无线传感器网络课程设计-基于无线传感器网络的医疗健康护理系统

1、安徽理工大学无线传感器网络课程设计课程设计说明书（无线传感器网络）题目：基于无线传感器网络的医疗健康护理系统院 系：计算机科学与工程学院专业班级： 物联网工程13-2班 学 号： 2013303057 学生姓名： 指导教师： 2015年10月10日摘 要 进入21世纪以来，无限传感器网络技术作为通信技术未来的发展重点，以其廉价、便携、通用的特点，在国计民生各领域中得到越来越多的应用。传感器网络在医疗卫生和健康护理等方面具有广阔的应用前景。传感器网络在医疗系统和健康护理等方面的应用包括检测人体的各种生理数据，跟踪和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理等。如果在病人身上安装特殊用途的传感器节

2、点，也就是医疗用的节点，如心率和血压检测设备，医生利用传感器网络以及网管和服务器甚至手持设备都能够实时获取病人的病情信息，从而保证发现异常能够迅速抢救。将传感器节点按药品种类分别放置，计算机系统即可帮助辨认所开的药品，从而减少病人用错药的可能性。还有现在的独居老人的健康状况得不到及时追踪和监控，这时我们得必须建立起来一个完善的远程监控系统，从而这个系统的关键是发挥无限传感器网络的不受时空限制的特点，再加上城市化信息平台的大力支撑，利用有线网络和无线网络，结合现代生物医学工程技术来构造远程的医疗和健康保障体系。关键词：无线传感器网络；远程能监控；病人第 17 页 共 18 页目 录摘 要11背景

3、分析31.1无线传感器网络的基本概述31.2ZigBee技术的简述31.3无线传感器网络对医疗方面的应用42模块介绍52.1多类型高精度病理信息采集模块52.2高集成化医疗数据处理模块72.3面向ZigBee技术的无线网络通信模块92.4多协作模式下的无线医疗传感器节点能量供应模块103系统设计113.1总体系统架构113.2无线传感器网络网关设备的设计与实现123.3泛在无线医疗信息传感系统的设计与实现133.4医疗健康护理基站软件系统153.5医疗健康护理移动终端（PDA）软件系统154总结16参考文献171背景分析1.1无线传感器网络的基本概述无限传感器网络是一种全部新的信息获取平台，能

4、够实时监测和采集网络分布区域内各种监测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现发杂的指定范围内的目标监测与跟踪，具有快速展开，抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。无线传感器的主要组成是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点如ZigBee组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)、片上系统（SOC， System onChip）、无线通信和低功耗嵌入式

5、技术的飞速发展,孕育出无线传感器网络(Wireless SensorNetworks, WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。1.2ZigBee技术的简述Zigbee 是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA 和GSM 网络。Zigbee 数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m 到几百米、几公里，并且支持无限扩展。Zigbee 是一个由可多到65000 个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个Zigbee 网

6、络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m限扩展。与移动通信的CDMA 网或GSM 网不同的是，Zigbee 网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个Zigbee“基站”却不到1000 元人民币。每个Zigbee 网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个Zigbee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转

7、任务的孤立的子节点RFD)无线连接。ZigBee技术有很多的优点如：低功耗，低成本，时延短，网络容量大，可靠，安全。1.3无线传感器网络对医疗方面的应用借助于各种传感器和ZigBee网络，准确而且实时地监测病人的血压、体温和心跳速度等信息，从而减少医生查房的工作负担，有助于医生做出快速的反应，特别是对重病和病危患者的监护和治疗具有很大的帮助。对于一些独居老人也可以对他的身体状况进行监护。2模块介绍2.1多类型高精度病理信息采集模块本模块主要包括模拟化非线性血氧传感部件、触发式可变速率脉搏传感部件、高精度接触式体温传感部件等。（1） 模拟化非线性血氧传感器部件血氧传感部件的外围采用TB-C系列成

8、人指夹式血氧探头，可兼容大多数监护仪品牌，外置电缆长度为0.9/1.6/3.0m，适用于成人（体重大于40千克），应用部位为手指指尖；精度为±digits（±1SD）,70%100%SpO2；LEDS：红光660nm nominal，红外光880/905/940nm nominal；存放温度+5+40。无线医疗传感器节点通过USB2.0接口同血氧传感器部件链接，如图2.1-1所示。图2.1-1血氧传感器链接情况脉搏传感探头医疗传感节点迷你USB接口 DF9-51P-1V 板对板连接器医疗面板中央处 理器（2） 触发式可变速率脉搏传感部件脉搏传感器部件采用微型数字化医疗脉搏传

9、感器。实际测量数据时，脉搏传感器探头采样病人的脉搏数据并将数据及时传输到节点的中央处理器。医疗脉搏传感部件采用高度集成化工艺将力敏感元件（PVD压电膜）、灵敏温度补偿元件、温感元件、信号调理电路集成在传感器内。压电式原理采集信号模拟信号输出，输出同步于脉搏波动的脉冲信号，脉搏波动一次输出一个正脉冲。可应用于无创心血管功能检测、妊娠高症检测、中医脉象诊断等。主要特点包括模拟脉冲信号输出、灵敏度高、抗干扰性强、过载能力大、一致性好、性能稳定可靠、使用寿命长。工作电压为312V。精度为0.5%，迟滞为0.5%。图2.2-1脉搏传感器部件应用电路图（单电源供电）IC2BR1C1E1-+GNDGNDVC

10、CHKY06B本系统中德脉搏传感器部件的应用电路如图2.2-1所示。（3） 高精度接触式体温传感部件体温传感部件采用DA-02-ET1型医用温度传感器。该传感器采用2.5×4圆柱形金属外壳，环氧封装，它由传感器、连接导线和接插件组成。连接线长0.5m（按用户需要而定）可消毒、可清洗、可互换。精度优于±0.1。温度范围为-3200。响应时间小于3s。为能够及时、准确地反映出被护理对象的体温变化，我们给节点处理器提供2.56V的片内基准电压，并将其设置为参考电压。由体温传感器输入的模拟信号将在该参考电压映射下，经过10位高精度的数模转换，变换为真实的体温值。无线医疗传感节点通过

11、USB2.0接口同体温传感部件连接。2.2高集成化医疗数据处理模块基于无线传感器网络的医疗健康护理节点采用ATmega128L微处理器作为数据控制与处理模块。具有高性能，低功耗，程序移植性强等诸多优点。其片内集成了可反复擦写10万次的Flash程序存储器，大大方便了用户的反复编程；采用CMOS工艺技术和Harvard双总线结构，使指令存取十分迅速，极大得满足了节点的及时通讯的要求；丰富的可扩展接口，使节点的通用性大为增强；多种工作模式既有利于节约医疗健康护理过程中的节点耗能，有增加了节点应用的灵活性。针对医疗健康护理过程中的数据存储和查询的需求，我们还在本模块上外扩展了512KB的存储空间，足

12、以满足各类医疗健康的护理需求。数据控制与处理模块的主要技术参数如表所示表2.2-1核心处理模块指令条数133条。大多数可以在一个时钟内周期内完成寄存器32个8位通用工作寄存器+外设控制寄存器工作频率工作于16MHz时性能高达16MIPS 程序与数据存储器存储器大小128kB的系统内可编程Flash可擦写次数10000次写/擦除周期EEPROM4kB，100000次写/擦除周期内部SRAM4kB外部SRAM多达512kB的优化的外部存储器空间编程接口JTAG接口提供下载及在线仿真调试支持扩展的片内调试可实现Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程ISP接口可通过SPI实现系统内编程支持串口

13、并口、USB扩展外设两个具有独立的预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能16位定时器计数器具有独立预分频器的实时时钟计数器两路8位PWM6路分辨率可编程（216位）的PWM输出比较调制器8路10位ADCI/O接口与芯片封装53个可编程I/O接口线64引脚TQFP与64引脚MLF表11-2 数据控制与处理模块主要技术参数2.3面向ZigBee技术的无线网络通信模块应用于实际医疗健康护理环境中的可穿戴医疗传感节点的网络通信所要解决与处理的首要问题是如何在现有的传感器网络构架基础上，实现不同类型、不同应用的较复杂的病理信息传递与融合。束缚当前无线传感器网络发展的

14、一个主要方面是通信频段过于集中、通信带宽过于狭窄以及通讯速率不高。而ZigBee技术的出现，在很大程度上解决了这个问题。利用基于IEEE802.15.4通信协议下ZigBee无线通信标准，可实现具备一定抗信道干扰能力、拥有较高传输速率与较大系统容量、较低功耗的低成本传感器节点无线网络通信模块，以达到可穿戴医疗无线传感器网络的病理检测指标。考虑到集成性和低功耗的具体要求，在本系统中，采用TI公司的CC2530作为医疗节点的无线通信模块。该模块符合802.15.4标准，是非常适用于ZigBee的射频器件。芯片采用0.18纳米CMOS工艺制成，只需极少外部元器件，性能稳定而且功耗极低，十分符合医疗健

15、康护理系统的需要。关于无线通信芯片CC2530以及ZigBee模块分别如图2.3-1与图2.3-2图2.3-1 CC2530典型应用电路图2.3-2 ZigBee协议概览2.4多协作模式下的无线医疗传感器节点能量供应模块作为整个医疗健康护理系统的信息终端，无线医疗传感器节点不仅需要在各种应用需求环境下，采集、处理、转换与收发拥有多种类型较复杂数据格式下的病理信息，还需要能够进行相关医疗数据控制与存储，同时，还将承载着多类型的网络协议下的数据通信。本系统在保证可穿戴医疗传感器节点稳定性能的基础上，实现了多种可控的硬件电源管理模式下的协作能量供应与能耗控制。主要包括可再生节点能源供应方式、可存储节

16、点能源供应方式、可补充节点能源供应方式及实现智能化的医疗传感器节点能量管理。3系统设计3.1总体系统架构 基于无线传感器网络的医疗健康护理系统的框架结构如图3.1-1所示，主要由UbiCell无线医疗传感器节点（集成体温、脉搏、血氧传感器）、若干具有路由功能的无线节点、网关设备、基站、PDA、具有无线网卡的笔记本、PC机等组成。网关设备负责连接无线传感器网络与无线局域网和以太网，基站负责无线传感器节点和设备节点的管理。传感器节点和路由节点自主形成一个多条的网络。佩戴在监护对象身上的体温、脉搏、血氧等传感器节点通过无线传感器网络向基站发送数据。基站负责体温、脉搏、血氧等生理数据的实时采集、显示和

17、保存。条件允许，其他的监护信息如监护图像、安全设备状态等也可以传输到基站或网络服务器。医院监控中心和医生可以通过移动终端（PDA、接入网络的笔记本电脑等）登陆基站服务器查看被监护者的生理信息，也可以远程控制无线传感器网络的传感器和其他无线设备，从而在被监护病人出现异常时，能够及时监测并采取抢救措施。无线医疗传感器网络基站/网关PAD图3.1-1 基于无线传感器网络的医疗健康护理系统框架用户无线网络Internetnet3.2无线传感器网络网关设备的设计与实现网关设备电路的总体结构图如图3.2-1所示，网关系统以ARM920T为核心，用DM9000AEP网络芯片接入以太网，用USB接口无线网卡R

18、T73接入无线局域网，用符合EEE802.15.4协议的2.4GHz芯片CC2530接入ZigBee网络，再加上简单的外围辅助电路，完成了整个硬件电路的设计。网关节点通信时，首先由传感器节点发出数据传输请求，网关节点收到请求后发出确认信息，传感器节点收到确认信息后开始发送数据直至结束，网关接受完数据后会发回确认信息。网关与传感器节点通信过程如图3.2-2所示。通信模块CC2530支持IEEE802.15.4帧格式，网关节点和传感器节点通信就是这种帧格式。DATAACKREQACK图3.2-1网关设备总体结构图3.2-2网关与传感器节点通信过程传感器节点网关节点本系统中，网关与基站的通信是通过无

19、线局域网实现的。在为网关的操作系统加载无线通信包后，再将无线网卡驱动移植到网关嵌入式Linux内核，网关就可以通过无线局域网与管理站通信了。3.3泛在无线医疗信息传感系统的设计与实现3.3.1医疗传感器与嵌入式操作系统的接口模块在医疗节点UbiCell上面集成了3种不同类型的传感器：脉搏传感器、体温传感器和血氧传感器，3种不同类型的传感器同时工作在一个节点上，这就要求设计者必须考虑它们3个传感器协同工作的问题。在嵌入式操作系统基础上，采用C语言封装底层温度、脉搏、血氧、光照和湿度等病理和环境数据的采集。在今后应用中，可以方便调用这些功能，提高开发效率。构建一个无线采集、发送和接收病理数据的体系

20、结构，远端传感器节点将定时采集体温、脉搏和血氧等病理数据，并无线发送至远端网关设备，网关设备接收病理数据通过无线局域网将数据转发至PDA设备或PC机等终端设备完成收集转发功能。（1） 高精度医疗脉搏传感器嵌入式软件设计高精度医疗脉搏传感器嵌入式软件程序结构图如图3.3-1所示。图2.2-1中参数初始化包括采样次数i_num、采样时间i_time等工作模式参数的传值及脉冲计数器count值清零。端口初始化包括中断、数模转换输入端口的选择、端口输入方向的设置、开中断及其他嵌入式软件中间临时变量的设置。在将通信模块的工作模式设置为发送之后，启动一次脉搏测量过程，节点在采样时间内累加脉搏探头捕获到的脉

21、冲次数，最后封装入自定义的通信报文，经过无线射频的方式发送出去。参数初始化端口初始化通信模块发送模式设置是否停止循环工作次数不大于i-num采样时间设置i-timePORTF1端口捕获一次脉冲信号发送起始码发送前端码发送脉冲数值count图3.3-1高精度医疗脉搏传感器嵌入式软件的程序结构（2） 高精度医疗血氧传感器嵌入式软件设计高精度医疗血氧传感器嵌入式的软件程序结构图如图3.3-2所示。图3.3-2中参数初始化包括测量血氧时工作模式参数的传值及各项中间变量的赋值。端口初始化包括关中断、数模转换输入端口的选择、端口输入方向的设置及开中断。在将通信模块的工作模式设置为发送之后，启动一次数模转换

22、，节点读取血氧探头捕获到的血氧数值，通过后台函数的处理，最后封装入自定义的通信报文，经无限射频的方式发送回基站。端口初始化处理器数模转换参数初始化转换结果作为血氧测量值通信模块发送模式设置发送起始码参数确认发送前端码PORTF3端口读取血氧模拟信号值发送血氧值图3.3-2医疗血氧传感器的嵌入式软件的程序结构(3)高精度医疗体温传感器嵌入式软件设计高精度医疗体温传感器嵌入式软件的程序结构图如图3.3-3所示。将ADC值换算成实际体温值过滤数组总最大值最小值平均值连续采样20次采样结果存入数组端口参数初始化图3.3-3医疗体温传感器嵌入式软件的程序结构发送最大值与最小值发送前端数据芯片初始化将换算

23、值的结果存入变量中3.4医疗健康护理基站软件系统基站软件系统接受线传感器网络采集的医疗健康护理数据，提供向无限传感器网络发布查询和管理命令的功能，完成医疗健康护理数据的实时动态图形化显示。提供历史健康护理传感数据的查询与变化趋势分析。当前数据超出范围时，生成报警信息，向主管医生报警。通过无线网络和移动终端设备（PAD等）进行交互，完成数据的实时共享和无限传感器网络的远程控制。维护和管理PAD终端、医疗健康护理传感器节点、护理对象及用户信息等。开发环境为Visual Studio C+.Net,SQL Server。3.5医疗健康护理移动终端（PDA）软件系统医疗健康护理服务器端保存数据库，需要记录病人信息、病人病症、病人病理信息和客户端信息等医疗护理信息，在医疗健康护理客户端需要使用服务器端的相关病人数据辅助病人医疗健康护理。这里采用SQL Server Mobile同步技术，实现两者通过无线局域网进行数据库同步，这一技术非常适用于医疗健康护理系统。客户端系统可以访问到最新更新的病人信息，同时也可以在客户端进行病人信息的修改等，服务器端将会检测到最新的变动，保持两者之间的始终同步，方便了医护人员的远程监护与操作。采用SQL Mobile Replication服务器中下载数据到设备端的SQL Server服务器中下载数据到设备端的SQL Mobile数据库中，然后在