基于ZigBee可穿戴传感器的医疗监护系统

　　整形环节中，信号通过比较器LM324B 将正弦波转换成方波，利用R30 电位器可以实现将比较器的阈值调定在系统工作电压范围内。接下来，从LM324B 的引脚输出的方波信号经C19、R25 构成的微分电路处理成为正负相间的尖脉冲。LM324D 提供参考电压，再经过LM324C 之后就变成系统所需的标准脉搏脉冲信号了。最后将脉冲信号送到无线通信模块。

　　3.1.2 无线通信模块

　　无线传输模块采用TI 公司的高集成度的片上系统（ System on chip，SOC） 芯片CC2530，其内部集成了1个高性能的ＲF 射频收发器和1 个增强型的低功耗8051 微控制器内核，它具有较远的数据传输距离和较强的抗干扰能力。8051 作为基础芯片，价格低廉，这样就大大降低了产品研发的难度和成本； 同时，可以用C51 程序代码进行软件的开发，这样也就极大地缩短了产品研发的周期。

　　3.1.3 电源模块

　　电源模块为可穿戴传感器提供能量。受体积限制且设备不能频繁更换电池，必须采取一系列有效措施降低能耗，以保证医疗节点具有较强的续航能力。锂电池自放电率低，放电电压平缓的特点符合系统对电源的要求，故采用可充电的锂电池对可穿戴传感器供电。但系统正常工作时，数据处理模块工作电压是3.3 V，传感器工作在5 V，电源需要经过电压转换后才能应用到系统中。在电压转换中，利用MC7805 稳定输出5 V 电压，利用AMS1117 稳定输出3.3 V 电压。如图5所示。

　　图5 电源模块

　　3.2 网络协调器和上位机

　　网络协调器作为整个网络的协调者，向下与无线传感器通信，向上与上位机通信。负责组建网络，接收终端发送的数据，同样以CC2530 为核心设计接收端，CC2530 接收完数据后通过串口将其上传给上位机，使监护中心能够实时监测病人的生理参数，如图6 所示。

　　图6 网络协调器与上位机结构图

　　网络协调器与上位机采用串口方式进行通信。为使单片机与上位机通信电平保持一致，采用MAX232芯片完成单片机与上位机的双向电平转换。MAX232 内部有电压倍增电路和转换电路，而且仅需+5 V 电源便可工作，使用十分方便，它与单片机连接时可以采用最简单的方式连接。

　　4 系统软件设计

　　整个系统的软件采用模块化的设计思路，主要由脉搏采集与处理、ZigBee 网络和串口通信三部分组成。

　　4.1 脉搏采集与处理

　　程序由主程序、外部中断服务程序、定时器中断服务程序和数据处理程序组成。从中断口输入的脉搏脉冲信号作为外部中断请求信号，外部中断采用下降沿触发的方式。程序采用测脉冲周期的方法进行测量，即用脉冲来控制计时信号，通过检测10 次脉冲周期求平均，再换算成1 min 脉搏的次数，从中断口每输入10 个脉冲信号刷新1 次脉搏次数。脉搏采集流程如图7 所示。

　　图7 脉搏采集流程图

　　4.2 ZigBee 网络

　　ZigBee 网络支持3 种类型拓扑结构： 星形结构、网状结构和树形状结构，本系统使用星形网络拓扑结构实现多个无线传感器与网络协调器的通信，多个无线传感器进行组网，通过协调器来管理网络，以达到配置和控制无线传感器的目的。在星形网络中，无线传感器只与网络协调器进行点对点的通信，为实现这一功能，协调器必须先组建一个网络，这样无线传感器扫描的时候才可以找到网络，找到网络后无线传感器再进行入网请求。如果协调器响应了入网请求，则无线传感器才可以成功入网，并且发送绑定请求。若协调器发送允许绑定并被终端节点收到，则可以实现终端节点与协调器的通信了。网络协调器将有效数据通过串口上传监护中心，从而实现病人生理参数的采集和分析。无线传感器和网络协调器的工作流程分别如图8和9 所示。

　　图8 无线传感器工作流程图 图9 网络协调器工作流程

　　5 实验测试

　　根据设计的基于ZigBee 技术的可穿戴传感器监护系统，本文对系统进行初步测试。随机挑选一病人对他的生理参数进行检测，为了测试数据无线传输的有效性，每隔一段时间，通过上位机读取病人的生理参数。同时，为了测试系统采集数据的准确性，将系统测量的结果与传统有线方式的测量结果进行比较。部分生理参数测量情况如表1、表2 所示。

　　表1 体温测量数据

　　表2 脉搏测量数据

　　从表1 体温测量数据可以看出，系统能采集病人生理参数并无线传输，验证了系统无线传输功能的有效性； 同时系统测量的体温数据与体温计的结果基本上一致，说明系统对体温的测量有较高的准确性。从表2 脉搏测量数据可以看出，系统测量的数据与血压计测量的数据存在2% 左右的差距，不会影响医护人员的正确决策，符合实际要求。

实验表明，本系统能以