人体生理参数监测无线传输系统设计

1、人体生理参数监测无线传输系统设计 分类号 :TP273 10710-2021124015硕 士 学 位 论 文人体生理 参数监测 无线传输 系统设计谭 亮导师姓名 职称 冯兴乐副教 授 申请学位 级别 工学硕士 学科专业 名称 信号与信 息处理 论文提交 日期 2021 年 5 月 7 日 论文辩论 日期 2021 年 6 月 7 日 学位授予 单位 长安大学 The Design of Wireless Monitoring and Transmission System on Body Physiological ParametersA Dissertation Submitted for

2、 the Degree of MasterCandidate :Tan LiangSupervisor :Associate Prof. Feng Xingle Changan University, Xian, China摘 要针对隔离和战地病区在监测生命体征过程中的特殊需求, 以提高监测效率、 节点可灵活组网、 非接触数据采集、 降低医生患者交叉感染率为原那么, 设计一种基于无线短距离传输技术的人体生理参数监测传输系统。 该 系 统以 低成 本 、普 适性 好 的 STC89C52 单 片 机 为信 号处 理 单元 ,结 合 nRF2401短距离无线传输模块, 实现患者体温和脉搏两个生理参

3、数的多点对一点的实时采集、 无线传输和动态显示等功能。 实验结果说明该系统能准确、 高效地反映患者状况, 满足特殊病区的需求, 同时该系统为下一步开发具有心电、 血氧饱和度和血压等生命体征参数的无线监护系统打下坚实的根底。 本文首先简单介绍了生理参数监护系统的开展情况、 无线技术在监护系统领域的应用、 远程医疗的国内外开展现状和短距离医疗监护的开展; 其次结合系统 设计的要求详细的分析了实现多点温度、 脉搏采集与无线传输方案的器件选型; 再次具体的阐述了系统的硬件电路设计和软件设计过程。 系统结构简单, 误码率低, 可靠地实现了数据的无线传输。 关键词:人体生理参数;监测传输; 传感器;nRF

4、2401 ; 单片机i AbstractAccording to the special needs of monitoring physiological feature in the isolation ward and field ward, and with the principle of improving the monitoring efficiency, flexible node monitoring network, non-contact data acquisition and reducing the doctor-patient cross infection r

5、ates, a monitoring transmission system of body physiological parameters was designed on the basis of the technology of a wireless short-distance transmission. STC89C52 MCU has advantages in low cost and great universality, beause of which it was used as the processing unit of the system. Combined wi

6、th nRF2401 the wireless transmission module, the system realized real-time data acquisition, wireless transmission and dynamic display of the two physiological parameters containing the patients pulse and body temperature. A large number of experiments showed that the system could accurately and eff

7、iciently reflect the patients condition and meet the demands of special wards. In the mean time, the system laid a solid foundation for the next development of wireless monitoring system with ECG, blood oxygen saturation, blood pressure and other parameters of physiological featureFirstly, the thesi

8、s briefly introduced the development of the physiological parameter monitoring system, the application of wireless technology in the monitoring system field and telemedicine development in the world. Then combining with the requirements of the system design, the multi-point temperature, pulse acquis

9、ition and the devices selection of the wireless transmission scheme were analized in detail, and the process of the system hardware circuit and software design were elaborated. To sum up, with simple structure, the system reliably realized the wireless data transmission which had low bit error rate,

10、 high reliability and was free from outside interference Keywords :body physiological parameters ,monitoring transmission, sensors, nRF2401,MCUii目 录 第一章 绪论. 1 1.1 研究意 义. 1 1.2 监测系 统的开展与应用. 2 1.2.1 生理参数监测系统的现状与开展2 1.2.2 无线医疗监测技术的应用与开展2 1.2.3 远程医疗的国内外开展与现状 3 1.2.4 无线短距离医疗监测的开展. 4 1.3 论文的 内容与结构 4 1.3.1

11、 论文的内容4 1.3.2 论文的结构5 第二章 无线监测系统方案设计7 2.1 系统总体设计思路 7 2.1.1 系统的硬件设计思路. 8 2.1.2 系统的软件设计思路. 9 2.2 系统方案. 9 2.2.1 数据采集方案. 9 2.2.2 近距离无线通信技术方案 10 2.3 器件选型12 2.3.1 数字式温度传感器的选择 12 2.3.2 脉搏传感器的选择 14 2.3.3 无线射频收发芯片的选择 14 第三章 系统硬件设计. 17 3.1 病房节 点设计 17 3.1.1 脉搏采集电路18 3.1.2 体温采集电路19 3.1.3 处理单元 STC89C52 26 3.1.4 显

12、示模块电路28 3.2 护士站 节点设计与射频模块 30 iii 3.2.1 报警电路. 30 3.2.2 单片机和 PC 机 接口电路设计30 3.2.3 电源转换电路32 3.2.4 射频模块. 32 第四章 系统软件设计.37 4.1 系统的 通信协议. 37 4.2 病房节 点程序38 4.2.1 发送端体温测试子程序40 4.2.2 发送端脉搏采集子程序45 4.3 护士站 节点程序. 47 4.3.1 接收节点串口通信子程序. 50 4.3.2 接收节点报警子程序 52 4.4 无线收 发流程及程序53 4.4.1 nRF2401 无线收发流程53 4.4.2 nRF2401 无线

13、收发程序55 第五章 印制板的制作与实验.61 5.1 制版 61 5.2 实验结 果. 62 5.3 结论 64 参考文献.65 攻读学位期间取得的研究成果.67 致 谢69 附 件71 iv 长安大学硕士学位论文 第一章 绪论 1.1 研究意义 在紧急情况下组建的战地医院、 大规模爆发传染病的隔离病区等应用场景, 对患者进行人体生理参数的监测, 尤其是对体温和脉搏等重要生命体征的实时监测是非常重要的工作。 但在这些紧急场合, 存在医护人员短缺、 监测工作量大、 传染病房被隔离、 病床的拓扑结构经常变化等问题。 因 此, 为了降低医护人员与患者的交叉感染的概率, 适应易变节点的组网需求,研究

14、并设计非接触人体生理参数采集系统非常重要。 由于体温是随着身体的健康状况不断变化的, 所以测量体温是诊断疾病中重要的一个生理参数。 体温不仅是传染病和功能性疾病诊断的依据, 还是神经系统、 内分泌系统、血液循环和消化系统以及肾病发生病变的重要参照; 同时脉搏携带有丰富的人体健康状况的信息, 因此在疾病诊断中脉搏也是一个重要的生理参数。 早在公元前三世纪我国开始 有 研 究 脉学 的书 ? 脉 经 ? , 脉 学 得 到 不 断 发 展 , 在 中 医 四 诊 ( 望 、 闻 、 问 、 切 ) 中,1脉诊就占有重要的地位 。 目前医院体温和脉搏的生理参数监测大致分为两类: 一类是人工采集, 特

15、别是体温 , 医院里采用人工定时测量方式。 它不仅消耗人力, 而且汇总查询分析起来也比较复杂;脉搏也是人工, 但由于中医是靠手指获取脉搏信息, 在长期的医疗实践中也暴露出一些问题。 另一类是有线监测, 非接触人体生理参数采集主要通过有线方式实现, 通过线缆将数据传到护士站, 但在突发事件情况下, 需要穿过墙壁或天花板的布线工作非常繁琐。另外, 由于采用有线连接, 节点的位置固定, 不适宜灵活机动的战地医院中对移动性的要求。 随着生活水平的提高, 传统单一、 有线 的生理参数采集方式已不能满足人们的需要,2生理参数采集逐渐向自动、多参、多点和无线方向开展 。多参数监测系统用于患 者 的脉搏、 血

16、压、 体温等多种生理参数的长期连续监测。 多参数监测系统可同时采集多人的多种生理参数, 为医生判断病情提供更多的可靠数据, 提高了判断病情的准确度。 鉴于以上考虑, 本文设计一种基于无线短距离传输技术的人体生理参数监测传输系统。 该系统以具有低本钱、 普适性好的 STC89C52 单片机为信号处理单元, 结合 nRF2401 短距离无线传输模块,实现病房患者体温和脉搏的采集、传输和显示。1第一章 绪论 1.2 监测系 统的开展 与应用 1.2.1 生理参数监测系统的现状与开展 医疗监护仪是现代医疗中一种不可缺少的重要设备, 通过定时采集患者各个生理参数的信息, 把采集的信息传输到护士站进行分析

17、处理, 当参数超过预先设定的数值时就会触发报警系统, 警示医护人员及时提出解决方案。 其采集到的信息是医护人员用来诊3断与治疗重要借鉴参数 。监护仪 功能各有不同,其基 本工作原理也不一样,而普遍都是借助传感器感应患者生理参数的变化, 然后通过放大器将信息放大, 再由采集节点微处理器对数据进行分析和处理, 最后将采集的数据在显示器上进行显示, 或根据需要做其它操作。 近年来, 随着科技的开展及经过监护仪厂商的不懈努力, 网络化、 模块化、 多功能、无线传输等已成为国外监护产品的新技术特征, 并且软硬件水平都在快速提高。 但国内无线监护设备还处于起步阶段, 大局部医院还采用传统的生理参数采集和有

18、线生理参数采集。医疗监护技术已经开始大规模开展, 但国内的监护仪技术还不够成熟, 应清醒地看到, 我国监护 仪产品的总体水平与国际水平相比仍有一定差距, 因此无线生理参数监护系统的研究很有必要。 1.2.2 无线医疗监测技术的应用与开展 人工采集生理参数工作不仅消耗大量的人力, 而且汇总分析起来也比较复杂; 有线采集需要穿过墙壁或天花板的布线工作非常繁琐。 在特殊情况下, 这两种监测方式都不适合。 因此, 这两种传统的监测方式己经越来越不能适应当今实时、 连续、 长时间地监测患者的重要生理参数的医疗监护开展。 针对传统监护方式的缺点, 无线医疗监护应运而生。 无线医疗监护是把无线通信技术应用在

19、医疗监护系统的简称。 无线医疗监护是把医疗监 护与无线通信综合到一起的新生代复合体, 不仅能让人们随时随地的接受到生理和病理的监测、 护理, 而且高级的无线医疗监护还可以通过简单、 高效的方式给用户提供健康咨询、 病况诊断等崭新的辅助效劳。 无线医疗监测系统主要包括生理参数采集节点、 无线数据传输单元、 接收节点等部分。 它的工作流程是: 先由接收节点发出监测某种生理参数的命令, 再由无线数据传输单元把命令传递给生理参数采集节点, 采集节点对人体生理信息采集后, 通过无线数据传输单元将数据传给接收节点中的信息处理模块, 一方面对接收到的数据进行处理和显2 长安大学硕士学位论文 示, 另一方面对

20、生理参数超出平安线报警。 无线医疗监护系统的核心是生理参数采集单4元和无线数据传输单元 。除了生理参数采集技术外,无线数据传输技术也是无线 医 疗监护系统的关键技术。无线的生理参数传输方式主要有以下三种:1)射频电磁波;2)红外光;3 声波,其中射频电磁波最常用。 各国跨国公司和科研机构在无线生理参数监护需求不断扩大的驱动下, 竞相开展无线 医 疗 监 护 系 统 的 研 究 和 开 发 , 并 不 断 拓 展 应 用 领 域 。 其 中 哈 佛 大 学 推 出 的 CodeBlue系统、 法国 CRNS 研究 机构开发的 MARSIAN 工程、NASA 阿莫斯实验室和斯坦福大学(Stanfo

21、rd University ) 合作研发的 LifeGuard 系统、IBM 公司研制的身体局域网络 The 5body electric ,东芝公 司创造的 Lifeminder 系统等极具标志性 。 哈佛大学推出的 CodeBlue 系统 是建立在紧急情况下的无线医疗监护系统。它是利用小型、 低功耗可便携的信号血氧计、 导联式心电图机等感应器测量血氧饱和度、 心率、心电,经过无线短距离100m 网络 与笔记本或 PDA 之 类的移动终端合作,这样数据就能够存储在患者病况档案中并在终端上完成实时显示, 如果生理参数不在正常范围内的时候便会发出警报。 Stanford University 和

22、 美国国家宇航局阿莫斯实验室合作研发的 LifeGuard 系统, 用于监测当宇 航员处于运 动状态时的 生命体征参 数。它包括 附身式生命 体征检测器 crew physiologic observation device ,COPD 和基站两局部,附在身体上的 COPD 能持续记载心脏速率、 血样饱和度、 体温、 呼吸速率等生理体征, 通过附带的蓝牙设备将这些参数上传到基站或存储在闪存里,最后经过串口送进 PC 机。 1.2.3 远程医疗的国内外开展与现状 6美国的学者将远程医疗定义如下 :远程医学系统是指这样一个平台,它通过 通 信和计算机技术为特定人群提供医学效劳。远程医疗目前主要应用

23、于 2 个领域: 1 应 用 在 急 救 医 学 : 远 程 医 疗 从 它 问 世 之 时 起 就 和 急 救 医 学 有 千 丝 万 缕 的 联 系 。20 世纪 60 年代, 美国国家宇航局NASA 已 经开始远距离医 疗技术的探索, 宇航员的身体状况使用远距离医疗技术监测护理。 最近几年国外还把远距离医疗技术引进到医院的急救中去。Maryland 大学成功开发的一种远程救护车动态医疗救治系统, 在伤员送往医院 途 中 车 中 的 医 疗 系 统 就 可 以 把 医 护 人 员 关 注 的 伤 员 的 多 种 生 命 参 数 远 距 离 传 送 到 急救中心, 这样以来伤员在赶往急救中心

24、的途中, 伤员的身体状况就已经被医师初步的判断,做好急救的安排。 3第一章 绪论 2 应 用 在 军 事 : 现 代 战 争 是 在 高 科 技 发 展 的 驱 动 下 , 在 高 强 度 、 短 时 间 、 全 方 位等技术背景下开展的剧烈军事对抗, 因此具有病房灵活移动和患者快速救治等特点。 传统的救 护方式己经不能满足现代战争对医疗救治的要求, 一定要找到效率更高的救治方式。远程医疗已步入各国军队的视野。 远程医疗技术国外开展的很快,特别是美国和欧洲等国家。 我国 的远程医学活动开展是在 20 世纪 80 年代。从 20 世纪 90 年代中期正式启动,在中国卫生部提出的 “金卫工程 的指

25、引下, 远距离医疗救助的工程分别开始实施, 我国远程医疗事业正大步向前开展。 目前, 有着国内外远程医疗监护系统的技术作为铺垫,在 特 殊 场 景 下 一 种 基 于 无 线 短 距 离 传 输 技 术 的 人 体 生 理 参 数 监 测 传 输 系 统 逐 渐 成 为 国内外学者的研究热点,这种技术正逐步得到社会的认可 和应用。 1.2.4 无线短距离医疗监测的开展 目前, 蓝牙/RF 射频、 无线超宽带UWB 和 IEEE802.11 等较近距离无线数据传输的技术在无线医疗监护系统应用广泛。 据市场调研公司 Frost & Sullivan 的一项新报告说明, 随着对远程病患监控或

26、远程医疗这项技术需求的增长, 特别是在家庭保健机构、 疾病控制公司和临床试验组中, 该项技术向前迈出了一大步。报告指出,近距离无线通讯技术 (NFC ) 、 安 全 数 据 管 理 和 无线传感平台技术的到来, 引发了一场医疗保健提供方式的变革, 那就是从以医院为中心,转变成以病人为中心。 从这个近期发布的报告中得悉在远程医疗监护技术的推动下, 近距离无线医疗监护技术迅速开展,以后的医疗信息化不是远程医疗监护或近距离无线医疗监护的信息化,而是二者合一的信息化。 1.3 论文的 内容 与结 构 1.3.1 论文的内容 主要研究内容包括以下几方面: 1 单个病房的多点温度信息采集, 采集节点在设计

27、时, 使用带有单总线技术的数字温度传感器,它节约单片机的 I/O 口资源,降低了开发本钱,使开发电路更加简单; 2 单个病房多参生理参数采集, 包 括温度和脉搏。 病房脉 搏采集, 护 士站接收脉搏数据判断, 过平安线报警; 病房体温采 集, 护士站显示体温数据, 并绘制出体温变化曲线; 4 长安大学硕士学位论文 3 多病房生理参数采集,病房与护士站之间的通信采用 RF 无线通信方式,护士站运用轮询方式接收病房采集的信息。 1.3.2 论文的结构 论文分为五章,其中第三、四章是本论文的核心 。 第一章主要介绍了论文的研究目的、 意义、 论 文的背景, 主要讲述了生理参数监护系统的现状与开展;

28、无线医疗监护技术的应用与开展; 远程医疗的国内外开展和无线近距离医疗监护的开展;论文的研究内容和论文结构。 第二章介绍多点无线生理监护系统的设计思路和总体方案, 给出总体结构; 通过详细介绍传感器方案、无线通信方案和器件选型,确定了本系统的具体设计方案。 第三章介绍了本系统硬件的设计, 包括生理参数采集和接收节点电路、 电源转换电路、射频模块电路及硬件接口电路等设 计。其中着重介绍了节点硬件设计和射频模块 。 第四章系统的软件设计, 讲述了监测系统 的通信协议等; 详细介绍了多 个模块子程序和射频流程及代码实现。 第五章介绍了制版的流程,并对实验结果与结论进行了阐述。5长安大学硕士学位论文 第

29、二章 无线监 测系统 方案设 计 人体的生理参数监测方法有很多种 , 体温和脉搏监测是人体生理参数监测中比较重要的两个方面, 它们可供选择的器件有多样。 因此, 系统的设计方案 要以完成任务为前提,考虑设计场景,选用器件时 要选参数可设、本钱低、不易坏、易更换等特点的。 2.1 系统总体设计思路 对于本论文的多点无线生理 参数监护系统来说,整个系统由 病房的数据采集节点和护士站的数据接收节点两个局部 组成, 两者之间通过无线通道通信。 系 统整体结构图如图 2.1 所示: N 1 病 房1体 体温 温显 示计 计5直 插nRF护士站单 片INT1单 总 线2401机脉 搏 采 集INT0报 警

30、采 集 节 点RS232nRF病 房n 单片 机2401N 1体 体温 温显 示计 计接 收 节 点5直 插nRF单片INT1单 总 线2401机脉 搏 采 集INT0图 2.1 系统整体 结 构图 对于本文设计的无线多点生理参数监护传输系统来讲, 整 个系统由多个病房采集节7点,一个护士站接收节点组成 , 两者之间通过无线通道通信。 数据采集接点负责 资 料的采集和发送; 数据接收节点负责数 据的接收和处理。 每个病房的采集 节点由一个无线收发模块、一个微控制器、 一个脉搏传 感器、 一个显示器和多 个温度传感器组成, 温度传感器的数量和病床数对应, 传 感器采集到的温度和脉搏信息通 过短距

31、离有线方式传送到病房微控制器, 然后通 过无线 射 频模块发给护士站接收节点 , 接收节点的射频模块收8到数据后经过处理和判断,最后通过 RS-232 串口在显示屏上显示 ,并对异常情况进行报警。 在多址识别方面, 每个传感器都有唯一的地址序列号, 射频模块也有各自的地址,接收节点根据该地址进行识别。 1. 根据系统的特点,总结系统的要求如下 : 1 体积小。小体积的监护系统,节省的空间好留作它用。 7第二章 无线监测系统方案设计 2 高可靠性。 设计要尽 量减少外界对它的干扰, 有一定的 抗干扰能力。 按照要求 系统必须在需要生理参数数据时可靠的将数据传到护士站,所以系统实时性很高; 3 低

32、本钱。传感器很多,所以别忘考虑本钱。 4 可移动性。 设计的系 统本着方便的原 那么, 针 对在紧急的和特殊的情况下, 可灵 活移动显得格外重要,而且要便于安装和更换。 2. 根据系统的要求,系统方案设计时要具体考虑以下几点: 1 选传感器时应考虑 结构简单、 无损伤、 精度高、 可重复使用 , 使用时舒适 等优点; 2 在硬件设计时, 原理图设计时要多加信号指示灯, 便于硬件调试;PCB 布线 时尽量手工布线, 多用蛇形线; 选择器件时多考虑带有总线技术的器件, 为节省处理器有限的 I/O 资源; 3 由于使用无线数据传输技术,系统越稳定 越好; 4 在软件设计时, 各传感器和无线射频模块的

33、时序问题不可无视, 软件设计要模块化,每 个子程序完成各自的功能,最后由文件包含和函数调用联系到一起 ; 5 经过软件设计要降低 传输的误码率。 2.1.1 系统的硬件设计思路 根据系统的总体设计思路, 提出硬件设计思路, 因为在时间上护士站对病房实行轮询访问 (1-N ) , 因此总体系统的硬件结构图在某个时间点上可以简化成点对点的结构图如图 2.2 所示。 护士站病房N 1报警体 体温 温显 示计 计5RS232无 线 模微 处理无 线 模微处INT1单 总 线块块器理器脉 搏 采 集INT0接 收 节 点采 集 节 点图 2.2 系统结 构 图 数 据采集节点由采集传感器、 微 处理器、

34、 显示模块和无线传输模 块组成。 数据接收节点由无线传输 模块、微处理器、报 警器及计算器构成。 采集传感器 将采集的体温和脉搏数据 经过 A/D 电路转换成数字信号 后在微处理器内处理, 对采集的 脉搏进行显示, 然后由无线传输 模块打包送出; 数据接收 节点收到采集节点的数据后, 将数据按照通信协8 长安大学硕士学位论文 议拆包, 取出里面的有效 数据在微 处理器处理 (包括脉搏数据判 断和体温数据上传)后通过串口发送给计算机,由计算机 对采集到的数据进行分析、 处理和显示。 系统硬件实现简单, 数据由无线模块传输, 微处理器使用 STC89C52 进行信息处理。数据接收节点与计算机通过串

35、口通信,由芯片 -232 完成接口电平转换。 多点无线监护传输系统主要功能如下: 1 无线远程体温采集传输功能; 2 无线远程脉搏采集传输功能; 3 接收节点报警功能; 4 接收节点体温数据显示和曲线绘制功能; 5 采集节点脉搏显示功能。 2.1.2 系统的软件设计思路 写程序时使用模块化设计理念 , 系统中各主要功能模块 都有自己的头文件, 通过文件包含联系到一起, 各个功能的子函数组成了头文件, 通过主函数调用各个子函数完成无线生理参数监护系统的功能。 无线生理参数监护传输系统的软件结构程序主要包括: 生理参数采集和无线数据传输程序, 护士站数据接收、 判断、 报警和显示 程序。 护士站就

36、是通过程序写不同病房节点的硬件地址来区分数据的, 单片机通过传感器的初始化来区分患者的身份。 程序设计包括病房节点发送端和护士站接收节点 两套程序,通电后先进行初始化设置。 2.2 系 统方 案 2.2.1 数据采集方案 1 温度传感器模拟温度传感器信号需要经过取样电路、 放大电路和模数转换电路等, 因此导致电路中元器件数量增加、 设备体积变大 、 测试系统的可靠性也降低。 而且模拟信号不适合长距离传输, 容易产生误差。 特别 在多点温度检测时, 模拟传感器的各敏感元件参数的不同或各采集引线不同, 都可能产生测量误差, 并且很难去除。 此外, 模数转换 电路系统的精度也不高,存在非线性、互换性

37、等缺陷 。 数字式传感器产生的信号用 信号处理器可直接对信号进行处理。 数字信号具有极强的抗干扰能力, 而且一般也不会受信号放大设备和处理单元的温漂的干扰。 尽管存在温9第二章 无线监测系统方案设计 度转换慢和测量范围窄的缺点 , 与它的优点相比, 已经显的微缺乏道, 传感器技术数字9化进步得到人们更 多的重视 。 由于智能温度传感器 输出的信号可直接连接微控制器的 I/O 口,因此 采用数字式。 2 脉搏测试仪 随着 科学技术的开展, 脉搏测量技 术对脉搏测量精度的要求也越 来越高, 不同类型的脉搏 测量仪在国内外横空出世, 其中 对脉搏传感器的研制意义重大。 早先 对接触式传感器的研究主要

38、用于体育 测量的脉搏 测试, 利用 这类传感器所研制的指 脉、耳脉等测量仪各有其优缺 点。指脉测量简单、 方便, 测量灵敏度高; 耳 脉测量比 较干净, 传感器使用环境污染少, 容易 维护。 但因耳 脉较 弱, 尤其是当季节变化时,所 测信号受环境温度10影响明 显, 造成 测量结果不准确 。 以前常用的日常 监护仪器, 比方便 携式电子血压计,它可以 实 现 脉 搏 的测 量, 但 是 每 次 使 用 时 都 需 要 微 型 气 泵 实 施一 个 加 压 和 减压 橡 胶 气囊的过程, 而且 这 种血压计存在体积大、 加 减压过程会有不适和脉搏检测的 精确度低等缺陷。 近年 来出现的光电接触

39、式的传感器受到了 国内外开发人员的青睐 , 这类传感器的典型特点 是测量时不用侵入机体, 不伤 害机体, 能够自动消除仪器本身系 统的误差,测量精度高,通常在体外,主要是在体表 间接测量人体的生化和生理参数 。 2.2.2 近距离无线通信技术方案 对于一个无线通 信系统来说,方案的选择考虑如下: l 功能稳定 性 不仅要求完成生理参数的采集和传输,还要求系统的可靠与稳定 。 2 开发的复杂度低 元件数量 和通信协议的复杂程度直接影响系统开发的复杂性, 因此应该选择外围元件少和通信协议简单的收发芯片。 3 本钱低 除完成系统功能和开发简单以外, 要保证设计的本钱尽可能低, 应该选择 收发芯片所需

40、的外围元件数量 少的器件。 根据本论文的应用场景和系统功能要求, 选择短距离无线通信技术就可满足设计要求。下面是方案 比照。 1112(1)红外通信技术(IrDA ) 10 长安大学硕士学位论文 红外通信技术 (IrDA ) 是利用肉眼不可视的红外线进行信息传递, 是现在应用最广的通信技术。1995 年经过技术升级通信速率到达了 16Mbit/s , 通信的 发送方和接收方具有严格的方向性, 不能进行角色互换, 而且只能 完成点对点的通信方式。 但它具有体积小, 连接方便, 传输干扰小, 本钱低的特点。 开发人员根据它的特点把它应用到遥控器,PDA 等移 动设备上面。 红外技术缺乏的地方是它是

41、一种视距传输技术、 发射视角小、 有效距离近、 只限于两台设备之间的数据传输, 而且在数据传输时, 两台设备之间不能有障碍物、不能用于移动的设备,此外,IrDA 中的核心部件 LED 易 坏。 (2)蓝牙技术(Bluetooth ) 蓝牙技术支持网络语音数据传输。 使用时以多个无线的微微网组成分布式网络, 从而方便, 快速的实现各类设备之间的通信。 蓝牙定义了 100mw 、25mw 和 lmw 三种功率等级。蓝牙在使用时发现了很多优点,但也存在许多缺乏,而且本钱还不低 。 (3)IEEE802.11bWi-Fi IEEE80的最大优势,但因为这种设备还比较贵,阻碍了其大规模的推广。更新、更快

42、的 Wi-Fi标准正在制定之中。 速度更快的 802.11g 速率达 54Mbit/s , 速度是 802.11b 的 5 倍, 并且包含 802.11b 的全部好处,而下一代的 Wi-Fi 标准 802.11n 速度有望到达 100 M bit/s 。 13 (4)UWB超宽带技术Ultra Wide Band ,UWB 是一种集高速、低本钱和低功耗于一身的新无线通信技术,它主要应用在小规模、 分辨率高、能够穿透障碍物 的雷达和图像系统中。此 外 , 这 种 新 技 术 适 合 应 用 在 对 速 率 要 求 比 较 高 的 系 统 中 。 但UWB 通 信 也 存 在 缺 陷 ,因为UWB

43、 工 作 时 占 用带 宽 宽 , 会干 扰 其 它 无线 通 信 , 因此UWB 正 式 运 行 存 在争 议 ; 另外,还有学者认为UWB 会干扰到民航通信的正常工作。 (5)微功率短距离无线通信技术 无线通信模块一般由微控制器、 射频收发芯片和少量外围器件构成。 一块芯片集成了无线通信的主要功能。全部的高频元件包括电感、振荡器、电容等都放在芯片内部,协调性好, 性能稳定且不受外界干扰。 射频芯片一般采用频移键控的调制方式, 工作于工业、 科学和医学三个领域的全球开放频段, 通信模块协议简单, 通过软件可以完成发射功率等全部工作参数的设置, 只要依据操作命令字就可完成根本的数据无线传输功能

44、14,开发者 不用对无线通信原理和工作流程有 全面的了解。 各种无线通信技术适合于不同的应用背景,其技术比照 如表2.1所示。11第二章 无线监测系统方案设计 表2.1 近距离 无线通信技 术数 据比较 射频收发芯片红外 蓝牙 比照规格 802.11b UWB IRDA Bluetooth nRF2401等 无线传输 2.4GHz 无 3.1-10.6GH 2.4GHz 2.4GHz 红外光 媒介 线电 波 z 无线电波 无线电波 无线电波 传输速率 小于 大于 小于 小于 1M bit/s M bit/s 4M bit/s 2M bit/s 500M bit/s 1M bit/s 传输距离

45、20cm-1.2m 300 10 10-100 10-100 移动能力 差 好 好 极佳 极佳 窄角 小于全向 30 度角, 中 全向 中间 全向 中间 全向 中间方向性 中 间可有间不能放 可有障碍 可有障碍 可有障碍 障 碍 障碍物 本钱 很低 很高 很高 高 很低 功率 100 毫瓦 非常低 100 毫瓦 1 毫瓦 点到 点, 点 点到点, 点 点到点, 点 点到点, 点传输方式 点到点 到多 点 到多点 到多点 到多点 应用于近 应用于近家庭中的 距离无线 距离无线近距离数 企业 型无各种家电 通信方式 通信方式主要用途 据输, 近距 线局域网 设备之间 替代有线 替代有线离遥控的连接

46、 通信的地 通信的地方 方从以上的 表格比照中可知, 射频收发芯片就脱颖而出。 无线射频收发芯片的种类多,在设计时选择适宜芯片可以节约开发本钱,缩短开发周期。 2.3 器 件选 型 2.3.1 数字式温度传感器的选择 15选择出合 适的数字温度传感器, 应该 考虑以下几点 : 外 围电路要尽可能 简单; 测温的精度、 分辨率要适宜 ; 温度传 感器能否满足多点测温; 占用的微 处理器 I/O 引脚数要尽量少,节省下来的 I/O 口可以用来增加其它功能。 现在应用比较广的数字温度传感器有以下几个: 161AD7418 是 ADI 美国 公司生产的集测温和控制为一体的集成电路。内部包括带隙的温度传

47、感器与 10 位 A/D 转换器两局部。其测温范围:-55+125 ,分辨率:, 精度为 ± 2, 具有 10 位数字温度输出值。AD7418 在单总线上可以最多挂接 8片。 12 长安大学硕士学位论文 172LM74 是美国国家半导体公司生产的把带隙式温度传感器和 A/D 模数转换器集成于一块芯片。 具有性能稳定、 线性度好等优点。 通电后自动的按规定的频率对温度进行测量,并自动把采集的数据转换成处理器可识别由“0 或 1 组成的数据存起来处理器可以在任意时刻读出传感器温度值。LM74 具有休眠功能,在休眠的时候消耗的电流不高于 10 微安,特别适合功率消耗 要求严格的系统。 18

48、36575L/H 是 单总线式的数字温度传感器 , 由美国 IM 公司生产。 具有线性好、 功耗低, 而且开发程序容易, 调试简单, 使用简便等优点, 测温范围: -40+125,误 差 范 围 :25 时 误 差 在 ± 3 之 内 ,85 时 误 差 在 ± 4.5 之 内 ,125 时 误 差 在 ± 5 之内。但因为 6575L/H 在测温范围内工作引起的非线性误差大,因 此需要进行非线性温度补偿。 而且在一根 I/O 总线只准同时最多挂接 8 个 6575L/H 进行多点温度检测。 为了保证多个传感器同时挂接时不出现测温数据重叠现象, 6575 配 置了

49、 “L 和“H 两 种型号 的传 感器, 它们 使用方 法相 同,对 于同 一种型 号的 传感器 可以 分时段进行访问。 但 6575L 只适合近距离传输, 远距离检测效果很差, 有效传输距离是 5米。 194DS18b20 是美国 Dallas 半导 体公司继 DS1820 之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。 与传统的热敏电阻不同的是: 它不仅可以直接读出被测温度值, 还 可根据具体的要求借助简单的编程就可实现 912 位 数字温度的读数。 读 9 位元时需要 93.75ms 、读 12 位元时需要 750ms 。它因 为有独特的单总线接口方式,可允许一条总线上可挂接少那么数十、多那么

50、上百个的数字温度传感器。这样不仅大大节省了处理器的 I/O 口资源,而且传感器要求的外围电路少。DS18b20 的另外一个特点是可以通过总线直接供电, 不用外加电源。 还有本钱低, 体积小, 可靠性高的特点。DS18b20 的测温范围-55+125,。 在多点温度检测方面, 由于每一个 DS18b20 出厂时 ROM 中都有唯一的一个地址序列号,只要 CPU 用 简单的通信协议就可以识别,这样就大大节省了引线和逻辑电路。 Dallas 公司 的单总线技术具有很好的性价比,有以下特点: 1.适合应用在低速监测场景,监护对象越多越能表达其优越性; 2.性价比高,安装和维修方便,抗干扰性强; 3.C

51、RC 校验 ; 4.开发程序容易。13第二章 无线监测系统方案设计 表2.2 几种 数 字 温 度传感器的比较 传感器 适用总线 温度准确度 温度范围 最多挂接传感器数量 2LM75 I C 3 -25+100 8 LM74 SPI 3 -55+125 8 6575 1-Wire 0.8 -55+125 8 DS1820 1-Wire 0.5 -55+125 80100 1-Wire DS18b20 0.5 -55+125 80100 , 分辨 率可编程 单总线 由于 DS18b2 的单总线接口方式, 特别适合应用在多点温度检测的场景, 占用 MCU的 I/O 引脚资源少, 通 信协议简单, 本钱较低 , 传输距离 远, 和其它 数字式的相比,它更适宜,所以,选用 DS18b20 作为本系统体温测量的传感器。 2.3.2 脉搏传感器的选择 现在 脉搏传感器很多很杂, 主要有四类 :1) 压力传感器;2) 光电传感器 , 原理是根据脉管容积的变化来反响脉搏;3) 传声器, 根据声学原理拾取由脉搏引起的振动;4)超声多普勒检测技术。 1 压力传感器 常 用的压