多生理參數的無線實時監護系統設計

摘要：基于ZigBee PRO無線傳感網絡技術，以SoC芯片CC2530為核心控制元件，采用脈搏傳感器、溫度傳感器等傳感技術，設計了一個無線實時監護系統。實現了人體的體溫、脈率以及脈搏信號等生理參數的采集、實時定位等功能，采集到的數據通過ZigBee網狀網絡傳輸到監護系統終端。
關鍵詞：ZigBee PRO；CC2530；無線傳感網絡；生理參數；定位

1 ZigBee PRO技術及其優勢
ZigBee PRO在網絡可靠性、網絡容量以及抗干擾性等多方面均有所改善。設計的目標是商業和工業環境，支持大型網絡，1000個以上網絡節點。
1．1 隨機地址分配機制
ZigBee PRO用隨機地址分配機制取代了原有的樹地址分配機制，使其更加適合于大規模的網絡。隨機地址分配機制的網絡地址是隨機選取配置的，并通過不斷監控和達到“管理”流量將地址沖突挑選出來。因此，所有節點的位置與其在整個系統網絡拓撲中實際相對位置完全沒有關系，并且不需要事先根據網絡分布情況配置最多路由器節點、最長深度等網絡參數。
1．2 路由算法改進
ZigBee PRO新增了一對多路由、多對一路由和源節點路由。在無線監護系統中，如果每個節點鄙做到一對一路由，將產生大量的廣播信息，容易造成網絡堵塞和路由表中的路由信息溢出。多對一路由，就是一個單一的廣播傳輸形成所有設備到發送廣播的設備的反向路由，可解決上述問題，并能快速地建立路由路徑。
1．3 頻率跳變
ZigBee協議通常工作在ISM 2．4G頻段，該頻段常用于工業、科學與醫療，如Wi-Fi和Bluetooth，因此數據傳輸的抗干擾能力十分重要。ZigBee PRO具有頻率跳變的功能，當受到外界的強干擾時會自動搜索一條新的空閑信道，然后將整個網絡快速且無縫地轉移到該信道上運行。
1．4 數據包分割／重組傳輸機制
ZigBee的PHY層定義的最大數據包長度為127字節，除去各協議層的幀頭開銷，實際一幀的有效數據載荷一般不超過90個字節。在無線監護系統中，終端沒備每次發送的數據量達到幾百字節，ZigBee PRO提供的數據包分割／重組傳輸機制解決了大數據包的問題。發送節點自動將大數據包分割成小數據包后進行傳輸，接收節點后再將小數據包重組還原成大數據包。

2 系統總體設計方案
2．1 網絡架構
無線監護系統采用ZigBee PRO協議構成網狀網，具有很高的傳輸可靠性和自修復能力。無線監護系統的網絡拓撲結構如圖1所示。其中，協調器負責建立和維護網絡，并通過USB與監護終端進行雙向通信；路由器負責最佳路由路徑的搜尋以及數據的轉發，并協助終端設備進行定位；終端設備佩戴在被監護人身上，負責生理參數和定位信息的采集，只具備數據發送而無轉發功能。

2．2 終端設備電路框圖
本系統的硬件電路包括協調器、路由器和終端設備。其中，協調器和路由器的電路大部分相同，只是協調器增加了USB轉UART的模塊。終端設備電路框圖如圖2所示。