遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

目錄TOC\o"1-3"\h\u17685摘要 I5973ABSTRACT I11800引言 1157801緒論 1187241.1遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)概述 159571.2遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的研究背景和意義 2239842122812247561.3國內(nèi)外相關(guān)研究 2202702醫(yī)療監(jiān)測原理與系統(tǒng)設(shè)計思想 3234082.1醫(yī)療監(jiān)測原理 3252252.2無線通信技術(shù) 3288792.3系統(tǒng)設(shè)計思想 396613無線監(jiān)護(hù)傳感器節(jié)點的設(shè)計 5185303.1無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖 5148693.2無線監(jiān)護(hù)傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計 515937513152726317833531111690112100013208463.3無線監(jiān)護(hù)傳感器節(jié)點的底層代碼設(shè)計 1520909151889715230861621611172525718108318125643.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 192113320820421255974系統(tǒng)設(shè)計方案 2431494.1醫(yī)院監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)體系方案 2427294.2家庭監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)體系方案 24283195總結(jié)和展望 2558385.1主要結(jié)論 2537115.2后續(xù)研究工作的展望 2520831致謝 2623253參考文獻(xiàn) 276240附錄 28基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計0引言無線傳感網(wǎng)絡(luò)一般包括信號的采集、無線發(fā)送、無線接收和遠(yuǎn)程傳送。傳感器采集人體各種健康參數(shù)，這些模擬信號經(jīng)過前置電路的處理，以數(shù)字信號的形式輸入微控制器，通過無線數(shù)據(jù)傳輸和計算機通用串行總線接口進(jìn)入pc機，由INTERNET發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)中心，為醫(yī)生提供各種重要的生理參數(shù)變化，幫助他們實時監(jiān)護(hù)遠(yuǎn)端用戶的身體健康狀況，并可以及時地采取相應(yīng)措施。本系統(tǒng)由監(jiān)護(hù)基站設(shè)備和Zigbee傳感器節(jié)點構(gòu)成一個微型監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點上使用中央控制器對所需要監(jiān)測的生命指標(biāo)傳感器進(jìn)行控制來采集數(shù)據(jù)，通過Zigbee無線通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)護(hù)基站設(shè)備，并由該基站裝置將數(shù)據(jù)傳輸至所連接的PC或者其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，通過Internet網(wǎng)絡(luò)可以將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)中心，由專業(yè)醫(yī)療人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計觀察，提供必要的咨詢服務(wù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。在救護(hù)車中的急救人員還可通過GPRS實現(xiàn)將急救病人情況的實時傳送，以利于醫(yī)院搶救室及時地做好準(zhǔn)備工作。醫(yī)療傳感器節(jié)點可以根據(jù)不同的需要而設(shè)置，因此該系統(tǒng)具有極大的靈活性和擴展性。同時，將該系統(tǒng)接入Internet網(wǎng)絡(luò)，可以形成更大的社區(qū)醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)乃至整個城市和全國的醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)。1緒論1.1遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)概述遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)技術(shù)是近年來遠(yuǎn)程醫(yī)療中的一個研究熱點，也是一個相對薄弱的環(huán)節(jié)，歐美各國一直致力于對遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的研究，我國近年來也開始推動其發(fā)展。遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)可以定義為通過通信網(wǎng)絡(luò)將遠(yuǎn)端的生理信息和醫(yī)學(xué)信號傳送到監(jiān)護(hù)中心進(jìn)行分析并給出診斷意見的一種技術(shù)手段，因此遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)一般包括三個部分:監(jiān)護(hù)中心、遠(yuǎn)端監(jiān)護(hù)設(shè)備和聯(lián)系兩者的通信網(wǎng)絡(luò)。圖1.1為一個簡化的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖:遠(yuǎn)端監(jiān)控設(shè)備監(jiān)護(hù)中心遠(yuǎn)端監(jiān)控設(shè)備監(jiān)護(hù)中心圖1.1遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖遠(yuǎn)端監(jiān)護(hù)設(shè)備根據(jù)監(jiān)護(hù)對象的和監(jiān)護(hù)目的不同，遠(yuǎn)端監(jiān)護(hù)設(shè)備有多種類型，按用途可分為三類:一類為生理參數(shù)檢測和遙測監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，這類設(shè)備的使用范圍最為廣泛，能幫助醫(yī)生掌握監(jiān)護(hù)對象的病情并提供及時的醫(yī)療指導(dǎo)。檢測的生理信息主要包括:心電圖、腦電圖、心率、血壓、脈搏、呼吸、血氣、血氧飽和度、體溫、血糖等。第二類為日?；顒颖O(jiān)測設(shè)備，如監(jiān)護(hù)對象的坐臥行走等活動狀態(tài)和監(jiān)護(hù)對象的日常生活設(shè)施使用情況，主要應(yīng)用于兒童、老年人和殘疾人。第三類是用于病人護(hù)理的檢測設(shè)備，如癱瘓病人尿監(jiān)測設(shè)備，可以降低護(hù)理人員的勞動強度。監(jiān)護(hù)中心監(jiān)護(hù)中心可以位于急救中心、社區(qū)醫(yī)院、中心醫(yī)院或其它醫(yī)護(hù)人員集中的場所，其功能為接收遠(yuǎn)端監(jiān)護(hù)設(shè)備傳送的醫(yī)學(xué)信息，為遠(yuǎn)地患者提供多種醫(yī)療服務(wù)。通信系統(tǒng)連接遠(yuǎn)端監(jiān)護(hù)設(shè)備和監(jiān)護(hù)中心的通信方式主要包括:程控電話(PSTN)、交互電視、綜合服務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)、非對稱數(shù)字用戶線環(huán)路(ASDL)、光纖網(wǎng)(ATM)、微波通信、衛(wèi)星通信、無線蜂窩通信(移動電話GSM)等。遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的支撐技術(shù)包括:傳感器技術(shù)、醫(yī)學(xué)遙測技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)及信息學(xué)等多個方面。1.2遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的研究背景和意義研究背景電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)的飛速發(fā)展為我們的生活帶來了便利，也為醫(yī)療體系的發(fā)展帶來了新的機遇。如何將信息技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療，一直是世界各發(fā)達(dá)國家的重點發(fā)展目標(biāo)，歐美許多國家正積極推動醫(yī)療信息基礎(chǔ)建設(shè)(HealthCareInformationInfrastructure,HCII)，我國也推出了金衛(wèi)醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)工程等項目，目的在于集成信息科學(xué)、計算機技術(shù)和通信應(yīng)用技術(shù)于醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的高科技產(chǎn)業(yè)，優(yōu)化醫(yī)療保健服務(wù)，加速實施我國醫(yī)院管理及醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的進(jìn)程。研究意義科學(xué)研究和醫(yī)療保健的需求、信息技術(shù)的飛速發(fā)展，都推動著遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)技術(shù)具有重要的意義:①縮短醫(yī)生和患者之間的距離，為患者提供及時救助，減少患者或醫(yī)務(wù)人員的路途奔波。對患者的重要生理參數(shù)實施遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，不僅可以輔助治療，還能在患者病情突然惡化時報警。②對自理能力較差的老年人和殘疾人的日常生活狀態(tài)實施遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，不僅能提高醫(yī)護(hù)人員的護(hù)理水平和患者的生活質(zhì)量，還可以評估監(jiān)護(hù)對象的獨立生活能力和健康狀況。③遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)可以在患者熟悉的環(huán)境中進(jìn)行，減少了患者的心理壓力，提高了診斷的準(zhǔn)確性。④對健康狀況進(jìn)行監(jiān)護(hù)，可以發(fā)現(xiàn)疾病的早期癥狀，從而達(dá)到保健和預(yù)防疾病的目的。⑤先進(jìn)的醫(yī)學(xué)支持系統(tǒng)為通信和信息領(lǐng)域中的新技術(shù)提供了一個進(jìn)行評測的平臺，如虛擬環(huán)境、智能傳感器和輔助醫(yī)生的決策系統(tǒng)等。1.3國內(nèi)外相關(guān)研究遠(yuǎn)程醫(yī)療的發(fā)展水平是不平衡的，美國和歐洲要領(lǐng)先其它國家很多。他們起步早，國家投入大，遠(yuǎn)程醫(yī)療的支撐技術(shù)成熟。國外的發(fā)展?fàn)顩r總體上是比較先進(jìn)的，主要應(yīng)用是遠(yuǎn)程會診和治療，其次是戰(zhàn)時急救。遠(yuǎn)程醫(yī)療中的一些子系統(tǒng)發(fā)展水平較高，比如醫(yī)院的信息化系統(tǒng)(HIS)和電子病歷(EPR)以及圖片存檔及通信系統(tǒng)(PACS)等技術(shù)非常成熟。國內(nèi)從事遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)技術(shù)研究單位主要有:清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系，第三軍醫(yī)大學(xué)附屬大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所第五研究室，臺灣的長庚大學(xué)電機工程研究所、國立中正大學(xué)電機工程研究所等。清華大學(xué)白凈教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組對家庭護(hù)理與遠(yuǎn)程醫(yī)療，社區(qū)保健工程進(jìn)行了研究，其研制的家庭貼心小護(hù)士系統(tǒng)為國內(nèi)外首創(chuàng)，系統(tǒng)由家庭監(jiān)護(hù)器和醫(yī)院控制臺構(gòu)成，監(jiān)護(hù)儀內(nèi)設(shè)智能控制系統(tǒng)，可以實時遙測記錄心電圖和動態(tài)血壓，可對心電圖進(jìn)行實時病類分析，發(fā)現(xiàn)異常心率時，自動經(jīng)過電話線將心電圖發(fā)送到醫(yī)院監(jiān)控臺進(jìn)行咨詢。醫(yī)院監(jiān)控臺可同時接收、顯示多個家庭用戶的心電圖、血壓數(shù)據(jù)，并可立即將診斷意見返回家中使用者。此外該研究組還對基于Internet的虛擬醫(yī)療數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行了研究。2醫(yī)療監(jiān)測原理與系統(tǒng)設(shè)計思想2.1醫(yī)療監(jiān)測原理重要生命參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)是年老體弱者口常監(jiān)護(hù)的一個重要內(nèi)容，檢測的生理信息主要包括:體溫、脈搏、血壓、心率、心電圖、呼吸、血氣(氧分壓和二氧化碳分壓)、血氧飽和度、血糖等。這類生理參數(shù)在遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中一般要求無創(chuàng)或微創(chuàng)檢測。本文以溫度、脈搏、血壓信號為采集對象，選擇了簡單方便的傳感器和無創(chuàng)測量的方法。本文選用一種快速測量脈搏的方法，采用光電轉(zhuǎn)換的方法，在幾秒中內(nèi)測量每分鐘的脈搏數(shù)。脈搏傳感器可以采用透過型和反射型兩種，我們選擇的是透過型紅外傳感器。因為反射型的光電傳感器對手指與傳感器的相對位置和壓力有較嚴(yán)格的要求，這對于老年人來說并不十分方便。透過型脈搏傳感器由小燈泡，光敏二極管、圓筒組成。在一個圓筒上挖兩個小孔(兩個孔與與圓筒截面的圓心在一條直線上)，一側(cè)放小燈泡，另一側(cè)放光敏二極管，當(dāng)手指放入圓筒時，由于心臟壓送血液的不同，手指上通過的血液流量也不同，血流量不同，其透光率也不同，光敏二級管對不同的透光率會有敏感的反映，通過的電流會隨血液流量而變化，把電流的變化再轉(zhuǎn)化為電壓的變化，然后進(jìn)行測量。2.2無線通信技術(shù)隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和社會需求的口益增長，無線通信已經(jīng)進(jìn)入規(guī)模化發(fā)展的階段，快速發(fā)展的無線通信已成為信息產(chǎn)業(yè)中最為耀眼的“亮點”，為各種潛在的工程技術(shù)提供了新的方法和手段，并成為推動社會發(fā)展的強勁動力。無線通信以其不需輻設(shè)明線、使用便捷等特點，展示出廣闊的市場前景。無線通信技術(shù)正以較快的速度進(jìn)入許多產(chǎn)品，它與有線相比主要具有成本低、攜帶方便和省去布線的煩惱等優(yōu)點，特別適用于遙控、遙測、無線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線標(biāo)簽、身份識別、非接觸RF智能片、小型無線數(shù)據(jù)終端、安全防火系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、生物信號采集、水文氣象監(jiān)控、機器控制、信息家電、無線232、無線422/485數(shù)據(jù)通信等領(lǐng)域。無線射頻技術(shù)是在家庭區(qū)域內(nèi)的任何地方，在電腦和電子設(shè)備之間實現(xiàn)無線數(shù)字通信的開放性工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前已有一些公司可以提供一系列的數(shù)字信號單片射頻收發(fā)器，這一類芯片的迅速發(fā)展為工程技術(shù)人員提供了多種選擇。2.3系統(tǒng)設(shè)計思想本文借助于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出一種應(yīng)用于醫(yī)院家庭的人體健康參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計思想。無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是在家庭區(qū)域內(nèi)的任何地方，在電腦和電子設(shè)備之間實現(xiàn)無線數(shù)字通信的一種構(gòu)想。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.1所示。無線傳感網(wǎng)絡(luò)無線傳感網(wǎng)絡(luò)脈搏傳感器PC機無線收發(fā)模塊溫度脈搏血壓心電圖無線傳感網(wǎng)絡(luò)脈搏傳感器PC機無線收發(fā)模塊溫度脈搏血壓心電圖無線傳感網(wǎng)絡(luò)脈搏傳感器PC機無線收發(fā)模塊溫度脈搏血壓心電圖intenet遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)中心圖2.1無線傳感網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)示意圖本系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)是采用了模塊化設(shè)計的思想。從功能模塊上該系統(tǒng)可分為:數(shù)據(jù)采集模塊、無線收發(fā)模塊和通用串行總線接口傳輸模塊。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)由兩部分組成:一部分是數(shù)據(jù)采集和無線數(shù)據(jù)發(fā)射電路;另一部分是無線數(shù)據(jù)接收和通用串行總線接口電路。系統(tǒng)的總硬件結(jié)構(gòu)如圖2.2所示:無線模塊嵌入式系統(tǒng)脈搏傳感無線節(jié)點血氧傳感無線節(jié)點心電傳感無線節(jié)點無線發(fā)射模塊控制器串口網(wǎng)絡(luò)接口模塊Internet圖2.2系統(tǒng)的總硬件結(jié)構(gòu)3無線監(jiān)護(hù)傳感器節(jié)點的設(shè)計3.1無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要功能為采集人體生理指標(biāo)數(shù)據(jù)，或者對某些醫(yī)療設(shè)備的狀況或者治療過程情況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，并通過射頻通信的方式，將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)護(hù)基站設(shè)備。其節(jié)點主要包括5部分:中央處理器模塊(CPU)、無線數(shù)據(jù)通信模塊、傳感器、A/D轉(zhuǎn)換及相關(guān)調(diào)理電路、電源模塊。節(jié)點框圖和處理器單元如圖3.1所示。傳感器及相關(guān)調(diào)理電路傳感器及相關(guān)調(diào)理電路A/D轉(zhuǎn)換處理器模塊無線數(shù)據(jù)通信模塊電源模塊圖3.1監(jiān)護(hù)傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)3.2無線監(jiān)護(hù)傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計MSP430系列單片機及其外圍電路處理器模塊硬件系統(tǒng)包括處理器模塊(16位單片機MSP430F149、存儲器及外圍芯片)、A/D轉(zhuǎn)換模塊、串行端口、存儲器模塊。下面將各個組成部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。(1)MSP430系列單片機MSP430F1XX單片機采用16位RISC結(jié)構(gòu)，其豐富的尋址方式、簡潔的內(nèi)核指令、較高的處理速度(8M晶體驅(qū)動，指令周期125ns)、大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器使之具有強大的處理能力。該系列單片機最顯著的特點就是超低功耗，在1.8~3.6V電壓、1MHz的時鐘條件下運行，耗電電流在0.1~400μA之間，RAM保持的節(jié)電模式為0.lμA，待機模式僅為0.7μA。另外，工作環(huán)境溫度范圍為-40~+85℃，可以適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境。綜合考慮處理器的性價比在傳感器節(jié)點設(shè)計中選用MSP430F133，內(nèi)嵌8KB的Flash和256B的RAM。實驗系統(tǒng)中微控制器實現(xiàn)功能如下:操作無線收發(fā)芯片，為無線數(shù)傳模塊提供工作狀態(tài)控制線和雙向串行傳輸數(shù)據(jù)線;實現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)采集—加速度、溫度、聲音和感光強度探測;本地數(shù)據(jù)處理剔除冗余數(shù)據(jù)以減小網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢?fù)載和實現(xiàn)無線傳輸數(shù)據(jù)的封裝與驗證;應(yīng)答遠(yuǎn)控中心查詢，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)與存儲;區(qū)域內(nèi)節(jié)點的路由維護(hù)功能;節(jié)點電源管理，合理地設(shè)置待機狀態(tài)以節(jié)省能量延長節(jié)點使用壽命。(2)外圍電路復(fù)位電路(圖3.2)采用二極管、電阻、電容構(gòu)成低電平復(fù)位電路。TCK+3vTCK+3vJTAGTDIP1.1/TXDP2.2/RXDJP2RST/NMITMSTDO/TDI1357911132468101214104C11PST/NMIR32KR247KIN4148D2+3v圖3.2復(fù)位電路圖3.3JTAG及BSL接口電路(3)實時時鐘SD2003ASD2003A是一種具有內(nèi)置晶振、支持護(hù)C總線接口的高精度實時時鐘芯片。該系列芯片可保證時鐘精度為±4ppm(在25±1℃下)，即年誤差小于2分鐘;該系列芯片可滿足對實時時鐘芯片的各種需要及低廉的價格，比較適合本平臺的使用。RTC_INT2RTC_INT243216758SLC0SDA03VR475.1kR485.1kBT1CR2032SD2003C600.1u+3VRTC_INTU11INT1NCNCVSSVddSCLSDAINT2圖3.4實時時鐘芯片SD2003硬件連接圖該芯片功耗低，小于1.0μA;工作電壓1.7~5.5V之間;具有年、月、日、星期、時、分、秒的BCD碼輸入/輸出;可以設(shè)定兩路鬧鐘;內(nèi)置電源檢測電路、高精度晶振。管腳說明見表3-1。具體硬件連接圖見圖3.4，采用紐扣電池CR2032供電，SDA,SCL,INT1通過上拉電阻與單片機相連。(4)硬件節(jié)點物理索引號(ID)電路DS2401芯片是一個包含48位隨機數(shù)的芯片，達(dá)拉斯公司承諾其生產(chǎn)的任何兩片DS2401中包含的48位隨機碼都是不相同的。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中它即可以作為硬件節(jié)點的唯一標(biāo)識號，還可以作為無線通信的MAC層地址。表3-1SD2003引腳功能管腳名稱功能特征1INT1報警中斷，輸出腳，根據(jù)中斷寄存器與狀態(tài)寄存器來設(shè)置其工作的模式，當(dāng)定時時間到達(dá)時輸出低電平或時鐘信號。它可通過重寫狀態(tài)寄存器來禁止N_溝道開路輸出(與VDD端之間無保護(hù)二極管)2，3NC沒有與芯片內(nèi)部連接懸空或接地4GND負(fù)電源(GND)5INT2報警中斷2輸出腳，根據(jù)中斷寄存器與狀態(tài)寄存器來設(shè)置其工作的模式，當(dāng)定時時間到達(dá)時輸出低電平或時鐘信號。它可通過重寫狀杰寄存器來禁止N一溝道開路輸出(與VDD端之間無保護(hù)二極管)5SCL串行時鐘輸入腳，由于在SCL上升l下降沿處理信號，要特別注意SCL信號的上升/下降升降時間，應(yīng)嚴(yán)格遵守說明書。CMOS輸入(與VDD間無保護(hù)二極管)SDA串行數(shù)據(jù)輸入/輸出腳，此管腳通常用一電阻上拉至VDD，并與其它漏極開路或集電器開路輸出的器件通過線與方式連接.N溝道開路輸出(與VDD間無保護(hù)二極管)CMOS輸入8VDD正電源DS2401芯片除了地引腳，只有一根功能引腳，芯片的供電、輸入和輸出都是同各這個引腳完成的(圖3.5)。具體的一線通信協(xié)議及實現(xiàn)見底層代碼設(shè)計章節(jié)。C6C60.1u+3VR605KU151324+3VDS2401_DQGNDNDNCDQDS2401圖3.5DS2401電路圖脈搏測量電路的設(shè)計透過型的脈搏傳感器，它的結(jié)構(gòu)很簡潔，由紅外發(fā)光二極管、光敏二極管和圓筒組成，如圖3.6所示。這里要說明的是，應(yīng)選用對血流敏感的紅外發(fā)光二極管做光源，相應(yīng)的光敏二極管也應(yīng)選用中心頻率與之配對的紅外光敏二極管，且要選擇暗電流小的管子，這樣可以減少噪聲干擾。在一個圓筒壁上挖兩個小孔(兩個孔與圓筒截面的圓心在一條直線上)，一側(cè)放紅外發(fā)光二極管，另一側(cè)放光敏二極管，當(dāng)手指放入圓筒時，由于心臟壓送血液的不同手指上通過的血流量也不同，其透光率也不同。光敏二極管對不同的透光率會有敏感的反映，光敏二極管光敏二極管紅外發(fā)光二極管手指圖3.6脈搏傳感器示意圖通過的電流會隨血流量而變化，把電流的變化再轉(zhuǎn)換成電壓的變化，然后進(jìn)行測量。這個電信號經(jīng)過前置電路的處理就可以進(jìn)行計數(shù)測量了。前置電路具體是由光電轉(zhuǎn)換器、低通濾波器、同相放大器、施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等幾部分組成，如圖3.7所示。見附錄。光電管可選用任何型號的硅光敏二極管，但暗電流要小一些。光電轉(zhuǎn)換器實際上是一個電流/電壓轉(zhuǎn)換器，它把光電二極管VD1的電流變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化。當(dāng)有紅外光穿過時，VD1導(dǎo)通，IC1A就有變化的輸出送至IC14B;當(dāng)手指遮住光線沒有紅外光穿過時，VD1截至，IC1A沒有輸出。IC14B組成低通濾波器電路，它只允許1SHz以下的信號通過，用以濾除干擾信號。IC14B的輸出信號經(jīng)電容C10藕合至IC14A組成的交流同相放大器，其電壓增益為AF=1+47/1=48。IC14B為一個施密特觸發(fā)器，它是一個接正反饋的運放電路，Rah為反饋電阻。只要輸入信號有一點變化，在其輸出端即可獲得較大的電壓擺動。IC13、IC13A構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)發(fā)生器，以保證單一脈沖的輸出，脈沖寬度大約在80ms計左右，將此脈沖信號送入單片機的P3.4口作為計數(shù)信號，每檢測到一個脈沖數(shù)器加一，從而得到脈搏數(shù)。通用模擬信號處理接口(1)通用模擬信號處理接口在實際電路應(yīng)用中，模擬信號采集是一個重要環(huán)節(jié)。通用模擬信號處理接口能夠處理一些標(biāo)準(zhǔn)電壓和電流信號(0~5V,1~10V,0~10mA,4~20mA)，同時能夠?qū)⑽⑿盘柤安罘中盘栕龀鼍_的轉(zhuǎn)換。該設(shè)計采用了MSP430F149中的1路12位A/D轉(zhuǎn)換、Mrcrochip公司的可編程增益放大器(ProgrammableGainAmplifierAGP)MCP6S28及簡單的濾波保護(hù)電路來采集8路模擬信號，電路圖見圖3.8。圖中精密電阻用來分壓和將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，其電阻值可以根據(jù)需要做出修改，只要保證CH0~CH7的電壓不超過2.5V(MSP430單片機采用的參考電壓為2.5V)即可，穩(wěn)壓二極BZX84BSV6LT1用來保護(hù)意外干擾信號超過芯片MCP6S28引腳極限電壓造成芯片損壞。電容和電阻組成簡單的阻容式低通濾波器。MCP6S28將放大器、MUX和利用SPI總線選擇的增益控制器整合在一起，從而可以有效地提升系統(tǒng)的數(shù)碼仿真控制效能。通過有效的控制增益和選擇輸入信道來得到更大的設(shè)計靈活性，同時PGA不需要反饋和輸入電阻，可以大幅度減低成本并節(jié)省空間。UCLK0UCLK0SOMI0SIMO0MCP_CSCH73VU5VddSCKSOSICSVssVrefCH7VoutCH0CH1CH2CH3CH4CH5CH6P6.2/A2CH0CH1CH2CH3CH4CH5CH612345678161514131211109C620.1u3VMCP6S28150/10V1%150/10V1%C15100/10V1%R733PR17AIN3CH3D8BZX84B5V6LT1150/10V1%C16100/10V1%R833PR18AIN4CH4D9BZX84B5V6LT1圖3.812位精度A/D轉(zhuǎn)換通用模擬信號采集電路為了使系統(tǒng)能夠測量差分信號、精度更高，這里采用16位自校準(zhǔn)0-E模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1100，該芯片帶有差分輸入和高達(dá)16位的分辨率，封裝為小型SOT23-6。轉(zhuǎn)換按比例進(jìn)行，以電源作為基準(zhǔn)電壓，ADS1100使用可兼容的I2C串行接口。ADS1100可每秒采樣8,16,32或128次以進(jìn)行轉(zhuǎn)換。片內(nèi)可編程的增益放大器(PGA)提供1,2,4或8倍的增益，允許對更小的信號進(jìn)行測量，并具有高分辨率。在單周期轉(zhuǎn)換方式中，ADS1100在一次轉(zhuǎn)換之后自動掉電，在空閑期間極大地減少了電流消耗。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.9所示，內(nèi)部時鐘發(fā)生器驅(qū)動調(diào)節(jié)和數(shù)字濾波器的工作模/數(shù)轉(zhuǎn)換器核由一個差VVIN-VIN+?-∑A/D轉(zhuǎn)換器I2C接口時鐘振蕩器PGAA=1,2,4或8SCLVDDSDAGND圖3.9ADS1100內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能框圖分開關(guān)電容0-E調(diào)節(jié)器和一個數(shù)字濾波器組成，調(diào)節(jié)器測量正模擬輸入和負(fù)模擬輸入的壓差，并將其與基準(zhǔn)點壓相比較，在ADS1100中，基準(zhǔn)電壓即電源電壓。數(shù)字濾波器從調(diào)節(jié)器收高速位流，并輸出一個代碼，該代碼是一個與輸入電壓成比例的數(shù)字。ADS1100集成了自校準(zhǔn)電路，對調(diào)節(jié)器的增益和偏移誤差進(jìn)行補償，具體數(shù)據(jù)見電特性表，ADS1100采用開關(guān)電容器輸入級。對外部電路而言類似電阻，電阻值取決于電容器的值和電容的開關(guān)頻率，對于PGA的增益而言，差分輸入阻抗的典型值為:2.4M/PGA。共模阻抗的典型值為8M歐姆。輸入阻抗的典型值不能忽視，除非輸入源為低阻抗，否則會影響測量精度。ADS1100的SCL,SDA引腳通過上拉電阻與時鐘芯片及智能電池接口復(fù)用連接到單片機的P6.3,P6.4口上。ADS1100內(nèi)有二個寄存器:輸出寄存器和匹配寄存器，它們均可通過I2C端口訪問。輸出寄存器內(nèi)含上一次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果;配置寄存器允許用戶改變ADS1100的工作方式并查詢電路的狀態(tài)。輸出寄存器:16位輸出寄存器中含有上一次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，該結(jié)果采取二進(jìn)制的補碼格式。在復(fù)位或上電之后，輸出寄存器被清零，并保持為0直到第一次A/D轉(zhuǎn)換完成。配置寄存器:8位配置寄存器用來控制ADS1100的工作方式、數(shù)據(jù)速率和可編程增益放大器(PGA)設(shè)置。配置寄存器的默認(rèn)設(shè)置是8CH，具體模式如下表3-2。表3-2配置寄存器BIT7654NAMEST/BSY00SCBIT3210NAMEDR1DR0PGA1PGA0其中ST/BSY位表示它是被寫入還是被讀出。在單周期轉(zhuǎn)換方式中，寫“1"到ST/BSY位則導(dǎo)致轉(zhuǎn)換的開始，寫“0”則無影響。在連續(xù)方式中，ADS1100將忽略ST/BSY的值。在單周期轉(zhuǎn)換方式中讀地，ST/BSY表明模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是否忙于進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換。如果ST/BSY被讀作“1"，則表明目前模/數(shù)轉(zhuǎn)換器忙，轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行;如果被讀作“0"，則表明目前沒有進(jìn)行轉(zhuǎn)換，且上一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果存于輸出寄存器中。在連續(xù)方式中，ST/BSY總是被讀作“1"。位6和位5為保留位，必須被置為“0"。SC位用于控制ADS1100的工作方式。當(dāng)SC為“1”時，ADS1100以單周期轉(zhuǎn)換方式工作;當(dāng)SC為“0”時，ADS1100以連續(xù)轉(zhuǎn)換方式工作。該位的默認(rèn)設(shè)置為0。位3和位2(DR位)用于控制ADS1100的數(shù)據(jù)速率，其控制方式如表3-3所列。位1和0(PGA位)用于控制ADS1100的增益設(shè)置，控制方式如表3-4所列表3-3DR位DR1DR2DATARATE00128S/S0132S/S1016S/S118S/S表3-4PGA位PGA1PGA0GAIN001101012104118ADS1100的讀操作:用戶可從ADS1100中讀出輸出寄存器和配置寄存器的內(nèi)容。但為此要對ADS1100尋址，并從器件中讀出3個字節(jié)。前面的2個字節(jié)是輸出寄存器的內(nèi)容，第三個字節(jié)是配置寄存器的內(nèi)容。從AD1100中讀取多于3個字節(jié)的值是無效的。從第四個字節(jié)開始的所有字節(jié)將為FFH。ADS1100的寫操作:用戶可寫新的內(nèi)容至配置寄存器(但不能更改輸出寄存器的內(nèi)容)。為了做到這一點，要對ADS1100尋址以進(jìn)行寫操作，并對ADS1100配置寄存器寫入一個字節(jié)。電源處理部分D1D1L122μHNCP500NCP140254541231231234CELXOUTNCGNDVINVOUTGNDENNC圖3.10無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的供電處理部分采用3V/100mA輸出轉(zhuǎn)換芯片NCP500SN30T1。從成本、效率、性能方面采用NCP500為系統(tǒng)提供3V是比較不錯的選擇。NCP500的應(yīng)用電路十分簡單，它工作時僅需要二個作輸入、輸出電壓退禍降噪的陶瓷電容器或者擔(dān)電容，參見圖3.10。Vin和Vout的輸入和輸出濾波電容器應(yīng)當(dāng)選用寬范圍、低等效串聯(lián)電阻(ESR)的擔(dān)電容，使LDO在零到滿負(fù)荷的全部量程范圍內(nèi)具有良好的穩(wěn)壓效果。Zigbee無線數(shù)據(jù)通信模塊(1)2.4GHz無線收發(fā)芯片CC2420μ(2)CC2420芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)CC2420芯片的內(nèi)部天線接收的射頻信號經(jīng)過低噪聲放大器和I/Q下變頻處理后，中頻信號只有2MHz，此混合I/Q信號經(jīng)過濾波、放大、AD變換、自動增益控制、數(shù)字解調(diào)和解擴、最終恢復(fù)出傳輸?shù)恼_數(shù)據(jù)。CC2420先將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流進(jìn)行變換，每個字節(jié)被分組為兩個符號，每個符號包括4個比特LSB優(yōu)先傳輸。每個被分組的符號用32碼片的偽隨機序列表示，共有16個不同的32碼片偽隨機序列。經(jīng)過DSSS擴頻變換后，碼片速率達(dá)到2Mchip/s，此碼片序列再經(jīng)過O-QPSK調(diào)制，每個碼片被調(diào)制為半個周期的正弦波。碼片流通過I/Q通道交替?zhèn)鬏敚瑑赏ǖ姥訒r為半個碼片周期。(4)CC2420與MSP430單片機的連接CC2420與處理器的連接非常方便。它使用SFD,FIFO,FIFOP、和CCA四個引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài);而處理器通過SPI接口與CC2420交換數(shù)據(jù)，發(fā)送命令等(見圖3.11)。MSP430MSP430GIO0InterruptGIO1TimerCaptureDIO2MOSIMISOSCLKSPICC2420FIFOFIFOPCCASFDCSnSISOSCLKSPI圖3.11CC2420與MSP430間SPI接口示意圖CC2420采用SPI接口，該接口由以下四線組成:SCLK,CS,SI,SO。片選信號低電平有效，也就是說該信號有效當(dāng)它被驅(qū)動成邏輯低電平。相反，復(fù)位信號則是高電平有效。該接口的使用步驟如下:①使CS變低，這是為了告知CC2420新的SPI通信周期開始了。②在芯片“被選”以后，開始驅(qū)動SCLK時鐘信號。SCLK不需要用固定頻率驅(qū)動并且可以有一個可變的服務(wù)周期。在SCLK信號上升沿，CC2420對SI,SO上的數(shù)據(jù)進(jìn)行取樣。在SCLK信號下降沿，如果SO的操作模式是輸出，CC2420將改變SO上的數(shù)據(jù)。當(dāng)這一周期完成時，停止SCLK的驅(qū)動并將CS信號變高。當(dāng)CC2420的SFD引腳為低電平時，表示接收到了物理幀的SFD字節(jié)。接收到的數(shù)據(jù)存放在128字節(jié)的接收FIFO緩存區(qū)中，幀的CRC校驗由硬件完成。CC2420的FIFO緩存區(qū)保存MAC幀的長度、MAC幀頭和MAC幀負(fù)載數(shù)據(jù)三個部分，而不保存幀校驗碼。CC2420發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)幀的前導(dǎo)序列、幀起始分隔符以及幀檢驗序列可設(shè)置由硬件產(chǎn)生;接收數(shù)據(jù)時，這些部分只用于幀同步和CRC校驗，而不會保存到接收FIFO緩存區(qū)。預(yù)留人機界面按鍵轉(zhuǎn)換電壓（v）A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果判斷有效值無0000H00HK00.150F6H0FHK10.301ECH1EHK20.452E1H2EHK30.603D7H3DHK40.754CDH4CHK50.905C3H5CHK61.0568BH68HK71.207AEH7AHK81.358A4H8AHK91.5099AH99HK101.65A8FHA8HK111.80B85HB8HK121.95C7BHC7HK132.10D71HD7HK142.25E66HE6HK152.40F5CHF5H表3-5按鍵、輸入電壓及AD轉(zhuǎn)換值對應(yīng)關(guān)系表由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對功耗要求比較高，在平臺設(shè)計中不推薦增加豐富的人機界面，一般設(shè)計中只留有幾個按鍵和LED狀態(tài)顯示。由于上位機軟件還未得以開發(fā)完全，為了調(diào)試方便采用16個按鍵和LCD顯示，接口可以隨意插拔，主要用于初期設(shè)置參數(shù)，在具體工作時則不使用，當(dāng)上位機軟件開發(fā)完畢后，可以通過串口或無線的方式進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。(1)AD轉(zhuǎn)換16個按鍵該設(shè)計采用單片機的一通道12位AD轉(zhuǎn)換器來測量掃描16個按鍵的動作，只支持單個按鍵，如果同時按下兩個或兩個以上的按鍵，則AD會采集到錯誤的電壓值，程序不響應(yīng)，或者給出錯誤的鍵值。表4-5為按鍵、輸入電壓及AD轉(zhuǎn)換值的理論對應(yīng)關(guān)系表3-5。電路圖見圖3.12，當(dāng)不同的按鍵被按下時，AD轉(zhuǎn)換器的電壓不同，通過AD轉(zhuǎn)換值可以判斷出哪個按鍵被按下，AD轉(zhuǎn)換結(jié)果共有12位，判斷時采用高8位為判定標(biāo)準(zhǔn)。上圖是近似理論值，但是在實際中不可能得到很準(zhǔn)確的AD轉(zhuǎn)換值，存在一下幾種誤差:①對于同一個電壓值，AD多次轉(zhuǎn)換的結(jié)果不可能完全相同。②電阻的誤差，電阻由于工藝及其溫度的原因，存在一定不穩(wěn)定誤差，所以不能得到很準(zhǔn)確的分壓，本設(shè)計中采用電阻精度為1%，能夠很好的完成按鍵辨識工作。本設(shè)計中采用12位A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)中的前8位，允許誤差是+4，將其換算為:每個按鍵輸入電壓允許誤差:+(4/256)*2.5=+0.039V每個按鍵分壓電阻允許誤差:+[0.039/(3/200000)]=+2600歐因此經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，實際轉(zhuǎn)換值在允許誤差之內(nèi):(理論值-4)<實際轉(zhuǎn)換值(高8位)<(理論值+4)，則認(rèn)為按鍵被按下，否則程序不響應(yīng)。C300.1uC300.1uHeaderKey/A0JP4K14K13K12K11K10K9K8K7K6K5K4K3K2K1K0K1512圖3.12AD轉(zhuǎn)換按鍵圖在電阻選用上，要注意電阻的累積誤差，在圖3.12中，采用精度為1%的電阻，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足對電阻誤差的要求，電阻值不會超出允許范圍，采集到錯誤的電壓值。在按鍵消抖方面，采用當(dāng)檢測到按鍵被按下后，開始讀取鍵值，每隔8ms讀一次鍵值，直到連續(xù)4次讀取的鍵值完全相同，則認(rèn)為抖動已經(jīng)消除，消抖時間為8ms*4=32ms。(2)液晶顯示液晶采用北京青云科技公司的LCM12832ZK，LCM12832ZK按照每個中文字符16*16點陣將顯示屏分為2行8列，共16個區(qū)，每個區(qū)可顯示1個中文字符或2個16*8點整全高ASCII碼字符，即每屏最多可實現(xiàn)16個中文字符或32個ASCII碼字符顯示。內(nèi)部提供128*2字節(jié)的字符顯示RAM緩沖區(qū)(DDRAM)。字符顯示是通過將字符顯示編碼寫入該字符顯示RAM實現(xiàn)的。根據(jù)寫入的內(nèi)容不同，可分別在液晶屏上顯示CGROM(中文字庫)、HCGROM(ASCII碼字庫)及CGRAM(自定義字形)的內(nèi)容。三種不同字符/字型的選擇編碼范圍為:0000~0006H顯示自定義字型，02H~7FH顯示ASCII碼字符，AlA0H~F7FFH顯示8192種GB2312中文字庫字形。字符顯示RAM在液晶模塊中的地址80H~97H。字符顯示的RAM的地址與16個字符顯示區(qū)域有著一一對應(yīng)的關(guān)系。由于該功能是為方便調(diào)試而臨時預(yù)留的這里不做詳細(xì)介紹。3.3無線監(jiān)護(hù)傳感器節(jié)點的底層代碼設(shè)計底層軟件整體構(gòu)架系統(tǒng)使用三種頻率按照需要作為時鐘:手表晶振32768Hz(flow)、內(nèi)部1MHz(fDCO)具體分頻外部高頻晶振8MHz(fhigh)，、補償及安排會在下面的章節(jié)詳細(xì)介紹。本系統(tǒng)占用資源和安排如下:(1)測頻率及計數(shù)占用單片機16位定時器Timer_A，采用捕獲觸發(fā)系統(tǒng)來計算頻率，TSL230B、測頻通道1,2連接到單片機的P1.1~P1.3用來作為Timer_A的CCI0~2A的捕獲輸入端，測量時采用主頻率為fhigh，以滿足系統(tǒng)高頻率測量。測量方式可以是被動的I/O口外部中斷或是系統(tǒng)按一定的時間間隔進(jìn)行相關(guān)測量。(2)12位A/D轉(zhuǎn)換外部八通道的模擬輸入通道占用系統(tǒng)12位A/D轉(zhuǎn)換的一個輸入引腳，電池電壓和16按鍵各占用一個I/O口(AO,A1,A2)，系統(tǒng)主頻采用fhigh，以提高系統(tǒng)速度。參考電壓采用內(nèi)部2.5V參考電壓。(3)SPI接口MSP430F149具有兩個硬件SPI接口，同時由于引腳的復(fù)用，也可以用軟件模擬的方法處理。存儲器FM25C256,MCP6S28共用一個SPIO接口，無線模塊及以太網(wǎng)芯片ENC28J60(預(yù)留本系統(tǒng)未用)占用另一個SPI1接口。使用SPI接口時，主系統(tǒng)頻率采用fDCO。(4)1-Wire接口設(shè)計中DS2401連接到單片機引腳中，采用軟件模擬時序的方法進(jìn)行通信，主系統(tǒng)頻率采用fDCO。(5)I2C接口SD2003,ADS1100共用一個I2C接口，SHT11由于要保護(hù)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)線分開，液晶LCM12832ZK采用的類似于I2C接口，由于時序及通信協(xié)議不太一樣，所以另外占用三個引腳其中一個為使能端。FG439單片機沒有硬I2C接口，所有的程序采用軟件模擬進(jìn)行通信，主系統(tǒng)頻率采用fDCO。(6)USART接口單片機的兩個串口分別為無線模塊和RS232電平轉(zhuǎn)換芯片所用，系統(tǒng)主頻精度更高的fhigh，降低波特率的誤差。其它通用I/O用于器件的設(shè)置及電源的管理。MSP430F149內(nèi)部除了比較器之外，所有的資源都在設(shè)計中得到應(yīng)用。主程序設(shè)計思路為系統(tǒng)在初始化以后(所有器件處于休眠模式)打開全局中斷_EINT，進(jìn)入超低功耗模式LPM3，系統(tǒng)按照初始設(shè)計的內(nèi)容進(jìn)行操作，通過中斷的方式喚醒系統(tǒng)來執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。底層代碼設(shè)計IAR的EnbeddedWorkbench為開發(fā)不同的MSP430目標(biāo)處理項目提供了強有力的開發(fā)環(huán)境，并為每一種目標(biāo)處理器提供工具選擇。為開發(fā)和管理MSP430嵌入式應(yīng)用提供了極大的便利。在程序設(shè)計中，采用模塊化設(shè)計，低功耗軟件設(shè)計為整個程序設(shè)計的主要思想。主要在程序中系統(tǒng)不工作時處于低功耗狀態(tài)，采用時鐘和其它中斷來喚醒系統(tǒng)進(jìn)行測量工作來降低能量損耗。下面詳細(xì)介紹底層代碼的設(shè)計。時鐘系統(tǒng)的設(shè)置單片機系統(tǒng)的基礎(chǔ)時鐘模塊有3個時鐘源，目前系統(tǒng)中都運用到。flow、fDCO、fhigh都可以用作系統(tǒng)的主系統(tǒng)時鐘(MCLK)，用于CPU和系統(tǒng)。flow、fDCO可通過選擇應(yīng)用于輔助時鐘(ACLK)，fDCO、fhigh可用作子系統(tǒng)時鐘(SMCLK)，ACLK,SMCLK都可由軟件選擇應(yīng)用于各外圍模塊。所有的信號都可以經(jīng)過1,2,4,8分頻做出應(yīng)用，在整個軟件設(shè)計中可以根據(jù)需要做合適的設(shè)置。主系統(tǒng)工作主要是用內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的頻率(DCO)，在低功耗模式中采用的是低頻晶振，其他的頻率的安排在上節(jié)中已經(jīng)說明。以下程序為DCO的設(shè)置，并對當(dāng)前頻率進(jìn)行檢測補償，彌補DCO輸出頻率不準(zhǔn)的缺點。程序見附錄單片機時鐘系統(tǒng)DCO的設(shè)置程序:voidSet_DCO(void)//設(shè)置DCO為1MHz，并作頻率補償，提高精度{unsignedintCompare,Oldcapture=0;CCTL2=CM_1十CCIS_1+CAP;//計時器為捕獲模式TACTL=TASSEL_2+MC_2+TACLR;while(1)//采用計數(shù)器計算當(dāng)前時鐘頻率{while(!(CCIFG&CCTL2));//等待捕捉模式CCTL2&=~CCIFG;//清除捕捉中斷標(biāo)記Compare=CCR2;Compare=Compare-Oldcapture;Oldcapture=CCR2;if(DELTA==Compare)break;elseif(DELTA<Compare){DCOCTL--;if(DCOCTL==0xFF)//頻率過高{if(!(BCSCTLI==(XT2OFF+DIVA_3)))BCSCTLI--;}}Else{DCOCTL++;//頻率過低if(DCOCTL=0x00){if(!(BCSCTLI=(XT2OFF+DIVA_3+0x07)))BCSCTLI++;}}}CCTL2=0;//清除CCR2TACTL=0;//關(guān)閉Timer_A}3.3.4通用軟件包的設(shè)計及應(yīng)用在本系統(tǒng)中有很多器件采用相同的接口，具有相同的通信時序。在程序設(shè)計建立了不同的頭文件和驅(qū)動程序，相同接口的器件可以調(diào)用相關(guān)的頭文件和驅(qū)動程序，能夠減少系統(tǒng)的代碼量，簡化程序設(shè)計。SPI接口的通用程序程序見附錄SPI通用程序:SPI0Hardware.cvoidInit_SPI0(){P3SEL=0x0E;//設(shè)置P3為SPI模式P3OUT==0x20;U0CTL=CHAR十SYNC+MM十SWRST;//8位數(shù)據(jù)模式，主機方式U0TCTL=CKPL+SSEL1+STC;//3線方式U0BR0=0x002;//SPICLK=SMCLK/2，波特率設(shè)置U0BR1=0x000;U0MCTL=0x000;ME1=USPIE0;U0CTL&=~SWRST;//允許SPI通信IE1|=URXIE0;}VoidSendByteSPI0(unsignedcharn,unsignedchar*p)//n為數(shù)據(jù)個數(shù){for(;n!=0;n--){TXBUF0=*p;P++;}}#pragmavector=USARTORX_VECTOR//中斷接收數(shù)據(jù)程序__nterruptvoidSPIO-RX(void){}模擬量、開關(guān)量測量的代碼設(shè)計模擬量采集當(dāng)采用1路12位A/D轉(zhuǎn)換，1路SPI接口(采用三線制)構(gòu)成12位A/D。在數(shù)據(jù)采集時需要將先設(shè)置MCP6S28，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換。設(shè)置MCP6S28的指令寄存器:000xxxx0、增益寄存器:xxxxx000、通道寄存器:xxxxx000。直接調(diào)用SPI0Hardware.c中的函數(shù)，發(fā)送16位數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)內(nèi)部需要12位A/D轉(zhuǎn)換的A0(按鍵讀數(shù)，中斷方式讀數(shù))、A1(電池電壓讀數(shù))、A2(傳感器模擬量數(shù)據(jù)測量)。其中A0,A2需要對單通道重復(fù)測量，以多次測量求平均。A1只須單通道單次測量即可。下面是A2測量初始化函數(shù)如下，所測量的數(shù)據(jù)在中斷函數(shù)中的ADC12MEM0中讀取:程序見附錄voidA2ADC12Iintal(void){P6SEL|=BIT2;//選取復(fù)用I/O口第二功能ADCI2CTL0=ADC12ON+SHT0_8+MSC;//打開A/D轉(zhuǎn)換ADCI2CTL1=SHP+CONSEQ_2;//采樣時間設(shè)置ADC12IE=0x01;//允許中斷ADC12IFG.0ADC12CTL0|=ENC;//允許轉(zhuǎn)換ADC12CTL0|=ADC12SC;//開始轉(zhuǎn)換}串口通訊程序設(shè)計這里串口通訊程序主要是MSP430與PC機之間的通信，也可以用于單片機與PC機之間的通信。串口通訊是MCLK選用XT2,ACLK選用LFXT1，串行通信模塊使用USARTO，波特率時鐘采用ACLK，波特率為9600bit/s，串行通信模式為1位起始位++g位數(shù)據(jù)位++1位奇校驗位++1位停止位，將串行通信接收中斷打開，在中斷函數(shù)中將收到的數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)。發(fā)送不要中斷，每發(fā)送一個字節(jié)后通過查詢標(biāo)志位的方式判斷是否發(fā)送完畢。程序流程圖見圖4-31。程序見附錄.開始開始初始化處理收到數(shù)據(jù)包發(fā)送數(shù)據(jù)包LPM3圖3.13通訊主程序流串口初始化，程圖發(fā)送程序如下:voidUartInit()//串口初始化程序{USART_SEL|=UTXD0+URXD0;//選擇引腳的第二功能UCTL0=CHAR+PENA+SWRST;UTCTL0=SSEL0;UBR00=0X03;//設(shè)置波特率為9600bit/sUBR10=0;UMCTL0=0X4A;UCTL0&=~SWRST;ME1|=UTXE0+URXE0;IE1|=URXIE0;//打開接收中斷}voidUSART0_Sendbyte(unsignedchar*pbuff,unsignedcharn)//發(fā)送數(shù)據(jù){unsignedchari;for(i=O;i<n,i++){while((IFG1&UTIFG0)==0);//判斷是否發(fā)送完畢TXBUF0=*pbuff;pbuff++;}}3.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議本設(shè)計采用Zigbee實現(xiàn)下圖3.14，15兩種網(wǎng)絡(luò)，對Zigbee編程時設(shè)計需要注意接收、發(fā)送、休眠模式之間需要一定的穩(wěn)定時間;在發(fā)射增益、幀聽周期、休眠切換、數(shù)據(jù)速率之間獲取能量、距離、速度最優(yōu)。通過串口2，進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。N1N1N2N3N4NC圖3.14星型網(wǎng)絡(luò)N1N1N4N2N3圖3.15網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)為了實現(xiàn)提及的兩種結(jié)構(gòu)，需要專門定制通信協(xié)議;同時由于無線部分硬件上是不具備自動喚醒功能的，為了達(dá)到節(jié)能目的，必須通過軟件方式采用合理的通信協(xié)議以保證節(jié)能同時不丟失數(shù)據(jù)。協(xié)議的第一件事就是能夠識別噪聲和有效數(shù)據(jù)，通過測試和實驗發(fā)現(xiàn)，0xFF后跟0xAA,0x55在噪聲中不容易發(fā)生，通信協(xié)議應(yīng)該在數(shù)據(jù)包之前加開始字節(jié)，于是將通信數(shù)據(jù)包格式定如下表3-7:表3-7無線傳感器數(shù)據(jù)包格式Header1Header2Header3LengthModeHostlDLocallDDestlDDatanCheckSum0xFF0xAA0x551byte1byte1byte1byte1bytenbyte1byteLength為數(shù)據(jù)包的長度;Mode是傳輸模式的確定:數(shù)據(jù)、命令、應(yīng)答、星形傳輸或點到點轉(zhuǎn)發(fā);HostID為主機地址;LocalID為本機地址;DesID為目標(biāo)地址;Datan:為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)或指令(n<20);Checksum為數(shù)據(jù)校驗和防止數(shù)據(jù)出錯。該數(shù)據(jù)包可以作出修改以適應(yīng)不同的應(yīng)用。星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膶崿F(xiàn)在星型網(wǎng)絡(luò)中NC負(fù)責(zé)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，N1~N4所有數(shù)據(jù)必須通過NC節(jié)點進(jìn)行通信，所有節(jié)點必須在NC的覆蓋范圍內(nèi)部，對NC節(jié)點的要求比較高。開始開始發(fā)送握手協(xié)議回答？有數(shù)據(jù)？發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)結(jié)束圖3.16主程序流程圖在NC向N1~N4通信時只須要知道HostID和DesID地址即可，在N1~N4向NC同時發(fā)數(shù)據(jù)時，會出現(xiàn)同頻干擾現(xiàn)象，系統(tǒng)采用時分TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)技術(shù)，把NC與任意N節(jié)點的通信采用時分的方式分開，NC通過掃描的方式與各臺節(jié)點進(jìn)行單個通信，這樣系統(tǒng)中NC與子節(jié)點的通信方式就成為點對點地通信方式。這種網(wǎng)絡(luò)方式實現(xiàn)比較簡單，也是目前比較常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其主程序流程圖見圖3.16協(xié)議主要把數(shù)據(jù)分割成一定格式的數(shù)據(jù)，并增加一些額外的信息形成打包過程，同時在接受端要去掉額外信息，完成解包過程。下面是請求握手函數(shù):voidHandshake(unsignedcharuint){unsignedcharbuff[8];buff[0]=0xFF;buff[1]=0xAA;buff[2]=0x55;buff[3]=0x05;//長度為5buff[4]=0x01;//模式設(shè)置定義為請求握手包buff[5]=0x00;//主機地址buff[6]=uint;//目標(biāo)地址buff[7]=(buff[3]+buff[4]+buff[5]+buff[6]);USART1_Sendbyte(buff,8);//發(fā)送數(shù)據(jù)包子程序}其它的數(shù)據(jù)包或應(yīng)答包的組成與上程序類似。其解包的過程將所獲的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，并發(fā)送應(yīng)答，由于代碼比較長這里不再列出。自組織網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議目前關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議研究比較多，也已經(jīng)取得一定的成果，但很多通信協(xié)議在資源受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中很難實現(xiàn)，只局限于NS2/OPNET等仿真平臺的實現(xiàn)。這里針對網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)提出了一套用于實現(xiàn)節(jié)點自組織和數(shù)據(jù)多點跳傳的通信協(xié)議。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是真正意義上的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議之一，雖然有一定的缺點，但比較適合本平臺應(yīng)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)在點到點轉(zhuǎn)發(fā)模式下，見圖3.17。數(shù)據(jù)包還是采用上表的定義，在模式中高3位表示級別，低5位是模式位，Datan高4位為中轉(zhuǎn)次數(shù)，低4位為有效數(shù)據(jù)長度。數(shù)據(jù)校驗采用數(shù)據(jù)和校驗方式。數(shù)據(jù)包中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)次數(shù)有限，最多為16次，當(dāng)超過這個次數(shù)而且沒有達(dá)到最終地址時，該數(shù)據(jù)包會被自動丟棄。在節(jié)點自組織前，它們的路由表都是空白的，自組織過程中，只能用廣播的方式聯(lián)系其他節(jié)點。廣播的數(shù)據(jù)包格式如下:0xFF0xAA0X550xFFDestlDHostlD0x00開始開始Zigbee設(shè)為偵聽單片機低功耗模式發(fā)現(xiàn)信號喚醒系統(tǒng)等待接收存入緩沖區(qū)校驗正確是否更新路由校驗?zāi)康牡刂菲ヅ涫欠癜l(fā)送請求檢驗最終地址匹配處理數(shù)據(jù)重發(fā)配置zigbee發(fā)送數(shù)據(jù)配置zigbee重發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)重新打包查找路由表是否中轉(zhuǎn)16次丟棄數(shù)據(jù)包路由廣播是否路由廣播延時應(yīng)答更新路由表YNN Y Y N Y Y N N N Y Y圖3.17整體程序框圖由于目的和最終地址未知，所以用FFH表示更新路由命令，HostID表示本次廣播的地址。OOH表示數(shù)據(jù)包無中轉(zhuǎn)，無有效數(shù)據(jù)。收到該廣播的節(jié)點可以根據(jù)廣播者的地址更新自己的路由表。應(yīng)答廣播時的應(yīng)答數(shù)據(jù)包格式如下：0xFF0xAA0x550xFFHostlD0x00其中DestID表示應(yīng)答對象的地址，F(xiàn)F表示更新路由命令，HostID表示應(yīng)答者的地址。收到應(yīng)答的節(jié)點可以根據(jù)應(yīng)答者的地址更新自己的路由表。節(jié)點的自組織式，現(xiàn)打開各個傳感器節(jié)點的電源，使它們均處于幀聽狀態(tài)。然后，將這些節(jié)點隨機地分布在待監(jiān)測區(qū)域，但必須保證至少有一個節(jié)點處在基站節(jié)點的信息范圍內(nèi)，隨機分布如圖3.18所示，大圓表示對節(jié)點的通訊范圍，N4為基站，N1就處于基站節(jié)點的信號范圍內(nèi)。N3N3N2N1N4N4N3N2N1圖3.18傳感器節(jié)點和基站節(jié)點隨機分布圖節(jié)點布置以后，由基站N4發(fā)起自組織開始命令，基站節(jié)點廣播(默認(rèn)基站節(jié)點級別為0)，N1收到該廣播后作出應(yīng)答，并定義自己的級別為1，基站節(jié)點根據(jù)收到的應(yīng)答更新其路由表。N1節(jié)點收到基站節(jié)點的應(yīng)答信號后，開始廣播，N2,N3收到廣播信號并應(yīng)答，并將自己定義為2級節(jié)點，這樣每個傳感器節(jié)點會得到一張路由表。這張表把能與自己直接通訊的節(jié)點按類別保存。如表3-8表3-8基站節(jié)點的路由表節(jié)點地址編號地址級別上級節(jié)點同級節(jié)點下級節(jié)點N440N1N111N4N2,N3N222N1N3B332N1在自組織過程中，某些節(jié)點可能會收到來自不同級別的其它節(jié)點的廣播，根據(jù)上面的規(guī)則回定義自己為幾個不同的級別，程序取其最小的作為自己的級別。為了避免多個應(yīng)答信號造成鏈路堵塞，節(jié)點發(fā)出應(yīng)答信號前要有一段延時。延時應(yīng)答的時間是根據(jù)廣播者編號和本機編號的乘積決定的。通過路由表實現(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)4系統(tǒng)設(shè)計方案4.1醫(yī)院監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)體系方案醫(yī)院監(jiān)護(hù)系統(tǒng)由有線網(wǎng)絡(luò)(局域網(wǎng))和無線網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，如圖4.1所示?；颊呱砩吓宕鞯腪igbee終端與鄰近的Zigbee接入點建立無線鏈路和邏輯連接，將采集到的生理信息數(shù)據(jù)(體溫、脈搏、血壓等)發(fā)送到AP(AccessPoint)。AP通過醫(yī)院的局域網(wǎng)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)護(hù)服務(wù)器上，由服務(wù)器端的軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。工作流程:AP上電后立即嘗試連接局域網(wǎng)上的服務(wù)器，服務(wù)器的IP和端口號以及AP的網(wǎng)絡(luò)配置都寫在配置文件中，用戶可以手動修改，連接成功后進(jìn)入就緒狀態(tài)。如果有攜帶Zigbee移動監(jiān)護(hù)設(shè)備的患者進(jìn)入AP的覆蓋區(qū)域Zigbee移動監(jiān)護(hù)設(shè)備將會查詢到AP并與之建立ACL鏈路，AP接受連接將會進(jìn)行主從切換，保證AP作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的主單元可以繼續(xù)被其他Zigbee移動監(jiān)護(hù)設(shè)備發(fā)現(xiàn)和建鏈。之后Zigbee移動監(jiān)護(hù)設(shè)備和AP之間進(jìn)行SDP,L2CAP,RFCOMM連接。AP向服務(wù)器報告有Zigbee移動監(jiān)護(hù)設(shè)備進(jìn)入該區(qū)域，此后AP將透明地轉(zhuǎn)發(fā)AP和Zigbee移動監(jiān)護(hù)設(shè)備之間的雙向數(shù)據(jù)。主機可以通過AP和Zigbee移動監(jiān)護(hù)設(shè)備的串口替代功能完成控制、數(shù)據(jù)采集的功能。當(dāng)患者離監(jiān)護(hù)服務(wù)器監(jiān)護(hù)服務(wù)器APAP病房4病房3信息中心Zigbee芯片傳感器和單片機局域網(wǎng)APAP病房1病房2圖4.1醫(yī)院無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開此AP的覆蓋范圍后，鏈路中斷，AP向服務(wù)器報告Zigbee移動監(jiān)護(hù)設(shè)備離開該區(qū)域，同時患者攜帶的Zigbee移動監(jiān)護(hù)設(shè)備開始搜索新的AP。醫(yī)護(hù)人員根據(jù)Zigbee移動監(jiān)護(hù)設(shè)備與哪一個AP相連可以獲知患者在整個病區(qū)內(nèi)的活動情況。4.2家庭監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)體系方案遠(yuǎn)程家庭監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖4.2所示。Zigbee無線系統(tǒng)主要由Zigbee無線傳感器節(jié)點(脈搏傳感器節(jié)點)、若干個具有路由功能的無線節(jié)點和Zigbee中心網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(