王長峰，白帆，羅儒，王柏淵，陳進(jìn)軍

（貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴陽550003）

基于ZigBee技術(shù)的病人綜合信息網(wǎng)關(guān)設(shè)計*

王長峰，白帆，羅儒，王柏淵，陳進(jìn)軍*

（貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴陽550003）

為了實現(xiàn)病人監(jiān)護設(shè)備的智能化，提出了一種基于ZigBee無線傳感技術(shù)的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)解決方案。該方案將測量到的人體體溫、血壓等數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點，再由網(wǎng)關(guān)節(jié)點對這些生理參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)處理，醫(yī)生可根據(jù)這些數(shù)據(jù)對病人的生理情況做出診斷評估。經(jīng)試驗證明，終端節(jié)點在60 m內(nèi)可保證通信效果，及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

網(wǎng)關(guān)；ZigBee；STM32；CC2430；Ethernet；Z-Stack

為了更好地對病人進(jìn)行準(zhǔn)確地、人性化地進(jìn)行醫(yī)療監(jiān)護，人們開始越來越多地關(guān)注無線醫(yī)療監(jiān)護技術(shù)。無線醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)可以將測量的病人生理參數(shù)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，監(jiān)控中心對這些生理參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)處理，從而做出診斷評估。基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)與傳統(tǒng)醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)相比，在設(shè)備功耗、抗干擾性、傳輸數(shù)據(jù)速率等方面都有明顯的優(yōu)勢，因此本系統(tǒng)的設(shè)計方案是將ZigBee無線技術(shù)與以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合。在分析符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的無線監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了網(wǎng)關(guān)、路由器以及終端設(shè)備的硬軟件設(shè)計，并實現(xiàn)了整個無線監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的實時通訊。

1　系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1系統(tǒng)方案總體構(gòu)建

本文設(shè)計了基于STM32處理器的ZigBee無線傳感醫(yī)療監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)平臺，通過將ZigBee數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)的TCP/IP數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)在兩種網(wǎng)絡(luò)間的傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　ZigBee信息網(wǎng)關(guān)總體結(jié)構(gòu)

1.2ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

1.2.1ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇

ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星狀、樹狀和網(wǎng)狀3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［1］?？紤]到本設(shè)計是在實驗環(huán)境下通過其他組員設(shè)計所采集到的體溫、血壓等信息來驗證所設(shè)計系統(tǒng)的可行性及一些基本性能。所以本設(shè)計選擇星型網(wǎng)絡(luò)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.2.2ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的組建

當(dāng)FFD協(xié)調(diào)器設(shè)備被激活后，首先進(jìn)行對物理層所默認(rèn)的有效信道進(jìn)行能量掃描，以檢測可能存在的網(wǎng)絡(luò)重疊及PAN ID沖突的干擾，并對檢測到的信道按能量值進(jìn)行信道排序。然后執(zhí)行主動掃描過程以選擇唯一的16 bit PAN ID，建立自己的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)一個新網(wǎng)絡(luò)被建立后，ZigBee路由器與終端設(shè)備就可以加入到該網(wǎng)絡(luò)中了。

1.3STM32嵌入式以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計

系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)平臺是以內(nèi)部集成以太網(wǎng)MAC的STM32微處理器STM32F103RBT6為核心，以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60，網(wǎng)口變壓器H1102NC，存儲器SD卡和顯示模塊等模塊組成。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　STM32網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件平臺是以內(nèi)部集成以太網(wǎng)MAC的STM32系列處理器STM32F103RBT6為核心，以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60和CC2430為ZigBee無線收發(fā)模塊等模塊組成。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器CC2430和STM32嵌入式以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)之間利用串行UART總線通信，構(gòu)成無線醫(yī)療監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)平臺。

2.1ZigBee協(xié)調(diào)器的硬件設(shè)計

ZigBee協(xié)調(diào)器模塊采用TI公司生產(chǎn)的CC2430芯片來設(shè)計，CC2430芯片不僅具有符合IEEE802.15.4規(guī)范的2.4 GHz無線射頻前端，它還在片內(nèi)集成了一個8 bit的8051MCU，還集成了8路輸入并可配置的12 bit ADC、4個定時器、AES-128協(xié)同處理器、看門狗定時器、32 kHz晶振的休眠時器、上電復(fù)位/掉電檢測電路以及21個可編程I/O引腳［2］。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA和25 mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。

2.2嵌入式以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計

針對嵌入式設(shè)計應(yīng)用精簡、低功耗的特點，本設(shè)計采用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)高性能的ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列處理器STM32F103RBT6作為嵌入式以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的主處理器。其主頻可達(dá)72 MHz，內(nèi)高速存儲器，豐富的增強I/O端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)，包含2個12 bit的ADC、3個通用16 bit定時器和一個PWM定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN［3］。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1ZigBee協(xié)調(diào)器的工作流程

ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器上電后首先對CC2430進(jìn)行初始化，然后創(chuàng)建一個無線網(wǎng)絡(luò)，選定一個PAN ID作為協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識，創(chuàng)建路由表，然后對外發(fā)布廣播幀，通知傳感器節(jié)點可以加入該網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)有子節(jié)點申請加入時，為每一個子節(jié)點分配地址。當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令，之后等待接收采集到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過UART接口傳送到STM32處理器，由以太網(wǎng)卡芯片ENC28J60負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)上［4］。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件流程如圖3所示。

圖3　網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件流程圖

3.2STM32嵌入式以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計

3.2.1網(wǎng)關(guān)初始化

網(wǎng)關(guān)的初始化包括對STM32處理器的初始化和對ENC28J60的配置。首先設(shè)置STM32的系統(tǒng)時鐘和引腳輸出方式，SPI總線設(shè)置為符合ENC28J60的時序要求［5］。

對ENC28J60的初始化是由SPI總線對其的寄存器進(jìn)行配置完成的，主要設(shè)置收發(fā)緩沖區(qū)的大小和起始地址，設(shè)置以太網(wǎng)過濾器，配置MAC層、物理層和LED指示燈等。

3.2.2ENC28J60發(fā)送數(shù)據(jù)的硬件底層驅(qū)動

ENC28J60內(nèi)的MAC控制器在發(fā)送數(shù)據(jù)時將會自動生成幀的前導(dǎo)符和起始定界符。主控制器必須生成其它幀字段，包括報頭、目的地址、源地址、數(shù)據(jù)長度和實際數(shù)據(jù)，再將它們寫入發(fā)送緩沖器，等待發(fā)送［6-7］。

3.2.3ENC28J60接收數(shù)據(jù)的硬件底層驅(qū)動

ENC28J60接收到一個完整的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包后，內(nèi)部的以太網(wǎng)過濾器會自動進(jìn)行過濾，未經(jīng)過濾的數(shù)據(jù)包將會寫入接收緩沖器，并向CPU發(fā)送中斷請求。CPU進(jìn)入中斷處理程序后，獲得緩沖器中的數(shù)據(jù)包并交予上層協(xié)議處理。

4　系統(tǒng)的總體測試

4.1調(diào)試平臺的創(chuàng)建

在調(diào)試當(dāng)中，硬件平臺的搭建由3個無線終端設(shè)備實現(xiàn)。通過采集模擬體溫來驗證系統(tǒng)的各性能，如無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的正確性、穩(wěn)定性。體溫值采用ZigBee無線終端模塊上配置的溫度傳感器TISC506采集［8-9］。整個系統(tǒng)的硬件采用如下搭配：3個無線終端設(shè)備，其中一個為本設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，另一個為網(wǎng)絡(luò)的無線傳感器子節(jié)點，采用STM32與以太網(wǎng)控制器實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)功能。

4.2系統(tǒng)測試

（1）星型網(wǎng)絡(luò)通信效果和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)管理功能測試ZigBee星型無線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建后，協(xié)調(diào)器通過STM32網(wǎng)關(guān)控制，對傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)出控制命令，終端節(jié)點按照命令進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并上傳。

①通過監(jiān)控系統(tǒng)向協(xié)調(diào)器發(fā)出A/D采樣的參數(shù)，采樣時間間隔和采樣通道后，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點按監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)定的參數(shù)開始數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)匯集到協(xié)調(diào)器節(jié)點上傳到STM32網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖4為溫度數(shù)據(jù)顯示。

圖4　溫度顯示

②在實驗中（60 m以內(nèi)），經(jīng)過對比各終端節(jié)點傳感器采集的數(shù)據(jù)結(jié)果和STM32網(wǎng)關(guān)以太網(wǎng)通信顯示的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)二者結(jié)果一致，證明本網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸是準(zhǔn)確的。超過60 m，終端節(jié)點采集到的體溫數(shù)據(jù)經(jīng)過無線傳輸后會發(fā)生1℃左右的偏差，可能是由于實驗環(huán)境障礙物較多。試驗結(jié)果表明，設(shè)計的協(xié)調(diào)器可以組網(wǎng)實現(xiàn)ZigBee星型網(wǎng)的應(yīng)用，終端節(jié)點在60 m內(nèi)可保證通信效果及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，STM32網(wǎng)關(guān)以太網(wǎng)可有效地對星型網(wǎng)進(jìn)行管理［10］。

（2）節(jié)點通信穿透能力測試在測試當(dāng)中發(fā)現(xiàn)如果將一個節(jié)點放在實驗室，另一個節(jié)點放在另一實驗室，通信將中斷。試驗結(jié)果表明，ZigBee無線通信技術(shù)穿透能力不是很強。將ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在空曠、無障礙物的場地，效果會更好。

（3）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸效率測試網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)輸效率即點對點的有效數(shù)據(jù)傳輸成功率。測試過程中采用靜態(tài)綁定，節(jié)點綁定表始終保存在協(xié)調(diào)器中。監(jiān)控程序采用串口調(diào)試程序，以記錄數(shù)據(jù)包收發(fā)情況。節(jié)點間的通信距離約為2 m～6.5 m不等，其中任意兩個終端節(jié)點同時以10 ms，20 ms，50 ms的3種數(shù)據(jù)發(fā)送周期向協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。在10 ms 和20 ms周期時，測試時間約為10 min，在采用50 ms以上周期時，測試時間約為5 min。從測試結(jié)果看，考慮節(jié)點處理數(shù)據(jù)延遲及節(jié)點收到緩沖區(qū)大小等因素的限制，為降低數(shù)據(jù)包錯誤率，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?，?jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送周期應(yīng)高于20 ms。

5　結(jié)束語

本文通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，以病人綜合信息監(jiān)測為應(yīng)用對象，設(shè)計了基于STM32處理器的ZigBee無線醫(yī)療傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)平臺，完成了基于ZigBee網(wǎng)關(guān)的I/O模塊的硬件原理設(shè)計；通過對ZigBee協(xié)議棧的分析并結(jié)合CC2430的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的整體軟件設(shè)計，完成了CC2430到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的通信。實現(xiàn)了對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控管理。最后對設(shè)計的無線無線醫(yī)療傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)平臺進(jìn)行了測試，基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，具有一定的應(yīng)用價值。

［1］郭淵博，楊奎武，趙儉，等.ZigBee技術(shù)與應(yīng)—CC2430設(shè)計、開發(fā)與實踐［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2010：6-46.

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王長峰（1989-），男，遼寧省丹東市，貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院檢測技術(shù)與自動化裝置專業(yè)，在讀碩士研究生，研究方向為傳感器，568915924@qq.com；

陳進(jìn)軍（1956-），男，陜西戶縣，本科，高級工程師，碩士生導(dǎo)師，實驗室主任，主要研究方向和領(lǐng)域為光電應(yīng)用技術(shù)與傳感器技術(shù)，ggjjchen@sina.com.cn。

Design of Integrated Information Gateway for Patients Based on ZigBee Technology*

WANG Changfeng，BAI Fan，LUO Ru，WANG Boyuan，CHEN Jinjun*
（College Electronic Engineering Technology，Guizhou University，Guiyang 550003，China）

In order to realize intelligent patient monitoring equipment，a solution of medical monitoring system gate?way is proposed based on ZigBee wireless sensor technology.The program will measure the human body tempera?ture，blood pressure，and transmit data to the gateway node through the ZigBee wireless sensor network.The gate?way node will process the physiological parameters detailedly，doctors can make a diagnosis evaluation according to the data of the patient's physiology.Experiments prove that the terminal nodes within 60 meters can guarantee the communication effect，and the data accuracy.

Gateway；ZigBee；STM32；CC2430；Ethernet；Z-Stack

TP393

A

1005-9490（2016）02-0475-04

EEACC：252010.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.045

項目來源：貴州大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項目（研理工：2015008）

2015-05-22修改日期：2015-07-01