1第一章第一章 绪绪 论论1.1 选题背景随着全球老龄化的到来和越来越多的健康保健的需求人群，医疗开支已成为各国最为棘手的问题。电子医疗特别是远程的体征监控成为最为迫切的医疗信息服务。无线传感器网络可以通过佩戴或植入到人体的各类传感器，将人体实时的体征包括体温、脉搏、呼吸、血压甚至心电图传送到医疗机构乃至医生的随身电脑。这些数据可以自动在医生的后台程序中进行分析，并得出一些指导性的建议，如果遇到有突发情况可以直接调动医疗资源进行及时救助。这些应用可以在广泛地在社区、家庭和个人移动环境下开展，并且在全世界各个国家和地区具有非常好的通用性和普适性。传统的医疗监护方式大多使用固定的医疗监护仪，这种监护方式占用了紧缺的医疗资源，同时监护设备的有线束缚给患者带来很大不便，采用硬线连接的有线医疗监护系统网络不仅在布线过程中非常繁琐，而且线路容易老化或遭到磨损、腐蚀等。而无线传输方式灵活，可避免复杂、重复的布线，网络的基础设施无须隐藏在墙里，同时无线网络还可以适应移动或变化的需求。随着技术的进步和经济的发展，无线通信技术必将会越来越多的应用到医疗健康监护等方面。同时也意味着无线传感网络节点数目的信息量将随着用户需求而逐渐增大，传感器结点作为采集信息中心以及处理中心需要不断的改进其硬件功能。因此，针对未来医疗监护发展需求，研究基生命体征监测的ZigBee 无线传感器组网设计，对于加快我国医疗等多个领域的发展具有重要的现实意义。1.2 无线传感器网络国内外研究现状随着近年来无线数据传输技术、生物医学传感器的小型化、信息处理技术的快速发展和普及，无线医疗家测系统在远程医疗应用领域的发展潜力开始受到越来越多人的重视。较早在国外已将 WSN 应用于医疗监测系统的研究，实华东交通大学毕业设计（论文）2时的采集被监护者的各项生理指标。也有科研人员将 ZigBee 技术应用于智能家庭医疗保健的方案，但是国内市场上还没有针对社区医疗保健的相关产品。Cavallo F 等人介绍了一种用于特殊人群的康复系统，用于帮助残疾人康复以及老年人独立生活1。其能够识别并且管理病人的活动, 在有紧急求助的情况下，可以向医护人员发出警报，并且提供了用于管理整个无线网络和监测户外活动病人的软件接口。另外，美国的 Emil Jovanov 实现了一种可以应用于医疗监护的无线体域网(WBAN)，该系统集成了各种医疗用传感器，实现了生理数据实时采集、分析，最后通过 Internet 将数据存于医院的医疗数据库中，以便于日后监护或急救。在欧洲， “Healthy Aims”项目计划开发了一系列可以植入人体的医疗器件，以帮助老年人和特殊人群。该项目核心是将植入人体内的各种医疗设备和传感器通过无线局域网与基站通讯，使得医疗工作者能及时有效的查看到患者的各项生理数据。Xiaohui Li 等人研究证明了 ZigBee 能够提供具有一定实用价值的方案，开发了基于 ZigBee 的无线传感网络的监控系统，并介绍分析了 Zigbee 的路由策略。Dagtas S 等人的研究表明，基于 ZigBee 无线传感网络( WSN) 的远程医疗监护系统近来已经成为一种健康关怀的趋势24。各国科研机构和公司竞相开展无线医疗监测系统的应用研究。其中比较具有代表性的有哈佛大学研究的 CodeBlue 系统、NASA 和斯坦福大学合作开发的 LifeGuard 系统、法国 CRNS 研究机构的 MARSIAN 项目、 IBM 公司的身体区域网(The body electric)。国内在 WSN 领域的研究也己经在很多研究所和高校展开。南京邮电大学成立物联网与传感网研究院，联合有关单位从事面向传感器网络相关技术方面及物联网的研究；第一军医大学研制的单兵生命状态远程监视及定位系统和上海大学的无线医疗监护系统也都属于这一领域的研究实践；另外清华大学、国防科大、中科大、哈尔滨工业大学、北京邮电大学等单位在无线传感网络研究方面也都做了一定工作510。1.3 论文内容和结构安排本文设计开发的是生命体征监测的 ZigBee 无线传感器组网设计，其包括以下几个方面的内容：生命体征监测的 ZigBee 无线传感器组网设计3(1) 实现 6 个 ZigBee 传感器节监测生命体征信息；(2) 完成网关的设计与调试；(3) 完成上位机监测平台软件显示；(4) 完成系统的统调与测试。论文结构如下：第一章为绪论部分，介绍无线传感器网络系统的研究现状等相关内容；第二章为方案设计部分，主要是根据设计要求选择合适的方案；第三章为系统硬件设计部分，主要对 ZigBee 节点、协调器和传感器进行介绍和分析；第四章为系统软件设计部分，主要对监控软件程序和 ZigBee 协议栈进行介绍和分析；第五章为系统调试与测试，主要是从系统总体的角度全面阐述系统调试与测试的效果；第六章为总结与展望，主要是对这次课设总结，并对系统接下来的工作做一个展望来优化系统。华东交通大学毕业设计（论文）4第二章第二章 系统方案分析系统方案分析随着无线传感器网络广泛应用于发展，ZigBee 技术优势得以体现。ZigBee技术作为一种新兴的无线通信技术，以其低功耗性能优势广泛应用于家用、企业管理、保健、交通等领域。在低耗电待机模式下，两节普通 5 号干电池可使用 6 个月到 2 年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是 ZigBee 的支持者所一直引以为豪的独特优势。2.1 基础概述.1 ZigBeeZigBee 简介简介ZigBee 是 IEEE802.15.4 协议的代名词。根据协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂是靠飞翔和“嗡嗡”地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、地数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee 就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。无线传感网络的无线通信技术可以采用 ZigBee 技术、蓝牙、Wi-Fi 和红外等技术。ZigBee 技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于 IEEE802.15.4 无线标准研制开发的组网、安全和应用软件方面的通信技术。协议栈是指网络中各层协议的总和，其形象的反映了一个网络中文件传输的过程：由上层协议到底层协议，再由底层协议到上层协议。使用最广泛的是英特网协议栈，由上到下的协议分别是：应用层，运输层，网络层，链路层和物理层。ZigBee 联盟于 2005 年公布了第一份 ZigBee 规范“ZigBee specification V1.0”。ZigBee 协议规范使用了 IEEE802.15.4 定义的物理层和媒体介质访问层，并在此基础上定义了网络层和应用层架构。生命体征监测的 ZigBee 无线传感器组网设计5ZigBee2007/PRO 无线传感器网络与 ZigBee2006 无线传感器网络相比最大区别在于其支持最新 ZigBee2007/PRO 网络，提供更多更精确传感器（如增加高精度温湿度数字传感器等） ，提供更多可扩展接口，提供更大网络支持，速度更快/处理能力更强低功耗为控制器等。ZigBee 的技术特性决定它将是无线传感器网络的最好选择，广泛用于物联网，自动控制和监视等诸多领域。以美国德州仪器 TI 公司 CC2430/CC2530 芯片为代表的 ZigBeeSOC 解决方案在国内高校企业掀起了一股 ZigBee 技术应用的热潮。CC2430/CC2530 集成了 51 单片机内核，相比于众多的 ZigBee 芯片，CC2403/CC2530 颇受青睐。ZigBee 新一代 SOC 芯片 CC2530 是真正的片上系统解决方案，支持IEEE802.15.4 标准/ZigBee/ZigBeeRF4CE 和能源的应用。拥有庞大的快闪记忆体多达 256 个字节，CC2530 是理想 ZigBee 专业应用。CC2530 结合了一个完全集成的，高性能的 RF 收发器与一个 8051 微处理器，8KBRAM,32/64/128/256KB闪存，以及其他强大的支持功能和外设。IEEE802.15.4 是一个低速率无线个人局域网标准。该标准定义了物理层和介质访问控制层。这种低速率无线个人局域网的网络结构简单、成本低廉、具有有限的功率和灵活的吞吐量。低速率无线个人局域网的主要目标是实现安装容易、数据传输可靠、短距离通信、极低的成本、合理的电池寿命，并且拥有一个简单而灵活的通信网络协议。LR-WPAN 网络具有如下特点：(1) 实现 250kb/s,40kb/s,20kb/s 三种传输速率；(2) 支持星型或者点对点两种网络拓扑结构；(3) 具有 16 位短地址或者 64 位扩展地址；(4) 支持冲突避免载波多路侦听技术；(5) 用于可靠传输的全应答协议；(6) 低功耗；(7) 能量监测；(8) 链路质量指示（LQI） ；华东交通大学毕业设计（论文）6(9) 在 2450MHz 频带内定义了 16 个频道：在 915MHz 频带内定义了 10 个通道；在 868MHz 频带内定义了 1 个通道；为了是供应商能够提供最低可能功耗的设备，IEEE 定义了两种不同类型的设备：一种是完整功能设备，另一种是简化功能设备。.2 ZigBeeZigBee 协议体系结构协议体系结构ZigBee 协议栈建立在 IEEE802.15.4 的 PHY 层和 MAC 子层规范之上。它实现了网络层和应用层。在应用层内提供了应用支持子层和 ZigBee 设备对象。应用框架中则加入了用户自定义的应用对象。ZigBee 的体系结构由称为层的各模块组成。每一层为其上层提供特定的服务：即由数据服务实体提供数据传输服务；管理实体提供所有的其他服务。每个服务实体通过相应的服务接入点（SAP）为其上层提供一个借口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。ZigBee 协议的体系结构如图 2-1 所示：媒体介质访问层（MAC）Zigbee设备对象ZDOZDO管理面板安全服务供应商2.4GHz868/915MHz网络管理NWK安全管理NWK消息中转路由管理APS安全管理反射器管理APS消息中转应用设备240应用设备1PD-SAPPLME-SAPMLDE-SAPMLME-SAPNLDE-SAPAPSME-SAPNLME-SAP端点240APSDE-SAP端点1APSDE-SAP端口0APSDE-SAPZDO公共缺口网络层（NWK）应用支持子层（APS）应用程序框架物理层（PHY）图图 2-1 ZigBee 协议的体系结构协议的体系结构2.2 功能需求系统总体由以下几个部分组成：底层为无线传器网络（6 个 ZigBee 节点） 、生命体征监测的 ZigBee 无线传感器组网设计7一个协调器、监控平台（数据通过串口传送到 PC 机上显示） 。总体结构图如图2-2 所示。节点1节点3节点5节点4节点2PC串口节点6图图 2-2 系统结构图系统结构图底层无线传感器网络由各传感器节点基于 ZigBee 无线通讯协议构成。ZigBee 技术作为一种新兴的无线通信技术，具有微功耗、低成本、自组网和节点布置灵活等特点，非常适合在多测点、无人值守的环境监测中的应用。中层网络由协调器实现，完成传感器节点的信息交汇、数据转发、指令收发以及参数远程设置等功能。上层网络由终端客户端组成。终端从协调器接收信息，完成数据解析、处理、存储、查询、统计、图表绘制等其他信息系统集成整合的功能，并可能通过网关发送控制指令至底层传感器节点完成远程参数设置，使其终端操作界面更加人性智能化。系统各模块各种功能简介：(1) ZigBee 节点数据采集模块：生命体征数据采集，体温和脉搏；(2) 协调器无线接收与串口通信模块：协调器节点是监测系统中重要的一部分，发挥了两个主要功能：一是负责组建无线传感网络；二是转发收集的数据，通过串口发送给 PC 机上显示，采用嵌入式 QT 图形界面编程可以系统进行智能监测；(3) PC 机界面显示模块：将通过串口发送过来的体温、脉搏数据通过 Qt4.7.2编译的终端界面显示生命体征参数并进行数据处理，用户可直观评价病人身体华东交通大学毕业设计（论文）8的一些指标。2.3 模块分析根据项目的任务要求，生命体征监测的 ZigBee 无线传感器组网设计，需要实现以下功能：(1) ZigBee 节点与协调器构成硬件平台；(2) Qt 设计上位机软件；(3) 实现 ZigBee 网络数据在 pc 机上显示；(4) 系统的整体调试与测试；生命体征监测系统总体结构框图如图 2-3 所示。协调器节点6节点1节点2PC机Zigbee无线网络串口图图 2-3 系统总体结构图系统总体结构图.1 控制模块控制模块该系统的控制模块主要是 8051 单片机。单片机是 70 年代中期发展起来的一种大规模集成电脑芯片，是 CPU、RAM、ROM、I/O 口和终端系统于同一硅片的器件。80 年代以来，单片机发展迅速，各类新产品不断涌现，出现了许多高性能新型机种，现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱产业之一。.2 无线模块无线模块CC2530 是本系统的核心元件，它是美国 TI 公司推出的完整的 2.4GHz 射频片上系统解决方案。CC2530 内部集成了一个高性能的射频收发器和一个生命体征监测的 ZigBee 无线传感器组网设计98051 微处理器，有 8KB 的 RAM，32/64/128/256KB 闪存，以及其他强大的外部设备功能。CC2530 的外观如图 2-4 所示。图图 2-4 CC2530 的外观图的外观图CC2530 内部使用的是一个单周期的 8051 兼容内核 CPU，该内核使用的是标准的 8051 指令集。因为每个指令周期是 1 个时钟，而标准的 8051 每个指令周期是 12 个时钟，并且增强型的 8051 内核消除了总线状态的浪费，因此它执行指令的速度要比标准的 8051 更快。CC2530 有三个不同的存储器访问总线，分别是 SFR、DATA 和 CODE /XDATA。8KB RAM 映射到 DATA 存储空间和 XDATA 存储空间的一部分，8KB RAM 是一个超低功耗的 RAM，当 CC2530 的数字部分掉电进入低功耗供电模式时，仍能够保存其中的内容。32/64/128/256KB 闪存模块为设备提供了内电路可编程的非易失性程序存储器，它映射到 CODE 和 DATA 存储空间。非易失性存储器除了可以保存程序代码和常量，还允许应用程序保存必须保留的数据。这样，即使在设备重新启动后，也可以继续使用这些数据。CC2530 有着功能丰富的外部设备供使用者开发应用。其中，应用最为广泛的是 I/O 端口、定时器和串行通信接口 USART。CC2530 有 21 个数字输入/输出引脚，每一个端口都是多功能的，既可以配置为通用数字 I/O 端口，也可以连接到定时器或 USART 等其他外设。这些 I/O口的用途可以通过一系列寄存器配置，由用户软件加以实现。如果在程序中一个端口要具备多种功能，在使用前要先设定各个功能的优先级。21 个 I/O 引脚也都可以用作外部中断源输入口。CC2530 一共有 4 个定时器，定时器 1 是一个 16 位定时器，具有定时器、华东交通大学毕业设计（论文）10计数器、PWM 功能。定时器 2 也是一个 16 位定时器，它是专门为 802.15.4 MAC 层提供一般的计时功能。定时器 3 和 4 是两个 8 位的定时器，同样具有定时器、计数器、PWM 功能。CC2530 的定时器有三种工作模式，第一种是自由运行模式。F FF FF FF F0 00 00 00 0图图 2-5 CC2530 定时器自由运行模式定时器自由运行模式如图 2-5 所示，在自由运行模式下，计数器从 0 x0000 开始计数，每个时钟边沿增加 1，当计数器达到 0 xFFFF 时，可以设置溢出标志位，如果需要，还可以产生一个中断请求。然后计数器重新载入 0 x0000，继续递增计数，如此往复。定时器的第二种工作模式是模模式。在模式中，可以设置一个溢出值，当器达到溢出值时，计数器将复位到 0 x0000 并继续递增。如果定时器开始于溢出值以上的一个值，当达到最终计数值 0 xFFFF 时，可以设置溢出标志位，如需要，还可以产生一个中断请求。模式可以用于周期不是 0 xFFFF 的应用程序。模模式如图 2-6 所示。溢溢出出值值0 00 00 00 0图图 2-6 CC2530 定时器模模式定时器模模式CC2530 提供了一个兼容 IEEE 802.15.4 协议的无线收发器，RF 内核控制模生命体征监测的 ZigBee 无线传感器组网设计11拟无线电模块。另外，它还提供了一个 MCU 和无线设备之间的接口，这可以发出命令、读取状态、自动操作和确定无线设备事件的顺序。.3 显示模块显示模块上位机软件运行于 Windows 系统，根据上述提到的 Qt 跨平台特性，故上位机软件也采用 Qt GUI 编写。终端监控系统主要是将接收的环境参数通过图形界面直观的显示，以及远程参数的设置。其总体框图如 2-7 所示。数数据据接接收收数数据据处处理理图图形形界界面面显显示示图图 2-7 上位机软件结构框图上位机软件结构框图数据接收部分利用 TCP 网络协议提供了与 Internet 的标准接口，简化了ZigBee 网络采集环境参数接收以及控制信息传递；数据处理则是无线传感器网络农田监控系统上位机软件的核心部分，提供了友好的图形用户界面，直观展示网络拓扑结构，节点参数曲线对比等；数据保存部分主要针对数据保存查询处理等工作，亦可将数据导出为表格文件，方便对数据进行详细分析。由于 ZigBee 网络采集的环境参数数据量大，故将系统三个模块各设计为一个单独的线程，相互独立，但又相互联系，极大地提高了系统响应时间，加强了系统的实用性。2.4 本章小结本章主要介绍了生命体征监测系统的总体设计方案。方案的选择是设计系统的一个重要环节，直接关系到整个系统的开发难度、开发成本以及进度。通过系统方案的设计可以选择最佳的硬件去完成系统的各项功能，本章主要介绍了节点 CC2530 射频模块、传输方式，传感器以及上位机监测平台。一个好的设计方案必须考虑整个系统的性价比。本章还介绍了系统的总体结构。华东交通大学毕业设计（论文）12第三章第三章 生命体征传感器节点硬件设计生命体征传感器节点硬件设计系统分为硬件和软件两部分进行设计的。其中硬件是基础，其设计的好坏直接关系到整个系统的性能。设计的无线监测系统硬件包括 6 个 Zigbee 节点和一个协调器。其中节点又包括：CC2530 射频模块、电源模块以及温湿度传感器模块。下面分别对以上三个模块进行分析。 3.1 ZigBee 节点硬件设计.1 节点电源模块设计节点电源模块设计本系统由于考虑的便携性，节点板尽可能的轻便，所以采用的是 3.7V 锂电池供电。通过 RT9184 芯片的电压转换，可以在只要电压超过 3.3V 的条件下将电压转为稳定的 3.3V，给 CC2530 射频模块和温湿度采集模块供电。常用的AMS1117 芯片的正常工作电压范围是 4.2V12V，不符合现在实际需求，电源供电电路图如图 3-1 所示。GNDGND1Vout2Vin3U2RT9183_3.3VGNDVCC_IOBT1V_3.7V10ufC11uFC2C31uFGNDGND串串串串112233445566SDIP6图图 3-1 电源供电电路图电源供电电路图无线射频模块 CC2530 正常工作电压时 3.3V，而体温传感器与脉搏传感器的工作电压可以是 3.3V，为了方便，选择同一使用 3.3V 电压的输出。传感器接入电路如图 3-2 所示，考虑所用的传感器的接头封装是特殊的音频公头，因此为了使用方便，我采用的是特制的音频母头，封装需要自己制作生命体征监测的 ZigBee 无线传感器组网设计13完成。GNDS_Pulse1122334455HeadsetpulseHSGNDS_Temp1122334455HeadsettempHS串串串串串VCC_IOVCC_IO 图图 3-2 传感器接入电路图传感器接入电路图.2 体温传感器分析体温传感器分析本模块为人体体温数据的采集部分。主要解决人体体温数据的实时准确采集和快速处理问题。DSl8B20 数字温度计提供 9 位(二进制)温度读数，指示器件的温度。信息经过单线接口送入 DSl8B20 或从 DSl8B20 送出，因此从主机 CPU 到 DSl8B20仅需一条线(和地线) 。DSl8B20 的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。因为每一个 DSl8B20 在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个DSl820 可以存放在同一条单线总线上。这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件。DSl8B20 的测量范围从-55到+125 增量值为 0.5 ,可在 l s(典型值)内把温度变换成数字。每一个 DSl8B20 包括一个唯一的 64 位长的序号，该序号值存放在DSl8B20 内部的 ROM(只读存贮器)中。开始 8 位是产品类型编码(DSl8B20 编码均为 10H)。 接着的 48 位是每个器件唯一的序号。最后 8 位是前面 56 位的CRC(循环冗