多生理参数的无线实时监护系统设计

摘要：基于ZigBee PRO无线传感网络技术，以SoC芯片CC2530为核心控制元件，采用脉搏传感器、温度传感器等传感技术，设计了一个无线实时监护系统。实现了人体的体温、脉率以及脉搏信号等生理参数的采集、实时定位等功能，采集到的数据通过ZigBee网状网络传输到监护系统终端。
关键词：ZigBee PRO；CC2530；无线传感网络；生理参数；定位

1 ZigBee PRO技术及其优势
ZigBee PRO在网络可靠性、网络容量以及抗干扰性等多方面均有所改善。设计的目标是商业和工业环境，支持大型网络，1000个以上网络节点。
1．1 随机地址分配机制
ZigBee PRO用随机地址分配机制取代了原有的树地址分配机制，使其更加适合于大规模的网络。随机地址分配机制的网络地址是随机选取配置的，并通过不断监控和达到“管理”流量将地址冲突挑选出来。因此，所有节点的位置与其在整个系统网络拓扑中实际相对位置完全没有关系，并且不需要事先根据网络分布情况配置最多路由器节点、最长深度等网络参数。
1．2 路由算法改进
ZigBee PRO新增了一对多路由、多对一路由和源节点路由。在无线监护系统中，如果每个节点鄙做到一对一路由，将产生大量的广播信息，容易造成网络堵塞和路由表中的路由信息溢出。多对一路由，就是一个单一的广播传输形成所有设备到发送广播的设备的反向路由，可解决上述问题，并能快速地建立路由路径。
1．3 频率跳变
ZigBee协议通常工作在ISM 2．4G频段，该频段常用于工业、科学与医疗，如Wi-Fi和Bluetooth，因此数据传输的抗干扰能力十分重要。ZigBee PRO具有频率跳变的功能，当受到外界的强干扰时会自动搜索一条新的空闲信道，然后将整个网络快速且无缝地转移到该信道上运行。
1．4 数据包分割／重组传输机制
ZigBee的PHY层定义的最大数据包长度为127字节，除去各协议层的帧头开销，实际一帧的有效数据载荷一般不超过90个字节。在无线监护系统中，终端没备每次发送的数据量达到几百字节，ZigBee PRO提供的数据包分割／重组传输机制解决了大数据包的问题。发送节点自动将大数据包分割成小数据包后进行传输，接收节点后再将小数据包重组还原成大数据包。

2 系统总体设计方案
2．1 网络架构
无线监护系统采用ZigBee PRO协议构成网状网，具有很高的传输可靠性和自修复能力。无线监护系统的网络拓扑结构如图1所示。其中，协调器负责建立和维护网络，并通过USB与监护终端进行双向通信；路由器负责最佳路由路径的搜寻以及数据的转发，并协助终端设备进行定位；终端设备佩戴在被监护人身上，负责生理参数和定位信息的采集，只具备数据发送而无转发功能。

2．2 终端设备电路框图
本系统的硬件电路包括协调器、路由器和终端设备。其中，协调器和路由器的电路大部分相同，只是协调器增加了USB转UART的模块。终端设备电路框图如图2所示。

3 系统硬件设计
3．1 协调器硬件设计
协调器的功能相当于网关，在本系统中负责收集终端设备的生理和定位信息，然后通过USB传送到与之相连的监护终端。协调器的主控芯片CC2530的主要外围电路参考TI公司给出的设计方案，天线采用50Ω鞭状天线。

USB转UART电路如图3所示。其中，引脚RXD和TXD分别连接到CC2530的端口P0．2和P0．3。同时，需要设置CC2530的寄存器PERCFG．U0CFG位为1，将USART0的RX和TX选择到位置1，即P0．2和P0．3。C1、C2、C3和C4为滤波电容。
3．2 终端设备硬件设计
3．2．1 射频电路
由于终端设备佩戴在被监护者身上，体积应尽量最小化，所以射频电路的设计不适合采用与协调器、路由器相同的鞭状天线和阻抗匹配电路。本系统中终端设备的射频电路如图4所示。2450BMl5A0002是一个集成的阻抗匹配——巴仑——低通滤波器(Matched-Balun-Low Pass Filter)，体积只有2．0 mm×1．25 mm×0．7mm。在设计电路时，CC2530的引脚RF_P和RF_N到匹配平衡器的连线必须是对称的，即具有同样的长度和宽度，并且连线应尽可能短，否则将会降低射频的输出功率。2450BM15A0002电路的电容C1、电感L1和L2构成陶瓷天线的匹配电路，使得射频电路在频率为2．4GHz左右时，回波损耗达到最小值-18．5dB。

3．2．2 电源稳压电路
终端设备使用3 V的纽扣电池作为供电电源。为了保证CC2530的工作电压稳定，采用具有超低操作电流的3．3 V稳压芯片TPS60212进行控制。电源稳压电路如图5所示。输入电压范围为1．6～3．6 V，输出稳定的3．3 V工作电压。CC2530的P1_2引脚用于设置TPS60212的工作模式，当设备进入睡眠状态时，置P1_2为0，使稳压芯片也进入睡眠模式，此时稳压电路输出电压仍为3．3 V，而工作电流仅为2 mA。LBI和LBO引脚分别为低电压检测的输入和输出端。当输入电压低于1．6V时，LBO的输出由高电平转为低电平，进行低电压报警。