【智能医疗监护系统的硬件和软件设计案例5200字】

智能医疗监护系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-2"\h\u13367智能医疗监护系统的硬件和软件设计案例 1197431系统硬件设计 1286251.1系统硬件描述 151011.2CC2530 2178461.3生理参数传感器模块 5199552系统网络的设计与实现 7134752.1IAREW开发环境 7147982.2Zigbee协议栈 862202.3Zigbee组网 1096652.4传感器数据采集设计 11系统硬件设计系统硬件描述网络协调器、路由器和连接传感器的终端节点是zigbee无线网络中主要的三种节点类型。协调器节点是上位机管理网络各个新的终端节点的信息传递的一个直接汇集点，是上位机管理网络的一个重要核心网络节点，负责网络组建、维护和管理运行整个网络，并通过一个视频串口通信方式直接实现各个新的上位机网络节点和各个上位机之间的数据交换；zigbee协调器节点具备较强的网络通讯控制能力、处理数据能力和数据信号发射能力，可以把数据从各个接收端发送到各个遥控器[21]。路由器终端节点主要功能是一个节点负责向其他用户节点转发的终端数据包和资源的发包，进行一个用户终端数据的双向路由性和多路径性的搜索和数据路由性的维护，允许一个用户将终端节点数据添加连接到自己的终端网络上并同时辅助其他子节点之间进行网络通信；一个路由器终端节点作为一个终端网络节点和其他协调器终端节点之间的网络通讯工具中继，它为最终端的终端网络节点和其他协调器终端节点之间的网络通讯中继工具连接提供了一个好的连接。终端处理节点经过一个传感器进行采集后得到了关于人体的一些生理学信息参数(通常例如人的体温、脉搏等)，再对处理数据信号进行一个a/d信号转换，经由mcu处理后，通过一个射频控制模块将处理数据进行传送连接到一个射频路由终端节点或者一个协调器的终端节点。此系统的重点硬件设计是针对终端节点(传感器节点)，终端节点的结构体系主要由三部分组成，包括Zigbee模块、传感器模块和电源模块，如图3-1所示。zigbee网络中的zigbee模块主要是负责对整个网络各节点的数据进行集中处理、节点通讯、信息接收控制和路由协议等操作；传感器模块主要负责对前端进行检测并对人体多个微小动物生理参数进行采集；电源模块负责对整个系统以及各模块电路能量的供给。其中传感器实现的工作原理如下：zigbee模块把各个传感器采集到的生理参数信息(如体温、脉搏等)通过串口传输到PC机，在PC机上进行显示和处理，并且能够通过Zigbee网络实现节点之间的通信[22]。本论文文的论文文章中的一个硬件控制电路设计就是通过采用2.4-GHz

\t"/item/cc2530/_blank"IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE来设计实现实际应用的真正片上控制系统(SoC)CC2530作为控制核心，加上外围的传感器和扩展电路来构成微型无线传感器网络节点。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s11硬件系统模块CC2530CC2530芯片CC2530芯片内核方面它采用的是8051CPU。数字机的内核和外部控制装置均由一个1.8-v低差直流稳压器用来进行直流供电。提供了高节能效率的通用电源电能管理控制功能，可以轻松实现对用于使用各种电源供电管理方式的较短功率电池使用寿命下的低消耗功率电源运行。有五个不同的一次复位数据来源可以进行一次复位。其中的无线装置也包含一个数据库内容包过滤器和地址标识模块。内部结构如下图3-2所示。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s12CC2530内部结构图CC2530外围电路CC2530作为一种单芯片集成在片上的系统(soc)，内部有许多具备高性能的模块，因此，芯片只要在工作时需要很少的外围元件就已经可以完成，外围电路也相对比较简单，它的外围应用电路结构如下图图3-3所示图STYLEREF1\s3-3CC2530外围电路图cc2530芯片内部有21个i/o引脚，它们被划分成三个端口:p0、p1和p2。它可以同时使用八个位的p0和p1端口，而只有五个位p2端口。这些i/o端口既可以被设计成普通的端口，又可以被设计成一种外围电路。当它们被用作输入端口时，它们都具有上拉或下拉的能力，并且可以响应外部中断。其他19个引脚的作用如下:GND需要作为接地引脚接地；RESET_N为RESET引脚，低电平有效；AVDD1~ACDD6为一个用于模拟动力电源的一个连接引脚，能够给整个模拟能源电路的每个输出端端口提供2.0-3.6v的额定工作电压。 DVDD1~DCDD2为一个用于数字回路电源的一个连接引脚，可以用来给一个数字电路的一个输出端口器提供2.0~3.6v的最高可靠性和最低工作电压； XOSC_Q1和一个XOSC_Q2分别用来表示的信号是32mhz晶振的一个引脚1和一个引脚2；RF_P和它的RF_N分别看作是一个射频去耦天线的两个输出和射频接收器的两个输入引脚，RX时正负极的射频去耦信号分别同时输入到LNA； DCOUPL提供1.8v的射频去耦输出电压，可以不根据需要直接依靠外部的射频电路元件进行供电；P2_2和P2_3是与32.768kHz晶振相连的复用引脚，一般不作为常用I/O端口使用；USB转串口设计对于协调器来说USB转串口的各种功能都是必须具备的，协调器也就是我们可以直接通过它与计算机进行连接，从而更加方便我们查询到相关的数据。本次控制系统主要使用ch340g芯片进行实现这一功能。ch340g支持两种不同的电源和工作温度，可以从来自usb取电，符合usb2.0标准，只是需要很小的外部组件。22pf的c2和c3电容经过引脚接地以稳定的频率进行振荡，1引脚接地，16引脚通过去耦电容c4和c5后分别连接到3.3v的电压，其他引脚连接到调制解调器。USB转串口如图3-4所示。图STYLEREF1\s34USB转串口生理参数传感器模块体温传感器作为常用的数字温度传感器，DS18B20被广泛使用，它输出的是数字信号，并且它具有的特点如下：体积小，抗干扰能力强，精度高。其引脚图如图3-5所示。因为ds18b20的独特性，在使用时只需要一条线就可以顺利地实现其与MCU的双向通讯连接电路图如图3-6所示。图STYLEREF1\s35DS18B20引脚图图STYLEREF1\s36DS18B20连接电路图DHT11DHT11主要设计应用了专门的各种数字采样模块自动采样处理技术及各种温湿度自动传感采样技术，确保了每个产品必须同时具备极高的质量可靠性和卓越的长期稳定。所以本次评测产品特别需要具备体现了其硬件品质优良、超快的现场响应、抵抗外界干扰能力好、性价比很高等四大特征。每个dht11传感器均在极其精确的空气温湿度标准校验室里对其进行了精确校准。校准后的系数数据作为应用程序的一种数据形式被自动储存并传到了otp的内存中，传感器内部在对信号检测器收到的这些信号信息进行数据处理时候还需要手动调用这些数据校准后的系数。DHT11采用三脚式单排电源直插，1端口电压为3.3v的输入电压。3端口为无线网络接地，2端口作为连接应用到一个cc2530芯片的一个i/o控制端口。模块的整体原理结构框图整体结构如软件图3-7所示，实物原理框图整体结构如软件图3-8所示。 图STYLEREF1\s3-7DHT11模块原理图 图STYLEREF1\s3-8DHT11实物图MQ-2传感器MQ-2气体导电传感器中所广泛使用的一种气敏导电材料主要用途是广泛指在洁净的低温空气环境中电导电效率相对较低的气体二氧化锡(SnO2)。例如，当检测传感器所在位置或其所在的空气环境中可能存在可燃的惰性气体时，传感器的电导率可能会因为进入空气环境中的可燃性化学物质气体浓度的不断减少而逐渐变得增加。电导率的一种改变方式可以是通过转换采用简单的逆变电路，转换表示为一个信号对应特定气体的离子浓度值。mq-2气体蒸汽传感器不仅能够对检测液化天然气体的氯丙烷和其它氢气蒸汽进行精确检测并同时具有很好的检测灵敏性。 图STYLEREF1\s3-9MQ-2电路图系统网络的设计与实现IAREW开发环境在设计与开发软件时，本系统的无线网络通讯的设计和完成都离不开针对zigbee协议栈的理解和学习。TI公司通过自主开发研制的开源zigbee网络协议栈z-stack网络技术已经发展成为了一个处于世界性的技术领先网络行业，符合国际版IEEE802.15.4标准、应用广泛的一种新型开源网络协议栈。本次课题研究中所需要采用的软件协议栈z-stack-cc2530-2.3.0-1.4.0版本在IARembeddedworkbench(ew)的强大技术支持下实现本文的软件开发和系统设计。iarew中的软件开发界面整体结构如软件图4-1所示。IAR系列嵌入式计算机专用工作台系统是由瑞典iar软件系统公司进行自主开发研制设计开发。iar嵌入式企业工作台软件是一种新型的企业集成化系统开发软件环境，特别适用于企业嵌入式操作系统的软件开发。它可以为各种ARM、MSP430、AVR微处理器和微控制器提供一个熟悉且易于使用的开发环境。IAREmbeddedworkbench系统产品的主要功能特点有以下几个:1)具有高标准c语言的兼容性；2)全面扩展软件工具3)简单方便的调试和管理4)支持大小优化器，程序运行速度也可以进行相应的调整5)支持一个项目集中的工作路径。图STYLEREF1\s4-1IAREW开发界面图Zigbee协议栈Z-Stack2007年4月，德州仪器（TI）正式宣布推出了一款已在行业内具有国际技术领先的基于zigbee收发协议z-stack(z-stack)，符合国际zigbee2007规范，支持多种收发平台，包括基于fpga的cc2530收发器和基于timsp430超低电源功耗的mcu的收发平台、cc2530soc的平台和cc51rf-3-k等。z-stack网络包含了一个几乎完整的和多功能性的全网状和多模式路径的互联网络拓扑化的协议栈，并且在整个竞争激烈的网络zigbee网络领域中一直扮演着很大的重要角色。Z-Stack环境文件编译可以直接经由iar对开发者的环境文件进行免费编译或者免费下载。根据基于IEEE802。15。4和基于zigbeee的技术标准，z-stack主要功能划分表现为以下几个层:api(用于嵌入式应用软件程序的可编程系统接口)、hal(应用软件系统硬件抽象层)、mac(软件媒体访问控制)、nwk(zigbee网络层)、osal(软件操作系统的硬件抽象数据处理控制系统)、zdo(zigbee网络设备处理对象)。这种基于协议化的堆结构可以广泛用来用于实现复杂的数据网络连接例如链路及管理协调器网络节点连接中的网络路由表和网络绑定中的数据库路由表的非易失性数据存储，因此该堆的网络连接需要同时具备一定的数据存储和使用记忆库的功能。Z-Stack是利用了操作系统的设计理念来构建，并且是一种事件周期性的循环机制。系统框架图如图4-2所示。图STYLEREF1\s4-2Zigbee协议栈工作流程图OSAL介绍OSAL已经是整个协议栈的一个应用核心，z-stack的任何一个应用子系统都被自动认为已经是一个osal的应用任务，所以当我们在栈中设计一个应用系统层的任务时候，就势必需要自己手动创建一个osal的应用任务系统才能正常地独立运行。任务事件初始化重要的操作步骤一般有以下几点：包括初始化系统应用服务中的变量、分配任务层的id及堆栈服务中的内存、在af层重新注册系统应用服务对象、登录所在层需要的osal或者hal层的系统应用服务、任务事件处理等。osal为整个用户系统提供了以下的存储服务与数据管理：任务信息执行管理、任务执行同步、中断、时间执行管理、任务执行管理、电源存储管理、内存存储管理、非易失性存储管理。Zigbee组网Zigbee网络中，协调器主要负责驱动整个网络。它也可以说是互联网网络中的第一个装置。协调器首先选择一个通讯信道和一个区域网id(也被统称为panid，即个人区域网id)，然后开始启动整个区域网。在网络正式启动后，终端节点将向协调器发送申请，要求加入网络，协调器接受了同意将终端节点添加到网络中，终端节点将被添加到网络中并与协调器进行捆绑。图4-3为这三个设备组建网络发现网络以及添加到网络时相同执行部分。图STYLEREF1\s4-3协调器和终端节点相同执行部分之后当一个设备以协调器作为节点的路由时，会向整个网络层发出一个形成节点的网络请求，协议栈同意了协调器的节点并且整个网络构建成功，接着又给予zdo层的网络节点形成的反馈信息，之后再向整个网络节点发送一个网络开始启动的事件，如此协调器基本上就已经创建和配置好一个无线网络了。当一个网络设备已经是可以作为一个用户终端的网络设备时，会向一个用户终端发送一个关于网络要求可以随时发现的网络请求，如果一个用户可以发现所有的这个网络都已经存在时，网络层将可能会通过提供信息给予zdo的上层成员发现的一个网络要求可以对其进行再次反馈的网络信息，随后由一个用户向网络层成员提出一个已经加入的另一网络发现要求，加入一个网络成功时，网络层将可能会通过提供信息给予zdo的上层已经加入的一个网络要求可以对其进行新的反馈。传感器数据采集设计只有当网络建立并加入后，ZigBee设备才得以能够传输数据。在对传感器进行数据采集中，首先要建立一个协调器和传感器各个节点的绑定。然后将采集到的生理参数值发送给协调器，协调器会从串口将数据发送到PC机，并在PC机上显示DS18B20温度传感器程序设计DS18B20的一个核心作用就是其直接的数字温度传感器，使用时先初始化，然后读写温度数据。其主要的程序流程图如图4-4所示。图STYLEREF1\s4-4温度传感器流程图其中温度传感器初始化的内容主要包括:将