王長(zhǎng)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(yáng)550003）

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

王長(zhǎng)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(yáng)550003）

為了實(shí)現(xiàn)病人監(jiān)護(hù)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(hù)系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)解決方案。該方案將測(cè)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(diǎn)，再由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)對(duì)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(duì)病人的生理情況做出診斷評(píng)估。經(jīng)試驗(yàn)證明，終端節(jié)點(diǎn)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(duì)病人進(jìn)行準(zhǔn)確地、人性化地進(jìn)行醫(yī)療監(jiān)護(hù)，人們開始越來越多地關(guān)注無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)技術(shù)。無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以將測(cè)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(duì)這些生理參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)處理，從而做出診斷評(píng)估。基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)與傳統(tǒng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)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(shì)，因此本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(hù)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(jì)，并實(shí)現(xiàn)了整個(gè)無線監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的實(shí)時(shí)通訊。

1　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)方案總體構(gòu)建

本文設(shè)計(jì)了基于STM32處理器的ZigBee無線傳感醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)平臺(tái)，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(shí)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(jì)

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(jì)是在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下通過其他組員設(shè)計(jì)所采集到的體溫、血壓等信息來驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性及一些基本性能。所以本設(shè)計(jì)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(duì)物理層所默認(rèn)的有效信道進(jìn)行能量掃描，以檢測(cè)可能存在的網(wǎng)絡(luò)重疊及PAN ID沖突的干擾，并對(duì)檢測(cè)到的信道按能量值進(jìn)行信道排序。然后執(zhí)行主動(dòng)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(gè)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(jì)

系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)平臺(tái)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(chǔ)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(jì)

系統(tǒng)的硬件平臺(tái)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(hù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)平臺(tái)。

2.1ZigBee協(xié)調(diào)器的硬件設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器模塊采用TI公司生產(chǎn)的CC2430芯片來設(shè)計(jì)，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(gè)8 bit的8051MCU，還集成了8路輸入并可配置的12 bit ADC、4個(gè)定時(shí)器、AES-128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、32 kHz晶振的休眠時(shí)器、上電復(fù)位/掉電檢測(cè)電路以及21個(gè)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(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。

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

針對(duì)嵌入式設(shè)計(jì)應(yīng)用精簡(jiǎn)、低功耗的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)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(chǔ)器，豐富的增強(qiáng)I/O端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)，包含2個(gè)12 bit的ADC、3個(gè)通用16 bit定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN［3］。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(duì)CC2430進(jìn)行初始化，然后創(chuàng)建一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，選定一個(gè)PAN ID作為協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，創(chuàng)建路由表，然后對(duì)外發(fā)布廣播幀，通知傳感器節(jié)點(diǎn)可以加入該網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)有子節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入時(shí)，為每一個(gè)子節(jié)點(diǎn)分配地址。當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，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(diǎn)軟件流程如圖3所示。

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

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

3.2.1網(wǎng)關(guān)初始化

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

對(duì)ENC28J60的初始化是由SPI總線對(duì)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(dòng)

ENC28J60內(nèi)的MAC控制器在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)將會(huì)自動(dòng)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(bào)頭、目的地址、源地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和實(shí)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(dòng)

ENC28J60接收到一個(gè)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(huì)自動(dòng)進(jìn)行過濾，未經(jīng)過濾的數(shù)據(jù)包將會(huì)寫入接收緩沖器，并向CPU發(fā)送中斷請(qǐng)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(cè)試

4.1調(diào)試平臺(tái)的創(chuàng)建

在調(diào)試當(dāng)中，硬件平臺(tái)的搭建由3個(gè)無線終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)。通過采集模擬體溫來驗(yàn)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(gè)系統(tǒng)的硬件采用如下搭配：3個(gè)無線終端設(shè)備，其中一個(gè)為本設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，另一個(gè)為網(wǎng)絡(luò)的無線傳感器子節(jié)點(diǎn)，采用STM32與以太網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)功能。

4.2系統(tǒng)測(cè)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(cè)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(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)出控制命令，終端節(jié)點(diǎn)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(shí)間間隔和采樣通道后，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)中（60 m以內(nèi)），經(jīng)過對(duì)比各終端節(jié)點(diǎn)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(diǎn)采集到的體溫?cái)?shù)據(jù)經(jīng)過無線傳輸后會(huì)發(fā)生1℃左右的偏差，可能是由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境障礙物較多。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)器可以組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)ZigBee星型網(wǎng)的應(yīng)用，終端節(jié)點(diǎn)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(duì)星型網(wǎng)進(jìn)行管理［10］。

（2）節(jié)點(diǎn)通信穿透能力測(cè)試在測(cè)試當(dāng)中發(fā)現(xiàn)如果將一個(gè)節(jié)點(diǎn)放在實(shí)驗(yàn)室，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)放在另一實(shí)驗(yàn)室，通信將中斷。試驗(yàn)結(jié)果表明，ZigBee無線通信技術(shù)穿透能力不是很強(qiáng)。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(chǎng)地，效果會(huì)更好。

（3）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸效率測(cè)試網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)輸效率即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的有效數(shù)據(jù)傳輸成功率。測(cè)試過程中采用靜態(tài)綁定，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)間的通信距離約為2 m～6.5 m不等，其中任意兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)同時(shí)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(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。在10 ms 和20 ms周期時(shí)，測(cè)試時(shí)間約為10 min，在采用50 ms以上周期時(shí)，測(cè)試時(shí)間約為5 min。從測(cè)試結(jié)果看，考慮節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)延遲及節(jié)點(diǎn)收到緩沖區(qū)大小等因素的限制，為降低數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?，?jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送周期應(yīng)高于20 ms。

5　結(jié)束語(yǔ)

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(cè)為應(yīng)用對(duì)象，設(shè)計(jì)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(tái)，完成了基于ZigBee網(wǎng)關(guān)的I/O模塊的硬件原理設(shè)計(jì)；通過對(duì)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(jì)，完成了CC2430到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的通信。實(shí)現(xiàn)了對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控管理。最后對(duì)設(shè)計(jì)的無線無線醫(yī)療傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)平臺(tái)進(jìn)行了測(cè)試，基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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

［2］蔡文晶，秦會(huì)斌，程春榮.基于CC2430片內(nèi)溫度傳感器的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.電子器件，2010（3）：295-298.

［3］侯艷波，秦會(huì)斌，胡建人，等.基于嵌入式和ZigBee技術(shù)的節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子器件，2012，35（6）：670-673.

［4］杜元生.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2013.

［5］王平，王泉.測(cè)量與控制用無線通信技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008：240-262.

［6］林利瓦，張軍.基于ENC28J60的中央空調(diào)節(jié)能控制器以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)，2010（7）：54-56.

［7］Alvarez E.Practical Cade Study of Remote and Local Powering System for Hybrid Fibre-Coaxial Networks［J］.Networks，2004，35（2）：294-301.

［8］王磊，李增榮.低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2009，15（1）：74-76.

［9］章偉聰，俞新武，李忠成.基于CC2530及ZigBee協(xié)議棧設(shè)計(jì)無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)［J］.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2011（7）：184-187.

［10］劉旭飛，李曉輝，梁新宇.基于ZigBee技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及抗干擾分析［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2012（10）：2412-2414.

王長(zhǎng)峰（1989-），男，遼寧省丹東市，貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置專業(yè)，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)閭鞲衅鳎?68915924@qq.com；

陳進(jìn)軍（1956-），男，陜西戶縣，本科，高級(jí)工程師，碩士生導(dǎo)師，實(shí)驗(yàn)室主任，主要研究方向和領(lǐng)域?yàn)楣怆姂?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(xiàng)目來源：貴州大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（研理工：2015008）

2015-05-22修改日期：2015-07-01