基于JN5139的无线传感器网络体温脉搏监测系统设计

提出一种支持体温与脉搏监测的ZigBee无线传感器网络系统。采用传感器终端、无线路由器和基站3类基于JN5139微控制器的节点设备，通过网络定时收集现场测得的多路体温和脉搏参数，利用计算机进行集中存储和管理。该系统具有精度高、连通性好、可扩展性强、功耗低等特点。

体温和脉搏是反映人体健康状况的重要生理指标，对病人的这些生理指标进行连续监测，可为疾病的正确诊疗提供重要依据。随着传感器技术、嵌入式计算技术和无线通信技术的发展，基于无线传感器网络的生命体征监测系统受到越来越多的关注。其中，基于普通射频芯片和自定义传输协议的系统具有实现简单和成本较低的优点，缺点是可靠性较低、通用性较差；基于Bluetooth协议的系统数据传输率较高，但作用距离短，功耗高，组网能力弱；ZigBee作为建立在IEEE 802．15．4通信标准之上的低速无线个域网(Low-Rate Wireless Personal Net-work，LR-WPAN)协议规范，构成的系统具有复杂度低、功耗低、可靠性高、组网能力强等优点，成为本领域应用研究的热点。

本文提出一种支持体温与脉搏监测的ZigBee无线传感器网络系统，可通过网络定时收集现场测得的多路体温和脉搏参数，并利用计算机进行集中存储和管理，提高了病情监测的效率和质量。该系统具有可靠性高、可扩展性强、功耗低、成本低等优点。

1 监测系统总体结构

监测系统包括传感器终端、无线路由器和基站共三类节点设备，以自组织方式构成ZigBee网状无线传感器网络，如图l所示。传感器终端负责检测体温和脉搏，检测结果通过各自的父节点路由器发送到基站。基站借助上位监控软件对收到的数据进行存储和显示，并可根据用户需要显示网络结构及设备当前状态，设置采样周期及报警门限，输出反映病情变化的记录报表和历史曲线。



2 节点硬件结构

2．1 JN5139无线微控制器

ZigBee节点设备的硬件实现方案主要分为两大类：一类是将射频收发器和微控制器分开，各使用1块芯片，由用户根据设备类(Coordin-ator、Router、End Device)和功能分别选型，实现最佳搭配；另一类是将两者集成在一块芯片上，可简化设备硬件设计，提高系统的硬件可靠性。

JN5139是Jennic公司推出的第二代IEEE 802．15．4／ZigBee单片无线微控制器，内含32位RISC CPU、2．4GHz IEEE 802．15．4射频收发器、192 KB ROM、96 KBRAM，以及丰富的并口、串口、定时器、A／D、D／A等接口资源。为提高产品电磁兼容性，将JN5139芯片、16 MHz晶振、128 KB串行Flash存储器、陶瓷天线等元器件整合成为通用模块，以其为核心，配以相应的外设、协议栈和应用代码，便可实现不同类型的ZigBee节点设备。

2．2 传感器终端

如图2所示，传感器终端由JN5139 最小系统、体温检测电路、脉搏检测电路组成，采用3．6 V镍氢电池供电。最小系统包括JN5139模块、复位元件R1及C1、状态指示灯D1和程序下载接口j1。上电复位后，JN5139内部ROM中的Bootloader自动检测MISO引脚电平。若为高，则直接将片外串行Flash中的程序代码加载到片内RAM中运行；若为低，则进入编程状态，通过串口0下载PC机上的最新代码，并将其写入串行Flash。



体温检测电路由高精度NTC热敏电阻RT和精密电阻R3～R5构成。JN5139通过使DI01输出低电平来控制测温电路工作，利用3个12位A／D转换通道分别测出3个点的电位，求出热敏电阻的阻值，再利用热敏电阻R-T关系表及分段线性化公式得到相应的温度。

脉搏检测电路包括光电传感器及其信号调理电路，如图3所示。光电传感器由红光发射管D1和光敏三极管Q1构成，两者相对安装于遮光指套内。测量脉搏时，发射光中的一部分透过指尖，照射到光敏三极管的受光面，透射光强随脉搏起伏呈现极微小变化，经光敏三极管光一电转换后，输出直流和微弱交流相叠加的混合电压信号。该信号经隔直、低通滤波和放大处理后，成为峰值接近Vcc／2的模拟脉搏信号，再由JN5139进行A／D转换、数字滤波和周期判定，最终得到以min为单位的脉率值。为解决个体差异等原因导致脉搏输出信号饱和或过小的问题，发射管的工作电流由JN5139通过D／A转换器自动调节。



2．3 无线路由器和基站

无线路由器主要负责数据转发，本身并不承担数据采集任务，因此其硬件仅涉及JN5139最小系统(采用3．6 V直流电源供电)，不需额外配置其他外设。

基站采用上、下位机结构，如图4所示。作为网络协调器的下位机为JN5139最小系统，上位机采用PC机，两者通过异步串口进行通信(波特率为115．2 kbps)。图中JN5139最小系统和MAX232电平转换器均采用3．6 V盲流电源供电。