无线传感器网络医疗监测系统设计.docx
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无线传感器网络医疗监测系统设计
无线传感器网络医疗监测系统设计
1、什么是无线传感器网络？
简介：
无线传感器网络是由大量具有特定功能的传感器节点通过自组织的方式，相互传递信息，协同地完成特定功能的智能专业网络。
主要技术：
它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术、微电子制造技术、分布式信息处理技术和软件编程技术等。
特点：
节点数量大、密度高；节点能量、计算能力和存储容量有限；网络具有自组织能力；传感器节点具有数据融合能力。
2、网络医疗监测系统介绍
利用基于ZigBee通信协议的无线传感器网络技术，传递医疗传感器与监护控制仪器之间的信息。
此系统由传感器节点、路由节点、协调器及节点之间的通信网络组成，采用树型网络结构，数据由传感器节点经路由节点传输至协调器，之间的通信由基于Zipbee无线通信网络实现，协调器通过与计算机之间的串口通信，实现数据在计算机上的动态显示
3、网络医疗监测系统组成
传感器节点：
由病人随身携带，主要包括五部分：
中央处理器模块（CPU）、无线数据通信模块、传感器、A/D转换器、电源模块。
传感器包括：
体温、血压、脉搏传感器。
以脉搏传感器为例，选用SC0073微型动态脉搏微压传感器，它是一种高性能、低成本的压电式小型压力传感器，产品采用压电薄膜做换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电
信号，在经传感器内部放大电路转换成电压输出。
它具有灵敏度高，抗过载及冲击波能力强，抗干扰性好、操作简便、体积小、重量轻成本低等特点。
路由节点：
是一个全功能节点，考虑到网络范围的大小，而无线发射功率有限，所以设置路由节点，对分组进行中继转发，将其下属节点传输的生理数据转发至协调器，从而扩大无线监测的范围。
此外，路由器上有传感器件，也可以进行数据的采集。
协调器：
系统中只有唯一的协调器，其主要功能是初始化及维护整个ZigBee网络，加入到此ZigBee网络的设备必须得到协调器的批准。
它是在路由节点的基础上增加RS232接口，负责将路由节点及传感器节点发送的数据通过串口通信传到计算机中，以便医护人员进行处理。
节点间通信：
各节点间及节点与协调器之间的无线通信由Zigbee技术实现，选用CC2430芯片，它结合了一个高性能2.4GHzRF射频收发器核心和一个增强型的8051控制器,省去了单片机与无线收发芯片之间的接口设计，从而会简化结构。
4、各种无线通信协议对比表
5、无线监护传感器节点的设计
无线传感器节点结构框图
无线传感器网络节点主要功能为采集人体生理指标数据，或者对某些医疗设备的状况或者治疗过程情况进行动态监测，并通过射频通信的方式，将数据传输至监护基站设备。
其节点主要包括5部分:
中央处理器模块（CPU）、无线数据通信模块、传感器、A/D转换及相关调理电路、电源模块。
节点框图和处理器单元如图3.1所示。
图3.1监护传感器节点结构
MSP430系列单片机及其外围电路
处理器模块硬件系统包括处理器模块（16位单片机MSP430F149、存储器及外围芯片）、A/D转换模块、串行端口、存储器模块。
下面将各个组成部分进行详细介绍。
（1）MSP430系列单片机
MSP430F1XX单片机采用16位RISC结构，其丰富的寻址方式、简洁的内核指令、较高的处理速度（8M晶体驱动，指令周期125ns）、大量的寄存器以及片内数据存储器使之具有强大的处理能力。
该系列单片机最显著的特点就是超低功耗，在1.8~3.6V电压、1MHz的时钟条件下运行，耗电电流在0.1~400µA之间，RAM保持的节电模式为0.lµA，待机模式仅为0.7µA。
另外，工作环境温度范围为-40~+85℃，可以适应各种恶劣的环境。
综合考虑处理器的性价比在传感器节点设计中选用MSP430F133，内嵌8KB的Flash和256B的RAM。
实验系统中微控制器实现功能如下:
●操作无线收发芯片，为无线数传模块提供工作状态控制线和双向串行传输数据线;
●实现传感器的数据采集—加速度、温度、声音和感光强度探测;
●本地数据处理剔除冗余数据以减小网络传输的负载和实现无线传输数据的封装与验证;
●应答远控中心查询，完成数据的转发与存储;
●区域内节点的路由维护功能;
●节点电源管理，合理地设置待机状态以节省能量延长节点使用寿命。
（2）外围电路
复位电路（图3.2）采用二极管、电阻、电容构成低电平复位电路。
JATG及BSL接口电路（图3.3），通过符合IEEE1149.1的JTAG边界扫描技术，采用TMS,TCK,TDI,TDO分别模式选择、时钟、数据输入和数据输出线，可用于芯片测试仿真、在线编程，从而大大加快了工程进度。
Pin12,Pin14分别连接单片机的P2.2和P1.1脚构成BSL电路，可以烧断熔丝保护程序，提高系统安全性。
单片机采用低速晶振32768Hz和高速晶振8MHz。
图3.2复位电路图3.3JTAG及BSL接口电路
（3）实时时钟SD2003A
SD2003A是一种具有内置晶振、支持护C总线接口的高精度实时时钟芯片。
该系列芯片可保证时钟精度为±4ppm（在25±1℃下），即年误差小于2分钟;该系列芯片可满足对实时时钟芯片的各种需要及低廉的价格，比较适合本平台的使用。
图3.4实时时钟芯片SD2003硬件连接图
该芯片功耗低，小于1.0µA;工作电压1.7~5.5V之间;具有年、月、日、星期、时、分、秒的BCD码输入/输出;可以设定两路闹钟;内置电源检测电路、高精度晶振。
管脚说明见表3-1。
具体硬件连接图见图3.4，采用纽扣电池CR2032供电，SDA,SCL,INT1通过上拉电阻与单片机相连。
（4）硬件节点物理索引号（ID）电路
DS2401芯片是一个包含48位随机数的芯片，达拉斯公司承诺其生产的任何两片DS2401中包含的48位随机码都是不相同的。
在无线传感器网络中它即可以作为硬件节点的唯一标识号，还可以作为无线通信的MAC层地址。
表3-1SD2003引脚功能
管脚
名称
功能
特征
1
INT1
报警中断，输出脚，根据中断寄存器与状态寄存器来设置其工作的模式，当定时时间到达时输出低电平或时钟信号。
它可通过重写状态寄存器来禁止
N_沟道开路输出（与VDD端之间无保护二极管）
2，3
NC
没有与芯片内部连接
悬空或接地
4
GND
负电源（GND）
5
INT2
报警中断2输出脚，根据中断寄存器与状态寄存器来设置其工作的模式，当定时时间到达时输出低电平或时钟信号。
它可通过重写状杰寄存器来禁止
N一沟道开路输出（与VDD端之间无保护二极管）
5
SCL
串行时钟输入脚，由于在SCL上升l下降沿处理信号，要特别注意SCL信号的上升/下降升降时间，应严格遵守说明书。
CMOS输入（与VDD间无保护二极管）
SDA
串行数据输入/输出脚，此管脚通常用一电阻上拉至VDD，并与其它漏极开路或集电器开路输出的器件通过线与方式连接.
N沟道开路输出（与VDD间无保护二极管）CMOS输入
8
VDD
正电源
DS2401芯片除了地引脚，只有一根功能引脚，芯片的供电、输入和输出都是同各这个引脚完成的（图3.5）。
具体的一线通信协议及实现见底层代码设计章节。
图3.5DS2401电路图
3.2.3通用模拟信号处理接口
（1）通用模拟信号处理接口
在实际电路应用中，模拟信号采集是一个重要环节。
通用模拟信号处理接口能够处理一些标准电压和电流信号（0~5V,1~10V,0~10mA,4~20mA），同时能够将微信号及差分信号做出精确的转换。
该设计采用了MSP430F149中的1路12位A/D转换、Mrcrochip公司的可编程增益放大器（ProgrammableGainAmplifierAGP）MCP6S28及简单的滤波保护电路来采集8路模拟信号，电路图见图3.8。
图中精密电阻用来分压和将电流信号转换成电压信号，其电阻值可以根据需要做出修改，只要保证CH0~CH7的电压不超过2.5V（MSP430单片机采用的参考电压为2.5V）即可，稳压二极BZX84BSV6LT1用来保护意外干扰信号超过芯片MCP6S28引脚极限电压造成芯片损坏。
电容和电阻组成简单的阻容式低通滤波器。
MCP6S28将放大器、MUX和利用SPI总线选择的增益控制器整合在一起，从而可以有效地提升系统的数码仿真控制效能。
通过有效的控制增益和选择输入信道来得到更大的设计灵活性，同时PGA不需要反馈和输入电阻，可以大幅度减低成本并节省空间。
图3.812位精度A/D转换通用模拟信号采集电路
为了使系统能够测量差分信号、精度更高，这里采用16位自校准0-E模/数转换器ADS1100，该芯片带有差分输入和高达16位的分辨率，封装为小型SOT23-6。
转换按比例进行，以电源作为基准电压，ADS1100使用可兼容的I2C串行接口。
ADS1100可每秒采样8,16,32或128次以进行转换。
片内可编程的增益放大器（PGA）提供1,2,4或8倍的增益，允许对更小的信号进行测量，并具有高分辨率。
在单周期转换方式中，ADS1100在一次转换之后自动掉电，在空闲期间极大地减少了电流消耗。
其内部结构如图3.9所示，内部时钟发生器驱动调节和数字滤波器的工作模/数转换器核由一个差
图3.9ADS1100内部结构功能框图
分开关电容0-E调节器和一个数字滤波器组成，调节器测量正模拟输入和负模拟输入的压差，并将其与基准点压相比较，在ADS1100中，基准电压即电源电压。
数字滤波器从调节器收高速位流，并输出一个代码，该代码是一个与输入电压成比例的数字。
ADS1100集成了自校准电路，对调节器的增益和偏移误差进行补偿，具体数据见电特性表，ADS1100采用开关电容器输入级。
对外部电路而言类似电阻，电阻值取决于电容器的值和电容的开关频率，对于PGA的增益而言，差分输入阻抗的典型值为:
2.4M/PGA。
共模阻抗的典型值为8M欧姆。
输入阻抗的典型值不能忽视，除非输入源为低阻抗，否则会影响测量精度。
ADS1100的SCL,SDA引脚通过上拉电阻与时钟芯片及智能电池接口复用连接到单片机的P6.3,P6.4口上。
ADS1100内有二个寄存器:
输出寄存器和匹配寄存器，它们均可通过I2C端口访问。
输出寄存器内含上一次A/D转换的结果;配置寄存器允许用户改变ADS1100的工作方式并查询电路的状态。
输出寄存器:
16位输出寄存器中含有上一次A/D转换的结果，该结果采取二进制的补码格式。
在复位或上电之后，输出寄存器被清零，并保持为0直到第一次A/D转换完成。
配置寄存器:
8位配置寄存器用来控制ADS1100的工作方式、数据速率和可编程增益放大器（PGA）设置。
配置寄存器的默认设置是8CH，具体模式如下表3-2。
表3-2配置寄存器
BIT
7
6
5
4
NAME
ST/BSY
0
0
SC
BIT
3
2
1
0
NAME
DR1
DR0
PGA1
PGA0
其中ST/BSY位表示它是被写入还是被读出。
在单周期转换方式中，写“1"到ST/BSY位则导致转换的开始，写“0”则无影响。
在连续方式中，ADS1100将忽略ST/BSY的值。
在单周期转换方式中读地，ST/BSY表明模/数转换器是否忙于进行一次转换。
如果ST/BSY被读作“1"，则表明目前模/数转换器忙，转换正在进行;如果被读作“0"，则表明目前没有进行转换，且上一次的转换结果存于输出寄存器中。
在连续方式中，ST/BSY总是被读作“1"。
位6和位5为保留位，必须被置为“0"。
SC位用于控制ADS1100的工作方式。
当SC为“1”时，ADS1100以单周期转换方式工作;当SC为“0”时，ADS1100以连续转换方式工作。
该位的默认设置为0。
位3和位2（DR位）用于控制ADS1100的数据速率，其控制方式如表3-3所列。
位1和0（PGA位）用于控制ADS1100的增益设置，控制方式如表3-4所列
表3-3DR位
DR1
DR2
DATARATE
0
0
128S/S
0
1
32S/S
1
0
16S/S
1
1
8S/S
表3-4PGA位
PGA1
PGA0
GAIN
0
0
1
1
0
1
0
1
2
1
0
4
1
1
8
ADS1100的读操作:
用户可从ADS1100中读出输出寄存器和配置寄存器的内容。
但为此要对ADS1100寻址，并从器件中读出3个字节。
前面的2个字节是输出寄存器的内容，第三个字节是配置寄存器的内容。
从AD1100中读取多于3个字节的值是无效的。
从第四个字节开始的所有字节将为FFH。
ADS1100的写操作:
用户可写新的内容至配置寄存器（但不能更改输出寄存器的内容）。
为了做到这一点，要对ADS1100寻址以进行写操作，并对ADS1100配置寄存器写入一个字节。
Zigbee无线数据通信模块
（1）2.4GHz无线收发芯片CC2420
CC2420是Chipcon公司推出的一款符合IEEE802.15.4规范的2.4GHz射频芯片，已经被用来开发工业无线传感及家庭组网等PAN网络的Zigbee设备和产品。
该器件包括众多额外功能，是第一款适用于Zigbee产品的RF器件。
它基于Chipcon公司的SmartRF03技术，以0.18µmCBIOS工艺制成，只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。
CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。
利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kbps，可以实现多点对多点的快速组网。
（2）CC2420芯片内部结构
CC2420芯片的内部天线接收的射频信号经过低噪声放大器和I/Q下变频处理后，中频信号只有2MHz，此混合I/Q信号经过滤波、放大、AD变换、自动增益控制、数字解调和解扩、最终恢复出传输的正确数据。
射机部分基于直接上变频。
要发送的数据先被送入128字节的发送缓存器中，头帧和起始帧是通过硬件自动产生的。
根IEEE802.15.4标准，所要发送的数据流的每4个比特被32码片的扩频序列扩频后送到DA变换器。
然后，经过低通滤波和上变频的混频后的射频信号最终被调制到2.4GHz，并经放大后送到天线发射出去。
（3）配置IEEE802.15.4工作模式
CC2420先将要传输的数据流进行变换，每个字节被分组为两个符号，每个符号包括4个比特LSB优先传输。
每个被分组的符号用32码片的伪随机序列表示，共有16个不同的32码片伪随机序列。
经过DSSS扩频变换后，码片速率达到2Mchip/s，此码片序列再经过O-QPSK调制，每个码片被调制为半个周期的正弦波。
码片流通过I/Q通道交替传输，两通道延时为半个码片周期。
CC2420为IEEE802.15.4的数据帧格式提供硬件支持。
其MAC层的帧格式为头帧+数据帧+校验帧;PHY层的帧格式为，同步帧+PHY头帧+MAC帧，帧头序列的长度可以通过寄存器的设置来改变。
可以采用16位CRC校验来提高数据传输的可靠性。
发送或接收的数据帧被送入RAM中的128字节的缓存区进行相应的帧打包和拆包操作。
（4）CC2420与MSP430单片机的连接
CC2420与处理器的连接非常方便。
它使用SFD,FIFO,FIFOP、和CCA四个引脚表示收发数据的状态;而处理器通过SPI接口与CC2420交换数据，发送命令等（见图3.11）。
图3.11CC2420与MSP430间SPI接口示意图
CC2420采用SPI接口，该接口由以下四线组成:
SCLK,CS,SI,SO。
片选信号低电平有效，也就是说该信号有效当它被驱动成逻辑低电平。
相反，复位信号则是高电平有效。
该接口的使用步骤如下:
①使CS变低，这是为了告知CC2420新的SPI通信周期开始了。
②在芯片“被选”以后，开始驱动SCLK时钟信号。
SCLK不需要用固定频率驱动并且可以有一个可变的服务周期。
在SCLK信号上升沿，CC2420对SI,SO上的数据进行取样。
在SCLK信号下降沿，如果SO的操作模式是输出，CC2420将改变SO上的数据。
当这一周期完成时，停止SCLK的驱动并将CS信号变高。
当CC2420的SFD引脚为低电平时，表示接收到了物理帧的SFD字节。
接收到的数据存放在128字节的接收FIFO缓存区中，帧的CRC校验由硬件完成。
CC2420的FIFO缓存区保存MAC帧的长度、MAC帧头和MAC帧负载数据三个部分，而不保存帧校验码。
CC2420发送数据时，数据帧的前导序列、帧起始分隔符以及帧检验序列可设置由硬件产生;接收数据时，这些部分只用于帧同步和CRC校验，而不会保存到接收FIFO缓存区。
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