【基于Zigbee无线传输技术的智能医疗监护系统设计15000字（论文）】

基于Zigbee无线传输技术的智能医疗监护系统设计摘要随着社会的发展以及物联网技术的普及与应用，人们对自身生命健康越来越关注。如何通过现代科学技术来测量一些生理参数，从而达到对人体健康的监护是本文所要做的工作内容。社会竞争的激烈，生活节奏的变快，使得发病对象不断年轻化，同时老龄化使得人们对医疗的需求不断加深[1-3]。针对这些情况应该有更加智能的设备来通过监测他们的一些特定的生理参数来确保其身体的状况。该模型的主控制电路使用CC2530，传输方式为Zigbee。通过结合一些特殊的传感器和Zigbee的无线传输技术，可以监视人体生理参数。系统的主要模块包括传感器模块（连接器），协调器模块和无线电传输模块。然后，软件设计将多个模块组合在一起工作。实施此系统进行智能医疗监控系统设计。关键词：监护系统；CC2530；Zigbee；医疗传感器目录197661总体设计 总体设计设计背景如今，伴随着我国社会主义市场经济和现代化科学信息技术的快速进步和发展，21世纪中国迎来了三大重要的技术革命，其中在信息和网络通讯等各个方面的革命已经使得世界万物互联，给我国人们的生产和社会带来了巨大的机遇和改变，人们的生产劳动水平和健康意识都已经发生了很大的改变，但同时伴随着现代化和医疗环境条件的改善，人们寿命也逐渐增长，全世界都在老龄化，加上我国的社会竞争愈来越激烈，从而造成各种老龄化使得我们在生活和学习中的各种压力接踵而至，再加上一些不良的生活习惯，使得心脏病、冠心病、高血压、心力衰竭等心血管疾病的患病人数与死亡人数处于不断上升的阶段，并且发病对象不断年轻化。根据一项调查统计资料分析表明，处于高度亚健康生活状态的在职工作者们大约占了70%左右。随着21世纪的不断发展和深入，根据世界卫生组织的最新统计资料，2050年，65岁及以上老年就业人口的劳动总数[4-6]的总规模将从2010年的5.24亿老年人口的规模迅速增加至达到将近15亿，新增的来年人口大多数在发展中国家。一项研究发现，"老年人口增长带来的疾病负担需要大量能够有效并高效诊断和治疗病情复杂患者的各种医疗工作者来解决。在我国现代计算机科学愈发成熟的现在，科学技术已经作为医疗的一个辅助工具，发挥了愈加重要的作用。生理生命参数是我们整个人体中最基本、最重要的一种人体生命参数指标，对于我们人体这些各种重要生命参数指标的生理参数分析进行实时监控更是为了帮助医疗卫生技术工作者，使其能够及时准确掌握患者具体病情的重要监测方法和有效手段。例如心跳脉搏，这个新名词其实就是一种在人的身体表面细胞能够直接触摸和感得到的各种弹性动脉间的搏动。人体循环系统主要包括人体心脏、血管、血液等各个器官所有的构成，负责转运，清理吸收存在人体血液中的大量氧气、二氧化碳、营养及一些人体废物。血液通过位于心脏的左侧左心室进行收缩而被心脏挤压后流入整个心脏主动脉，随即向人体全身各个主要动脉进行传递。动脉血管是由一个富有高度活跃性和弹性的大型结缔运动组织和大量肌肉细胞构造而成所形成的微血管道。因此，当大量的静脉血液从一条静脉中流出进入到与动脉的交会时就使得其血管道的扩张压力逐渐显得变大而使动脉血管径向外逐渐扩张，在我们体表比较深层的一条动脉就已经可以直接感觉得到此脉的向外扩张，即我们通常俗称的扩张脉搏。临床上常见于人的有许多不同的心脏疾病，尤其是急性心脏病，它们可能会直接导致心脏脉搏的速度改变。大量的临床研究数据资料分析表明，在那些患有类似高血压和慢性病的动脉硬化的早期疾病阶段，虽然并没有表现为突出的比较明显的疾病症状，但是由于血管壁的柔韧弹性、血压等以及一系列一些能够直接反映健康的重要因素和生理参数已经发生改变。这些也反映在了脉搏的变化中。所以，测量血压和脉搏是患者来说无疑是一种必须进行的检测和健康管理。而且中医则更多地把切脉用于诊治这种疾病的一个重要方法。总而言之，智能医疗监护系统的研发有助于解决医疗条件现况和人体健康需求的主要问题。使每个人能够及时方便的了解自身健康状况，提前对疾病的发生进行预防和监控，所有的这些都会帮助人们努力创造美好的生活具有极其广泛的社会需求以及重要的显示意义。国内外发展状况由于远程医学技术的发展水平并非非常均衡，美国和欧洲都远远超过其他国家。他们从初期开始起步时间早，国家政策投入力度大，远程医学支撑技术成熟。因为美国在卫星通信方面具备着无可比拟的巨大优势，美国最初所采用的第一个试点实验平台便是卫星通信，其中距离美国最远的阿拉斯加受益最大。这个地区确实是人口稀少，而且医疗服务资源十分缺乏。通过远程医疗技术，位于这种状态下的医学服务水平得到了巨大的提升。欧洲大部分国家都使用了移动通讯作为医疗远程服务平台。首先，欧洲已经具备了一个十分非常发达的移动通信互联网网络，其技术已经在国际上居于领先地位。第二，由于欧洲的特殊地理条件，我们可以直接利用移动通信对病人实施远程医疗[7]。1988年，美国第一次提出了远程医疗体系建设，认为它是一种开放分布式系统。1993年，Mora提出，一般监测健康过程大致来说可以划分为四个方面，即健康物理信号的采集与健康物理数据的传输，生理信息的分析，诊断，医疗。1994年，欧洲联盟电信发展局在BuenosAires举办的全球世界电信发展大会上首次明确提出远程健康护理问题。1988—1997年的10年里，一大批具有价值的项目陆续开始投入使用，它们象征着第二代远程治疗，其声势和效果都已经远远比第一代的技术水平更高更好。美国和西欧国家在远程医疗服务体系的建立和实施过程中，其发展的进度最快，远远超于一般国家。2006年，世界卫生组织(WTO)指出，急剧地伴随着全球现代经济社会的发展与进步以及人口老龄化社会的到来，各种慢性疾病的发生与出现，使得医疗保健和其他医疗资源日益严重短缺，越来越多地受到了社会各界的重视和关注。因此，如何充分利用有限的医学和监护资源给患者提供更高效的治疗和监测服务已经成为了一个热门的话题，也是亟待解决的课题[8]。2006年，奥尔胡斯大学发明和开发的AZWARE系统，为医师向患者咨询提供方便，从而将患者的医师由其办公室中释放出来，使患者的身体和生理信息都能够快速有效地被传输给医院的任何一个角落。现在，丹麦医院所采用的AZWARE监测系统能够支持20名医师同时进行监测患者[9]。1997年7月，中国金卫医学网正式成立，是中华人民共和国卫生部卫生卫星数据监测服务的专用网络。其使用情况标志着我国近几年来属于我国的临床医疗健康管理信息化体系建设技术事业已经逐步迈向了一个当代世界先进的技术水平。医疗服务的发展在国内外受到越来越多的关注，许多先进的远程医疗监控系统开始进入大众视野。这是远程无线传感器网络医疗监控系统的基础，该系统已针对先前的问题进行了改进。它完全融合了传感器技术，移动技术和远程服务的新概念，并成为一门完整的实用科学。目前，基于无线传感器和互联网网络的遥控医疗监测管理系统仍然正在进行探索和研究。系统功能本文的课题研究主要目的是在当前我国医院监护服务需求高的市场背景下，在引进无线传感器网络技术后，介绍了这一技术的特征及其应用范围，从而提炼并推广了zigbee无线通信技术。病房内部患者的身体和生理数据由自行化设计的无线温湿度传感器节点的温度传感器和心率传感器进行采集，病房内部的环境数据由温湿度传感器和烟雾传感器进行采集[10]。这些数据经由zigbee无线通讯技术向协调器节点传输。各个节点通过串口通信把相关的数据无线地传输给上位机，最终有关的数据都可以从自己所设计好的上位机软件中得到实时地显示。该系统采用的CC2530芯片搭配各种传感器从而实现该系统的功能，该系统的应用也意味着自动化式的产品已经越来越深受广大人群的喜爱，体现了自动化的发展的广阔空间，对于该系统的适用范围及安装位置上述已进行描述，在词不进行过多赘述。系统设计的研究任务和章节安排本文的主要研究内容如下:(1)学习掌握远程信息医疗、几种长距离与短距离应用无线通信网络技术及无线电与传感器通信网络等领域相关信息技术的基础研究及其发展趋势现状与应用趋势。(2)研究ZigBee通信原理、协议栈架构。(3)人体医疗监测中几种常见的生理参数及对应的单个医学传感器的选择。(4)研究CC2530中Zigbee协议栈的构建(5)设计了数据采集终端和整个系统的软硬件。全文共分六章，具体章节安排如下:第一章为全文绪论。首先简单地详细介绍了目前我国现代医疗卫生健康监护管理体制的技术研究与其发展以及背景与其重要意义，然后又详细简述了国内外医疗相关体制研究的技术发展与其现状，最后阐述本论文的主要重点研究课题内容以及其研究框架结构安排。第二章是在分析Zigbee技术上的对无线医疗监护系统的总体设计，包括对其中的无线传感器和网络技术部分作了说明，对zigbee通信技术的应用做了特别重要重点的介绍，并着力介绍了该技术的协议栈和各个网络协议层的主要作用。第三章是对系统硬件进行了需求分析、总体结构和相关硬件设计。第四章主要内容是涉及系统的相关软件设计，包括对于系统相关的软件平台设计进行详细介绍和分析zigbee各个协议栈的操作过程，以及所用到的相关硬件以及软件如何进行系统设计。第五章是系统的总体设计和测试，检验了系统的无线通讯性能和相关软件的功能，并对其测试成果进行了分析。第六章主要是学习的总结和展望，将学习内容整理为本部分，展望未来的工作。针对我们现有基础性工作存在的不足，指出了今后的工作方向。

方案论证总体设计方案本采集系统主要由采集生理健康参数分析采集生理传感器，zigbee采集生理节点和数据协调器三个大部分系统组成，对被诊断监护者的健康进行生理重要参数，例如患者身体内的温度、脉搏活动量等生理数据，各个作为数据采集点的节点对所有的需要进行采集的生理数据都同时进行了数据传输，通过天线构成的一个无线网络发送到各个协调器，随后由各个协调器对这些节点数据采集进行了分析处理，使数据通过RS232发送到PC机串口。系统框图如图2-1所示。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s11智能医疗监护系统系统框图传感器在当今这个高新技术快速发展的互联网信息时代，获取精准可靠的资料已经成为我们做好所有各项工作的基础和前提。因此传感器技术得到了飞速的发展。人类在经济和社会文明发展的过程中经历了几次重大的工业和技术革命，其从根本上表现为用机器(机器人)代替人的劳动。一般来说，人在参与做一项劳动的整个过程中，首先就需要通过运动身体内部的各个五官(其中包括人的眼、耳、鼻、舌、毛发和表皮)系统来准确感受接收到来自外界的生理信息，将所需要获得的内部生理信息传递返回到一个人的内部大脑并对其运动进行正确的逻辑思维和心理判断，然后再利用人的内部大脑作为指挥器来命令自己的全部四肢肌肉来运动完成某一个具体动作。从技术表观上来说，传感器已经成为能够完全取代了一类人的头和身体内部各个五官而用来直接完成外部感受而达到传送外界内部信息的重要功能，成为了实现传送信息人类内部感觉(自动响应)的重要电子器件。但还有更多的传感器可以检测人的五官所不能感受测量的一些外界信息，比如红外线、无味的气体以及有害的剧毒物或是各种各样微弱的电磁信号。因为这类型的电信号本身不仅具有较高的测量精度，可远程测量和实时控制数据范围宽，便于实时传输、放大及实时反馈。于是，更加广泛的某种意义上我们就完全可以把量子传感器这个概念简单地将其归纳成作为一种物体能够准确地地感受到物体来自周围外界的各种信息(就是例如说压力、热、声、光、磁、气体、湿度等等)，并按一定数学规律进行转换而成为易用于处理的各种量子电信号的电子设备[11]。从传感器本身的功能知，它通常是直接与被检测物体或者其他传感器相互作用而产生联系的组成部分，是信息输入的窗口，可以为其提供最初的信息，检测准确和否完整与一定区域内的反应物体在测量时所需要进行的精确度和速率等因素有关。对于智能医疗监护系统，传感器的选取在系统功能的实现上位于重要的地位，只有从传感器中采集到的信息数据能够作为客观反映被监护人的事实情况时，才会对后面的数据分析和处理有实际作用[12]。无线传输方式的比较与选择蓝牙蓝牙是针对短距离基于RF-便携式和固定设备之间的连接。它是一种低功耗，低成本的射频标准，以统一的方式运行，取消使用2.4GHz频谱(FHSS)超过ISM频段的79个频道，以应对干扰和消亡，并且它可能支持最高3Mb/s数据速率模式和最大传输距离为100m(尽管10m是最常见的模式)[13]。其基本配置微微网是一个星型拓扑网络，其中有一个主节点，七个从站，由主站提供同步参考(通用时钟和跳频模式)。加密是可选的，由64位或128位SAFER+提供算法，但是，经常会发现蓝牙框架容易受到攻击和风险。最后蓝牙SIG宣布增加两个替代协议栈，例如低功耗蓝牙，电池电量有限的设备的超低功耗技术容量和采用3.0的蓝牙3.0规范[14]。蓝牙低能耗技术仅消耗原始蓝牙产品的功能的一小部分等旨在运动和健康，以及医疗设备。同时蓝牙技术并没有一个统一的国际标准，造成不同的厂家采用不同的标准协议，因此产品之间可能会出现不可以兼容的情况，不方便去对设备进行扩展。Wi-Fi无线保真(wi-fi)属于IEE802.11X无线通信标准，实际上是一种商业认证。wi-fi作为目前国际市场上应用最广泛的无线局域网通信技术标准，它所采用的频段为2.4ghz，它的目标就是能够实现从几mb到几十mb/s的无线接入。包括phy(物理层)和媒体访问控制(mac)层，phy层定义了一种红外信号传输模型，它工作于2.4ghz频段及两种无线调频模型。总的数据传送速率最快可以达2mb/s。ieee802.11网络规格主要由802.11a、2.4ghz频段的802.11b(11mb/s)、2.4GHz频段的802.11g(54Mb/s，兼容802.11b)。Wi-Fi技术其数据安全功耗、性能和无线传输质量有待提高；Wi-Fi技术对设备要求相对较低。最新的IEE802.11g无线网络规范标准是802.11b的升级版，最高数据传输速率为54Mb/s，因为它是目前使用最广泛的WLAN局域网标准。Wi-Fi包括分发系统使用的媒体、电台使用的无线媒体以及集成了WLAN的其他局域网使用的媒体共三种。其带宽可以基于该信息的强弱进行相对应的自动调整，如此就可以确保网络的稳定性与安全性，对于手机和笔记本电脑无线连接到有线网络是一个非常好的解决方案[15]。超宽频技术超宽带技术(UWB)类似于W-Fi，长期以来被归为军事技术，但现在很有可能扩展到一般消费类产品。根据美国联邦通信委员会(fcc)的最新技术规范和标准定义，超宽带通信系统的整个核心带宽频率范围应该一直是保持在2.5ghz，带宽可以到达至少500mhz-10db。频率较低的超宽带系统必须具有至少20%的带宽比。这些特点使得超宽带明显不同于传统的无线电系统。以前的无线系统带宽比不会超过1%或者20MHz[16]。传统的无线通信技术在直接进行载波通信时通常需要不断地连接发出多个载波，会持续耗电。而超宽带技术只是在需要的时间内发出一个脉冲波，大大降低了功耗。更重要的一个问题是，超宽带的脉冲长度可以控制在1纳秒以下，因此我们可以直接通过它的超宽带方式来实现数百兆字节时间的高速数据传输。超宽带技术主要具备系统的复杂性低、信道衰落不灵活、发射信号的功率光谱密度低、拦截能力小、定位准确性高等特点。特别适合室内等密集多径向场所的高速无线网络接入，非常适合家庭消费类电子产品之间的大容量数据传输。红外技术红外技术是利用一个短波长的红外电磁波，以一条直线或者点对一个点的形式来传输数据。由于红外线的一些固有特点：如波长会相对较短，障碍物无法穿透，衍射性能比较差，因此在信息传送设备之间也不能出现任何障碍物，因此这一技术特别适合于无线或者短距离的通信。红外通讯功耗少、成本低、连接简单方便、数据传输效率高。而且当使用红外技术来传输信息时，只有通过对接才可以成功地传输出来的数据，因此这些信息传送的安全程度很高。如今，红外通信技术的发展迅速，广泛地应用于各类移动设备、室内办公器械设备、各类短距离遥控系统及计算机外围器件。现在很多科学家已经开始深入地研究红外无线通信在无线局域网建设中的作用。但红外通信距离短，通信只能在点对点之间，不能移动，中间不能存在障碍物，不能穿墙。Zigbee通过对蜜蜂独有的八字舞的观察与发现，创造了Zigbee这个名称。ZigBee和IEEE802.15.4都协议是基于一个国际标准的无线互联网协议，提供了无线网络传感器在连接网络上或者进行连接应用时必须的各种网络通信基础实施设备。802.15.4定义了数据网络的物理层(phy)和网络数据层的媒体层(mac)，zigbee定义了数据网络(nwk)管理层和网络应用程序管理层(APL)。如图2-2所示图STYLEREF1\s2-2Zigbee无线网络各层示意图ZigBee是一种无线连接方式，其重要的特点有以下几个方面1.低功耗。短距离无线通信条件下，其正常工作状态下的功率大约为30mw；在无线网络休眠的状态下，zigbee网络的最大功耗只能达到luw；在低功率模式下，其中一节电池的功耗可以降到两节普通5号干电池，每节可以持续用到6个月。由于它的低功率，Zigbee网络已经成为无线传感器网络(WSN)的首选。由于wsn节点的能量和功耗控制要求很高，传感器节点可以只需要在危险地带工作几年，而不必再需要改装电源单元。2.而且造价低。这主要是由于三个重要的原因：一个就是zigbee协议由于具有简单的通讯方式，数据的传输和处理速率低，所以实际上运行的成本也非常低；第二，zigbee协议是完全开源的，使用不必再支付任何版本的网络费；第三，zigbee协议是可以在2.4ghz的频段工作，这是一个国际范围内的频段，不必申请就能完全免费。3.传输器的容量相对较少，但是仍然可以能够完全满足要求。这样就可以使得采用zigbee网络协议的传输网络一方面不仅可以直接胜任各种传感器对于数据测量和计算处理信息数据的实时传送，另一方面又可能会直接使其传输功效非常小。4.安全。其中它们还拥有许多先进技术，从而可以提升无线通信的安全。首先，使用先进的aes-128数据加密网络算法来防止两个ZigBee节点将恶意网络数据包直接注入Internet，以防止恶意黑客攻击。然后，在系统进行高级数据加密包的系统完整性安全检验、支撑安全认证和系统信息化安全认证等工作方面，提供了三级安全保护模式：分别认为是高级无安全保护模式、高级数据加密系统标准安全模式和高级控制系统列表安全模式。这三种应用模式各自都具有其强的针对性，用户们也通常可以同时通过针对所选择需要的应用环境、费用及其配件价格、系统工作功率及设备能耗等多种因素，根据自己的安全应用角度要求进行综合考虑，选择一种较为符合要求的安全应用模式。5.网络容量巨大。在提供了网状化的zigbee结构上，理论上最多可以允许能够容纳65536个无线网络节点。然而与其理论水平进行比较，实际zigbee网络的规模远远赶不上它，但即使如此，同时布置上百个网络节点也在实际zigbee的能力范围之内，相当可观[17-18]。6.拥有自主路由及动态的组网。提高无线传感器网络的使用率与这个特性有着紧密的联系。因为wsn网络的实践和应用方式是不断发生变化的，每时每刻都会遇到一些节点能源耗尽的问题，网络中就必须加入一些新增的功能节点。可以设计得很好，没有自主路由与动态网络的无线网络就不能够处理更多容量的网络[19]。基于对以上无线传输方式的分析与比较，决定采用Zigbee技术来作为本课题研究的需要。网络拓扑结构的选择Zigbee能够友好的支持三种不同类型的大型网络拓扑：网形星型网络拓扑、网状网络拓扑和大型树形网络拓扑。结果显示如下图2-3所示。在这类星型无线网络中，主协调器需要同时负责整个星型网络的系统开发及其初始化及对所有设备的日常维护。在一个树状局域网络中，协调器成员负责设定开始停止启动该局域网并且开始设定其每个关键点的参数。网状网络结构中几乎没有任何网络协调器，整个树状网络结构仅有路由器。采取这种分层配置路由器的策略可用来处理传输数据与链路控制器的信息。本监控系统的主要设计原理是通过采用无线星型拓扑无线网络方式进行系统配置[20]。 图STYLEREF1\s2-3无线拓扑网络的几种结构

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cc2530的i/o端口p0.7定义成ds18b20温度传感器的一个信号输入和输出端；对于数字信号端口要进行一个复位操作，数字信号端略加一点延迟就设为低电平，需要480us到960us然后把其中一个数字信号端口设置成高电平；将io的输入方向设定为一个传感器送至cc2530；接下来dsl8b20响应的等候时间大概是60ms左右。DHT11温湿度传感器程序设计本系统在设计中使用dht11对于各个环境中的病房温湿度信号进行监测和使用，其主要采集控制电路的基本设计和操作流程为：先将传感器节点提供供电，随后把模块进行初始化处理，完成后，调用文件dht11.c中的具有温湿度信号采集功能的函数来实现对病房温度和相应湿度的采集；下一步就是把收集到的数据送至cc2530。最后在信号中传输之前就会进入一个延时函数，从而直接完成对环境温度和相应湿度的数据采集。睡眠状态等待一定时间后，即可启动下一轮测量温湿度的数据采集。主要的流程图如下图4-5所示。图STYLEREF1\s4-5DHT11传感器流程图MQ-2气体传感器程序设计本次测试实验中主要采用引脚p0_6作为浓度检测的引脚，当检测浓度的值高于实验设定值时，p0_6为一个浓度低电平，平时的工作状态下则为一个高电平。配置方法如下：P0SEL&=~0x40；//设置P0.6位普通IO口P0DIR&=~0x40；//P0.6定义为输入口配置好IO端口后，将对数据进行一次周期性的检测，来自动读取被检测的引脚电平，再将其中的数据上传到协调器。系统调试本设计是基于Zigbee的智能医疗监护系统的设计，主要包括传感器模块、Zigbee模块、协调器模块。系统测试从实现各项功能的角度来检查各功能是否能正常工作。对智能医疗监护系统的测试主要是检测整个系统的工作性能和效果，主要集中在以下几个方面:检测传感器模块是否能够成功获取人体参数，并将参数传输给协调器；协调器能否向PC传输数据。此次设计根据现有的实物进行演示，演示前，做好测试准备，将传感器连接到Zigbee节点模块，通过RS232串口线，Zigbee协调器连接到PC机上。如图5-1所示。图STYLEREF1\s5-SEQ图\*ARABIC\s11系统整体实物图温度模块测试将温度传感器串口接在一个串口终端协调节点上，协调器通过固定的串口与PC机相连，如图5-2所示。组网成功后LED灯闪烁，随后进行数据传输，可在PC机上看到相关数据。如图5-3所示。图STYLEREF1\s5-SEQ图\*ARABIC\s12温度模块测试图STYLEREF1\s5-SEQ图\*ARABIC\s13PC机显示温度数据温湿度模块测试温湿度模块的测试如温度模块，将温湿度传感器接到终端节点上，如图5-4所示。随后可在PC机上看到相关采集数据。如图5-5所示。图STYLEREF1\s5-SEQ图\*ARABIC\s14温湿度模块测试图STYLEREF1\s5-SEQ图\*ARABIC\s15PC机显示温湿度数据气体传感器模块测试将气体传感器接到终端节点，如图5-6所示，再在PC机串口助手上接收到相关数据，如图5-7所示。图STYLEREF1\s5-SEQ图\*ARABIC\s16气体传感器模块测试图STYLEREF1\s5-SEQ图\*ARABIC\s17PC机显示气体传感器相关数据

总结随着我国经济社会的进步，人们对于生活水平和质量的要求日益增强，对于医疗卫生服务工作愈加注意。在如今人口老龄化愈发严重的这种背景下，无线医疗监护系统的相关研究具有重大的意义，并将成为未来医疗保健行业的发展方向。本文在采用Zigbee技术的基础上，从而设计了一种基于Zigbee的智能医疗监护系统，期间做的主要工作如下：通过大量查找相关文献以及收集到的相关资料，更好地了解了我国智能医疗监护网络系统的国内外研究发展现状以及趋势，随后就将要采取的各种无线通信技术进行了分析，选择基于本文的各