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　　基于ZigBee PRO無線傳感網絡技術，以SoC芯片CC2530為核心控制元件，采用脈搏傳感器、溫度傳感器等傳感技術，設計了一個無線實時監護系統。實現了人體的體溫、脈率以及脈搏信號等生理參數的采集、實時定位等功能，采集到的數據通過ZigBee網狀網絡傳輸到監護系統終端。

　　1 ZigBee PRO技術及其優勢

　　ZigBee PRO在網絡可靠性、網絡容量以及抗干擾性等多方面均有所改善。設計的目標是商業和工業環境，支持大型網絡，1000個以上網絡節點。

　　1.1 隨機地址分配機制

　　ZigBee PRO用隨機地址分配機制取代了原有的樹地址分配機制，使其更加適合于大規模的網絡。隨機地址分配機制的網絡地址是隨機選取配置的，并通過不斷監控和達到“管理”流量將地址沖突挑選出來。因此，所有節點的位置與其在整個系統網絡拓撲中實際相對位置完全沒有關系，并且不需要事先根據網絡分布情況配置最多路由器節點、最長深度等網絡參數。

　　1.2 路由算法改進

　　ZigBee PRO新增了一對多路由、多對一路由和源節點路由。在無線監護系統中，如果每個節點鄙做到一對一路由，將產生大量的廣播信息，容易造成網絡堵塞和路由表中的路由信息溢出。多對一路由，就是一個單一的廣播傳輸形成所有設備到發送廣播的設備的反向路由，可解決上述問題，并能快速地建立路由路徑。

　　1.3 頻率跳變

　　ZigBee協議通常工作在ISM 2.4G頻段，該頻段常用于工業、科學與醫療，如Wi-Fi和Bluetooth，因此數據傳輸的抗干擾能力十分重要。ZigBee PRO具有頻率跳變的功能，當受到外界的強干擾時會自動搜索一條新的空閑信道，然后將整個網絡快速且無縫地轉移到該信道上運行。

　　1.4 數據包分割/重組傳輸機制

　　ZigBee的PHY層定義的最大數據包長度為127字節，除去各協議層的幀頭開銷，實際一幀的有效數據載荷一般不超過90個字節。在無線監護系統中，終端沒備每次發送的數據量達到幾百字節，ZigBee PRO提供的數據包分割/重組傳輸機制解決了大數據包的問題。發送節點自動將大數據包分割成小數據包后進行傳輸，接收節點后再將小數據包重組還原成大數據包。

　　2 系統總體設計方案

　　2.1 網絡架構

　　無線監護系統采用ZigBee PRO協議構成網狀網，具有很高的傳輸可靠性和自修復能力。無線監護系統的網絡拓撲結構如圖1所示。其中，協調器負責建立和維護網絡，并通過USB與監護終端進行雙向通信;路由器負責最佳路由路徑的搜尋以及數據的轉發，并協助終端設備進行定位;終端設備佩戴在被監護人身上，負責生理參數和定位信息的采集，只具備數據發送而無轉發功能。

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　　2.2 終端設備電路框圖

　　本系統的硬件電路包括協調器、路由器和終端設備。其中，協調器和路由器的電路大部分相同，只是協調器增加了USB轉UART的模塊。終端設備電路框圖如圖2所示。

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　　3 系統硬件設計

　　3.1 協調器硬件設計

　　協調器的功能相當于網關，在本系統中負責收集終端設備的生理和定位信息，然后通過USB傳送到與之相連的監護終端。協調器的主控芯片CC2530的主要外圍電路參考TI公司給出的設計方案，天線采用50Ω鞭狀天線。

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　　USB轉UART電路如圖3所示。其中，引腳RXD和TXD分別連接到CC2530的端口P0.2和P0.3。同時，需要設置CC2530的寄存器PERCFG.U0CFG位為1，將USART0的RX和TX選擇到位置1，即P0.2和P0.3。C1、C2、C3和C4為濾波電容。

　　3.2 終端設備硬件設計

　　3.2.1 射頻電路

　　由于終端設備佩戴在被監護者身上，體積應盡量最小化，所以射頻電路的設計不適合采用與協調器、路由器相同的鞭狀天線和阻抗匹配電路。本系統中終端設備的射頻電路如圖4所示。2450BMl5A0002是一個集成的阻抗匹配——巴侖——低通濾波器(Matched-Balun-Low Pass Filter)，體積只有2.0 mm×1.25 mm×0.7mm。在設計電路時，CC2530的引腳RF_P和RF_N到匹配平衡器的連線必須是對稱的，即具有同樣的長度和寬度，并且連線應盡可能短，否則將會降低射頻的輸出功率。2450BM15A0002電路的電容C1、電感L1和L2構成陶瓷天線的匹配電路，使得射頻電路在頻率為2.4GHz左右時，回波損耗達到最小值-18.5dB。

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　　3.2.2 電源穩壓電路

　　終端設備使用3 V的紐扣電池作為供電電源。為了保證CC2530的工作電壓穩定，采用具有超低操作電流的3.3 V穩壓芯片TPS60212進行控制。電源穩壓電路如圖5所示。輸入電壓范圍為1.6～3.6 V，輸出穩定的3.3 V工作電壓。CC2530的P1_2引腳用于設置TPS60212的工作模式，當設備進入睡眠狀態時，置P1_2為0，使穩壓芯片也進入睡眠模式，此時穩壓電路輸出電壓仍為3.3 V，而工作電流僅為2 mA。LBI和LBO引腳分別為低電壓檢測的輸入和輸出端。當輸入電壓低于1.6V時，LBO的輸出由高電平轉為低電平，進行低電壓報警。

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　　3.2.3 體溫采集電路

　　體溫采集電路如圖6所示。溫度傳感器采用NTC熱敏電阻MF52E-103F3950FA，標稱阻值10 kΩ，允許偏差±1%，具有測量精度高、體積小以及反應靈敏的特點，在圖6中用Rth表示。非平衡電橋的設計，可以降低電壓信號不穩定等原因帶來的誤差。為提高測量精度，電阻R1、R2和R3需要選擇精度為1%的阻值。電壓差信號接到CC2530的ADC差分輸入通道P0_0和P0_1進行A/D轉換。為了降低功耗，使用CC2530的引腳P1_4控制體溫采集電路的開關。

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　　3.2.4 脈率采集電路

　　人體脈象信號具有阻抗高、信號弱、頻率低等特點，而且處于嚴重的背景噪聲之中。基于這些特殊性，設計的脈率采集電路由傳感器、濾波電路、放大電路以及比較電路4部分組成，如圖7所示。根據脈搏測量原理，壓力式脈搏傳感器用于感測靜壓力和脈搏波的混合信號，并將其轉化為電壓信號。本系統采用PVDF壓電薄膜式壓力傳感器。電阻R1、R2和電容C1、C2構成有源二階低通濾波器，截止頻率為10 Hz，可有效濾除50Hz 工頻干擾信號。放大和比較電路采用一個芯片TLV2702實現，該芯片集成了一個運算放大器和一個推拉比較器，可節省PCB空間。其中，R4/R3決定增益為100倍，比較器的基準電壓設為570mV。為了進一步降低功耗，使用CC2530的引腳P1_1選通電路。

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　　3.2.5 脈搏波采集電路

　　脈搏波的波形特征與心血管疾病有著密切的關系。因此，脈搏波采集電路的輸出信號應盡可能保持4個主要的脈搏波特征點(主波、潮波、重搏波峰以及重搏波谷)不失真。本系統采用HK-2000B+型脈搏傳感器，該傳感器的主要特點是：靈敏度高、抗干擾能力強。并且，傳感器電路模塊集成了信號放大、信號調理、幅度調整以及基線調整等電路。因此，輸出的脈搏模擬信號可直接接到CC2530的A/D轉換通道。

　　4 系統軟件設計

　　系統軟件設計主要包括上位機(監護系統終端)和下位機(ZigBee無線傳感網絡)設計兩部分。下位機軟件基于TI公司最新的ZStack-CC25 30-2.4.0-1.4.0協議棧，使得組網相對更為穩定可靠。下位機的軟件包括3個部分：協調器軟件、路由器軟件以及終端設備軟件。

　　4.1 協調器與路由器軟件設計

　　協調器軟件處理流程如圖8所示。協調器一方面要處理各個節點發送過來的有效數據，包括節點的網絡地址、有效數據長度、串ID、定位坐標數據以及生理參數等，另一方面要處理并轉發PC機發送給節點的數據包命令，如終端節點查找請求以及路由器坐標配置等。

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　　路由器是一種已知靜態節點，其坐標位置是固定的，可以提供坐標和RSSI值的信息包給終端設備。路由器軟件處理流程如圖9所示。

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　　4.2 終端設備軟件設計

　　終端設備的軟件設計主要包括電源管理、體溫采集、脈率采集、脈搏波采集以及定位實現。為了降低終端設備的功耗，采用休眠一喚醒的機制。每隔10 s自動采集一次生理參數和定位信息，采集成功后通過CC2530的控制引腳關閉生理參數采集模塊。然后發送數據包給監護系統終端，并使設備進入休眠，等待下一次采集事件的喚醒。終端設備軟件處理流程如圖10所示。

　　4.2.1 體溫采集程序

　　NTC熱敏電阻的特性方程為：

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　　式中，RT和R0分別表示NTC在熱力學溫度為T和T0時的電阻值，單位為Ω;T0和T分別為介質的起始熱力學溫度和變化熱力學溫度，單位為K;B稱作B值，NTC熱敏電阻特定的材料常數。

　　由于B值同樣是隨溫度而變化的，因此這種方法只能以一定的精度描述額定溫度或電阻值附近的有限范圍。基于電阻/溫度關系表，由圖6體溫采集電路可得輸出電壓值V和NTC阻值的關系為：

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　　式中，Vrel為ADC基準電壓，選擇為CC2530的AVDD5引腳值;ADC的分辨率設置為12位。結合式(2)，可得到各溫度點對應的A/D轉換后的數字量為：

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　　程序中，首先根據式(3)和電阻/溫度關系，制定ADC值一溫度轉換表，為接下來的數據處理提供參考依據。體溫采集流程如圖11所示。其中，采用折半查找法可以提高查表的效率，基于分段的線性捅值是用直線段來擬合溫度曲線。在處理中，分段越細，擬合的曲線就越接近實際的溫度曲線，精度也就越高。

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　　4.2.2 脈率采集程序

　　采用CC2530的16位定時器1的通道2進行脈率的采集，設置為輸入捕獲模式，上升沿觸發。同時，需要設置寄存器CLKCONCMD和T1CTL，使得定時器1的計數頻率為最小的1 953.125 Hz，避免計數器溢出。每次脈率信號的上升沿到來時，都將觸發一個捕獲事件，16位計數器的內容將被捕獲到相關的捕獲寄存器T1CC2L和T1CC2H中。將兩個連續的脈率信號對應的捕獲寄存器值相減，獲得脈率信號的時間間隔，再轉換為脈率。為了減小外部干擾造成的誤差，程序中連續采集3次脈率，然后剔除奇異值，最終計算出平均脈率值。

　　4.2.3 脈搏波采集程序

　　為了采集到連續的脈搏波形，使用ADC的序列轉換模式以及最高的12位分辨率。采樣周期由定時器1的通道0控制，根據所需的采樣周期設置定時器1的定時時間，每隔這個時間，定時器1的通道0就會觸發一次A/D采樣。本文中設置定時時間為5 ms，即采樣頻率為200 Hz。為了提高CC2530的工作效率，A/D轉換的結果采用DMA傳輸，每完成一個序列轉換，ADC都將產生一個DMA觸發。設置系統在兩個相鄰的采樣間隔內處于休眠狀態，等待定時器1觸發一次序列A/D轉換并進行相關操作，處理完后又再次進入休眠。

　　4.2.4 定位實現

　　設計中采用非基于距離的算法，利用固定點定位，終端設備首先發出請求坐標的廣播信息，然后將收到最大LQI值的那個路由節點的位置坐標，作為終端設備的位置。經測試，使用該方法定位可靠，定位性能穩定，適合于室內定位。但是，也應該注意到，該定位法精度較低，如果想提高定位精度，必須提高路由節點的密度，這不利于控制監護系統的成本。

　　結語

　　本文設計了一種基于ZigBee PRO和CC2530的無線多生理參數實時監護系統。實驗結果表明，該系統具有組網靈活、網路容量大、測量實時準確以及可擴展性強等優點。它可以作為一個解決方案應用于社區、養老院或福利院等的日常監護中。