基于JN5139的无线传感器网络体温脉搏监测系统设计

3 应用程序设计

3．1 传输帧结构

ZigBee支持KVP和MSG两种数据帧格式，KVP适用于标准应用框架系统中简单属性值的传输，MSG则更适用于一般应用系统以及需要传输批量数据的场合。本系统采用MSG传输帧，其数据定义如下：



监测系统支持体温脉搏数据帧、采样控制帧、新节点加入指示帧的传输，传输帧的一般格式如下：



3．2 地址模式

每个ZigBee节点均具有唯一的64位MAC地址。网络建立以后，所有加入到网络的新节点都由其父节点动态分配一个16位逻辑地址，此后，节点之间的通信默认使用16位逻辑地址。由于节点意外断电、重启等原因，网络中可能出现一个节点在不同时段具有不同逻辑地址，或不同

节点在同一时段使用同一逻辑地址的情形。为确保数据源识别的可靠性，将传感器终端的64位MAC地址也作为MSG帧负载的一部分，随MSG帧一同传到基站。基站需事先对传感器终端进行注册，为每个MAC地址建立相应的标识，如住院病人的床位号等。

3．3 软件流程

基于JN5139的各类ZigBee节点设备具有相类似的程序结构，均通过非抢占式简单任务调度器BOS来控制ZigBee协议栈和用户任务的执行，任务之间利用事件进行通信。ZigBee协议栈负责网络组织与维护、路由选择、数据传输等工作，而网络初始化设置、数据发送控制、接收处

理等工作则依靠各设备的用户任务来完成。

传感器终端的软件流程如图5所示。

　

可利用Jennic公司提供的CodeBlocks IDE、C语言编译器、链接器、下载器、IEEE 802．15．4协议栈、ZigBee协议栈、芯片驱动库、BOS操作系统等开发工具和软件资源，完成ZigBee节点应用程序的设计以及代码的生成与下载。

基站上位监控软件采用C++Builder6．O开发，部分功能(如LCD数码显示、二进制串口收发)通过移植Delphi第三方控件实现。监控软件通过串口接收网络协调器发来的二进制数据帧，按约定的格式提取源节点MAC地址以及体温、脉搏等信息，将其存入数据表并进行实时显示和报警判断。程序中定义了3个数据表，分别存储设备注册信息、网络结构信息和体温脉搏信息，各数据表通过设备的MAC地址相互关联。历史曲线的绘制采用TChart控件，网络拓扑图通过TCanvas绘制，显示刷新周期为1 s。

4 性能测试

在室内环境下对1个基站、5个无线路由器、10个传感器终端组成的系统进行多次组网实验和性能测试。图6为基站上位监控软件实时监护窗口的运行界面，该窗口可同时显示5个传感器终端采集的最新数据。



测试结果：传感器终端峰值工作电流为39 mA，休眠状态下电流为0．46 mA，体温测量精度为土0．1℃(32．0～43．0℃范围内)，脉搏测量精度为±5 bpm(40～220bpm范围内)，数据帧单跳传输距离不小于20 m。

测试表明，该系统能在ZigBee协议的支持下快速组成所期望的网状网络结构。节点正常供电情况下，网络能长时间保持良好的连通性，各传感器终端能够按基站所设定的采样周期，将测得的体温和脉搏数据经路由器传送到基站，并利用计算机进行存储、显示和分析。

实验中发现，任何一个路由器断电后再重启，会造成其下属传感器终端无法接收基站下达的采样控制命令，而数据上传功能却不受影响。经分析，这是由于路由器断电后其内存中的邻居表信息丢失所致。解决的方法是，在有新节点加入时将最新的路由器邻居表信息存入片外串行Flash，并在下次启动时重新加载到内存使用。

结语

本文设计的体温与脉搏监测系统，采用基于ZigBee的无线传感器网络技术，并以JN5139无线微控制器构建3类节点设备，以较低的成本实现了体温、脉搏参数的分布式无线采集与集中处理，同时具备高精度、高可靠性、低功耗等优点。后续工作包括利用JN5139的接口资源和处理能力支持更多生理指标的采集，以及进一步验证更大规模监测系统的实用性。