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哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 网络化吸氧记录系统的设计 摘要 随着通信行业的迅猛发展，无线传感器网络已经从初期的军事领域发展 到工业、科学和医学领域，并且发挥着越来越重要的作用。无线传感器网络 信息采集技术也已经由过去的单一化逐渐向网络化的方向发展。 本文首先以z i g b e e 技术为研究基础，与当前应用较多的无线局域网( w i f i ) 、超宽带通信( u w b ) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、红外线数据通信( i r d a ) 4 种无线 传感器网络与z i g b e e 进行比较，得出了z i g b e e 在低速率、低功耗的无线传感 器网络在本系统应用的优势。 然后给出了基于z i g b e e 技术的吸氧记录系统的总体方案设计，通过组建 无线网络，从而构建出吸氧记录系统的无线网络信息传输软、硬件平台，其 中硬件设计包括系统的终端吸氧记录仪和协调器的硬件结构，重点阐述了终 端吸氧记录仪的硬件结构设计，包括读卡机、i c 卡、电源处理电路、电磁阀 开关接口驱动电路、低电压检测电路等电路设计。协调器硬件设计主要是协 调器与上位机通信接口设计。另外，在电源方面运用充电的方式为终端吸氧 记录仪供电。 下位机软件设计则使用z i g b e e 2 0 0 6 协议来作为传感器网络的通信协议， 运用z s t a c k 协议栈对硬件接口和应用实例进行修改，主要对终端氧记录仪 节点和协调器节点进行软件设计，给出了各个设备模块软件所实现功能和流 程图，从而大大的缩减了我们的程序编写时间。对于上位机监测管理软件的 设计，则应用v b 6 0 进行编写，主要完成显示网络中每个终端记录仪的各种 数据参数，通过监控管理网络数据参数来实现我们所预期达到的功能。最后 对系统进行功能测试，这里主要对无线模块之间的通信和低功耗测试，并对 其结果进行分析。 关键词z i g b e e ；读卡机：协调器；c c 2 4 3 0 ；吸氧记录系统 哈尔滨理工人学工学硕上学位论文 d e s i g no fn e t w o r ko x y g e nr e c o r d i n gs y s t e m a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o m m u n i c a t i o ni n d u s t r y , w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r kh a sb e e nf r o mh i se a r l ym i l i t a r yf i e l dt ot h ei n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n d m e d i c a lf i e l d ，a n dp l a y sam o r ea n dm o r e i m p o r t a n tr o l e w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r ki n f o r m a t i o nc o l l e c t i o nt e c h n o l o g yh a sa l s og r a d u a l l yc h a n g e df r o mt h e p a s ts i m p l i f i c a t i o nt on e t w o r k o r i e n t e dd e v e l o p m e n t f i r s tt h i sa r t i c a lb a s e so nt h ec u r r e n ta p p l i c a t i o nz i g b e et e c h n o l o g y , c o m p a r e dm o r ew i r e l e s sl a n ( w i f i ) ，u l t r ab r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o n s ( u w 8 ) ， b l u e t o o t h ( b l u e t o o t h ) ，i n f r a r e dd a t ac o m m u n i c a t i o n ( i r d a ) f o u rk i n d s o f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，o b t a i n sa p p l i e da d v a n t a g e sz i g b e ei nl o ws p e e d ， w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ko fl o wp o w e rc o n s u m p t i o ni nt h es y s t e m t h e nz i g b e et e c h n o l o g yi sg i v e nb a s e do nt h eo v e r a l ls c h e m eo ft h eo x y g e n r e c o r d i n gs y s t e md e s i g n ，b ys e t t i n gu p aw i r e l e s sn e t w o r k ，t h u se s t a b l i s h i n g o x y g e nr e c o r d i n gs y s t e mw i r e l e s sn e t w o r ki n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ns o f t w a r ea n d h a r d w a r ep l a t f o r m ，i n c l u d i n gh a r d w a r ed e s i g ni n c l u d i n gt h es y s t e m st e r m i n a l o x y g e nt u n e rr e c o r d e ra n dt h eh a r d w a r es t r u c t u r e ，e x p o u n d st h et e r m i n a lo x y g e n t h eh a r d w a r es t r u c t u r ed e s i g n ，d a t ar e c o r d e ri n c l u d i n gr e a d e r , i cc a r d ，p o w e r p r o c e s s i n gc i r c u i t ，e l e c t r o m a g n e t i cv a l v e s w i t c hi n t e r f a c ed r i v ec i r c u i t ，l o w v o l t a g ed e t e c t i o nc i r c u i td e s i g n h a r d w a r et u n e ri sd e s i g n e da n ds u p e r o r d i n a t i o n m a c h i n ec o m m u n i c a t i o ni si n t e r f a c ed e s i g n e d i na d d i t i o n ，i np o w e rf o rt h ew a y b yc h a r g i n gi no x y g e nr e c o r d e rp o w e rs u p p l i c a t i o n d e s i g no fl o w e rl e v e lc o m p u t e rs o f t w a r ez i g b e e 2 0 0 6a g r e e m e n ti su s e da sa s e n s o rn e t w o r kc o m m u n i c a t i o np r o t o c o ls t a c k ，u s i n gz i g b e ep r o t o c o ls t a c k h a r d w a r ei n t e r f a c ea n da p p l i c a t i o ne x a m p l e so ft h em o d i f i e d ，m a i n l yt ot h e t e r m i n a lo x y g e nr e c o r d e rn o d e sa n dt u n e rn o d e ss o f t w a r ed e s i g n ，a n ds h o w se a c h d e v i c em o d u l es o f t w a r ef u n c t i o n sa n df l o wc h a r t t h u si tg r e a t l yr e d u c e so u r p r o g r a m m i n gt i m e f o rp cm o n i t o r i n gm a n a g e m e n to fs o f t w a r ed e s i g n e d ，t h e 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 a p p l i c a t i o nf o rw r i t i n g ，i tm a i n l yc o m p l e t e sv b 6 0d i s p l a yn e t w o r ke a c ht e r m i n a l r e c o r d e r ，a l lk i n d so fd a t a ，t h r o u g hm o n i t o r i n gm a n a g e m e n tn e t w o r kp a r a m e t e r s t oa c h i e v eo u rd a t ap a r a m e t e r sa r ee x p e c t e dt of u n c t i o n i nt h ee n d ，s y s t e mt e s t f u n c t i o n a l i t yf o rw i r e l e s sm o d u l eb a s i c a l l yc o m m u n i c a t eb e t w e e nt e s ta n dl o w p o w e rc o n s u m p t i o n ，a n dt h er e s u l t sw e r ea n a l y z e d k e y w o r d sz i g b e e ，r e a d e r ，t u n e r , c c 2 4 3 0 ，o x y g e nr e c o r d i n gs y s t e m i i i 哈尔滨理t 大学硕上学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着城市快速发展的步伐，人们的生活节奏加快，精神压力也随之升 高。特别是城市的白领阶层，工作生活压力过大，常出现到医院吸氧来减压 的现象，这使得医院供氧需求量加大，供应氧气的设施也剧增。以往的供养 系统只是一个独立的吸氧记录仪，当病人吸氧时护理人员要打开氧气，记录 时间，病人使用完之后护理人员还要关闭氧气开关，并针对耗用的时间核算 出氧气使用的费用。这样一来增加了护理人员工作，同时也带来徇私的可能 性，给护理人员可以随意的更改氧气使用费用的机会。另外还有供电的损耗 方面，因为以往的m c u 控制系统功耗过大，致使仪器所用的电池用不多久 就要更换。有时电池没有及时更换，造成显示时间停滞。这样即浪费了很多 的人力物力，同样也致使医院氧气资源的浪费。 随着无线通信技术、嵌入式计算机技术以及智能传感器技术的快速发 展，传感器技术已经从过去的单一化逐渐向网络化的方向发展，这样无线传 感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 由此发展。无线传感器网络在我 们的生活中无处不在，而且无线传感器网络应用前景十分广阔，在工业、农 业、军事国防、医疗环境监测、抢险救灾、危险区域远程控制等许多领域都 有重要的科研价值和巨大的实用价值，引起了世界各国的多领域的科研人的 重视n 2 1 。因此，我们应解放军二一一医院后勤部对吸氧记录系统项目要 求，并针对以往供氧系统存在的各方面缺陷，设计一种智能化、网络化的吸 氧记录系统。采用无线传感器网络技术，解决操作繁琐、现场环境复杂、功 耗大等实际问题。 针对系统各方面的性能指标，选择t z i g b e e 技术来实现网络化数据的传 输。因为它是一种网络容量大、节点体积小、构架简单、时延短、低速率、 低功耗、安全及高保密性的无线通信技术。由于其节点小，且能自动组网， 所以布局十分方便；又因其强调有大量的节点进行群体协作，网络具有很强 的自愈能力，任何一个节点的失效都不会对整体任务的完成造成敛命性影 响，所以适合用来组建无线传感器网络拈1 。特别适合吸氧记录系统的分布复 杂的特性，这样我们在氧气设备上安装无线单片机模块，在整个医院建立 哈尔滨理t 大学硕十学位论文 z i g b e e 无线通信硬件平台，通过刷卡进行身份识别、开关控制和收费。所有 的数据传输到上位机去管理计费，数据实时显示在上位机界面上，包括耗用 时间，收费核算、低电压检测、电池功耗等。这样该系统实现了具有无人值 守、实时、高效、实用等功能和特点，系统的开发具有广阔的应用前景。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 吸氧记录仪在国内外的发展概况 目前，随着人民生活水平提高，吸氧已经成为一种健康时尚，吸氧不仅 可以给有疾病的人供养，而且还可以改善亚健康人的身体状态，现代社会， 竞争激烈，节奏加快，压力过大。人们常有情绪低落、心情烦躁、失眠、疲 劳、头痛、多梦等症状。医学专家称之为亚健康状态。据调查统计约有 6 0 的人群处于亚健康状态，而且中青年知识分子比例更高，约有7 8 的人 处于亚健康状态，再加上吸烟，酗酒等，更使身体健康状态恶化。实验证 明，吸氧对改善亚健康状态非常有效。睡前吸氧好处多，时下，人们币从重 视医疗转向预防，这是时代发展的趋势。谁的保健意识强，消费理念跟的 上，谁的机体免疫力就强，就少生病，少痛苦，少花钱，防病胜有病。 吸氧记录仪这种医疗设备因此应运而生，在国内，天津市康维旭医疗器 械贸易有限公司生产的吸氧记录仪，是一款记录医院吸氧人吸氧时问的医疗 器械，其结构是由氧气流量计和显示控制器一体组成，其中显示控制器也就 是液晶显示控制模块包括微控制器、液晶显示器、存储器、声光提示部、远 红外传感器和电源。这款吸氧记录仪是来记录并显示患者的吸氧累计时问， 最后人工计算出吸氧人的使用费用。但是缺点是需要及时更换电池，根据具 体记录时间人工核算氧气费用，医护人员要经常检查氧气设备的工作状态。 对于氧气瓶内的容量要查看氧气流量计以便知道剩余量，能及时灌氧。而在 国外，已经有一些生产仪器的厂商和机构，将无线技术应用在各种医疗器械 上了。更多使用的是蓝牙和g p r s 等一些无线通信技术。 而把z i g b e e 技术应用到吸氧记录仪上国内外还没有这样的产品，所以我 们引入, z i g b e e 技术作为我们的技术平台，开发无线个人区域网络( w p a n ) 通 信，并以其协议简单、低成本、低功耗、组网简单等一些特点，应用在我们 的医疗器械上面，完善医院现有设备的不足，也是对以后我们发展无线网络 行业有了更好的铺垫h 5 1 。 哈尔滨理工人学硕上学位论文 1 2 2 z i g b e e 技术国内外发展概况 在2 0 0 0 年1 2 月，电气和电子工程师协会成立了i e e e8 0 2 1 5 4 工作组。这 个工作组定义了一种成本低、便携可移动的、低速率无线通信技术，z i g b e e 无线技术就这样的诞生。2 0 0 3 年3 月正式通过了l r w p a n ( i o wr a t e w i r e l e s sp e r s o n a la e r e aw o r k ) i e e e 8 0 2 1 5 4 标准。z i g b e e 正式标准发布是由 1 3 家通信及传感器领域的知名厂商于2 0 0 4 年底共同发起制定的。同时成立了 z i g b e e 联盟以避免标准混乱带来的内部争斗阳1 。2 0 0 6 年1 0 月，在2 0 0 4 年发布 的协议标准上，完善了物理层和m a c 层所采用的标准协议规范一一 i e e e 8 0 2 1 5 4 协议标准，由此定义了物理层和媒体接入层的标准协议规范， 同时z i g b e e 联盟发布2 0 0 6 协议栈定义了网络层和应用层协议规范。 z i g b e e 技术的研究在国内仍处于起步和发展阶段，但是随着无线技术迅 猛发展，z i g b e e 技术必将是一支独秀。目前国内华为公司已经通过申请成为 一员，还有北京的赫立讯科技公司、西安华凡科技公司已经在国内崭露头 角，其产品已经应用在北京大兴地铁线路上使用，还应用在人体健康监测、 烟气监测上等等。虱1 2 0 0 8 年，加入z i g b e e 联盟组织的成员已经超过2 2 0 个， 这些成员中中国内地已经有到十几家公司，他们主要是芯片制造商、产品开 发商、网络运营商、系统集成商等公司和标准化组织，可以肯定的说z i g b e e 技术将掀起新的科技浪潮。 1 3z i g b e e 技术与其他无线通信技术的比较 1 3 1 几种短距离无线通信技术 近几年来，短距离无线网络技术正成为业界谈论的热点，除t z i g b e e 技 术外，分别是无线局域网( w i f i ) 、超宽带通信( u w b ) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、红 外线数据通信( i r d a ) 等 1 。将z i g b e e 技术与之比较分析，能够更好地了解它 们的性能和应用领域。 1 w i f i 技术 w i f i 应用最广泛的w l a n 标准，是以8 0 2 11 x 网络规范。目的是提供无 线局域网的接入，可实现几兆到几十兆的无线接入。它的传输半径长可以达 到1 0 0 米左右，而且速率可达到1i m b p s ，解决了无线局域网和区域网中用户 哈尔滨理t 大学硕十学位论文 和用户终端的无线接入阳1 。w i f i 技术规定了协议的物理层和媒体介入层， 并依赖t c p i p 作为网络层，方便地将电脑设备无线接入i n t e m e t 。由于带 宽较高为代价的，因此大部分的便携w i f i 装置需要较高的电能储备，限制 了它工业上的推广和应用。 比较z i g b e e ，w i - f i 的缺点是功耗大、成本高、协议开销大、需要接入 点。一个设备上增力l l w i f i 至少1 5 美元。所以结合本项目的现实应用及未来 拓展开发，w i f i 技术不适合我们这种低成本的硬性指标。 2 超带宽通信( u s b ) 技术 超带宽是一种利用纳秒的非正弦波窄脉冲数据来传输数据的无线载波通 信技术，故此所占频谱范围非常宽。超带宽的信号是在较宽的带宽上传输。 它多应用于小范围内、密集的场所的高速无线接入，适合建立一个高效的无 线个域i n ( w p a n ) 。超宽带最具有特色的应用将是视频消费娱乐方面的无线 个域网旧一引。相比较z i g b e e 而言，超宽带传输速率高，通信距离短，适合便 携应用。但是，考虑其成本高和应用途径限制，不适合本项目。 3 蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 蓝牙技术是一种规范性、开放性的无线数据和语音通信，蓝牙以低 廉的成本，近距离连接优点，能有效的把固定设备与移动设备相连接。 蓝牙工作在全球通用的2 4 g h zi s m 频段。全双工传输采用时分双工传 输特性。使用i e e e 8 0 2 15 协议，连接一般小于lo 米。蓝牙基带协议是是 把电路、分组交换整合在一起，传输数据包可在保留的时隙中进行，数 据包发送频率不同。对其应用方面，在蓝牙技术的帮助下，越来越多的 人开始了居家办公，生活更加随意而高效n 引。他们还将蓝牙技术融入居 家办公以外的领域，将技术应用扩展到家庭生活的其它方面。比如应用 在汽车上的无线装置，儿童玩具上等等。 z i g b e e 技术比蓝牙技术在安全性上能得到一定的保证。另外，有利于控 制系统成本。如果把蓝牙技术作为本课题的无线网路通信途径，首先不适合 医院氧气设备分布复杂的情况，因为医院有几百的氧气吸氧设备，这样蓝牙 却一个点只能有八个节点，不满足设备多，复杂的要求，另外蓝牙点对点传 输距离太受限制。所以蓝牙技术不适合本课题。 4 红外技术( i r d a ) i r d a 是红外数据协会的简称，i r d a 铝0 订的一系列红外数据通讯标准形 成了红外数据通讯技术的基础。波长较短的红外线弊端是不能避免障碍物的 干扰，通信传输距离不超过l o 米左右n 3 1 。红外通讯技术，它具有技术成熟， 哈尔滨理工人学硕l j 学位论文 成本低廉，兼容性好和通讯速率较高的特点，而且已经获得了广泛的软硬件 支持并且正在被普遍地使用，被众多厂商所支持和采用。但是红外通信扩展 性能差，功能也很单一等缺陷必将被现代无线通信技术所淘汰。 红外技术与我们课题不符合条件太多，比如最关键的组建网络，而红外 无法创建网络，还包括通信距离短等条件限制。 1 3 2z i g b e e 技术的特点 z i g b e e 技术的是基于i e e e8 0 2 1 5 4 无线标准研制开发的有关组网、安全 和用软件方面的通信技术。它成功的实现了多个传感器设备节点问的协调通 信。z i g b e e 技术将成为网络通信行业的耀眼明星，将在工业监控、医疗监 控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域创造不可估量的价值1 引， z i g b e e 主要技术特点如下： 1 通信速率低、协议简单 z i g b e e 采用三种网络拓扑结构，它们都适用于低功耗、低速率的设备， 其传输速率2 0 k b p s 至1 2 5 0 k b p s 。 2 低功耗 因为设备工作周期很短并_ e l z i g b e e 技术采用了多种节能模式，其功耗极 低。两节五号电池可以支持长达6 个月到2 4 月的使用时间。 3 成本低廉、工作频段灵活 z i g b e e 协议无需专利费、协议构造简单、数据传输低和存储空间小等等 降低t z i g b e e 的应用成本。z i g b e e 有三个免费的频段，例如美国9 1 5 m h z ， 2 4 g h z 欧洲的8 6 8 m h z ，中国现在使用的频段是2 4g h z 。 4 接入网络快、时延短 对于时延我们进行优化，当终端接入时延一般为1 5 m s ，休眠启动时延 为1 5 m s ，搜索时延值为3 0 m s ，从这点看出该技术的接入网络和传送数据时 延短，适合建立网络数据传输。 5 网络容量很大 z i g b e e 可使用与各种网络拓扑结构，父节点管理多个子节点，并且每个 父节点最多可以管理2 5 4 个子节点。所有的父节点可以由自己上一层的网络 节点管理，组成更大的网络，其节点最多可达6 5 0 0 0 个。 6 安全性 z i g b e e 提供了3 级安全模式，包括无安全保证的设定、使用接入控制清 哈尔滨理t 大学硕l ：学位论文 单( a c l ) 、防止数据丢失、采用高级加密标准( a e s l 2 8 ) 的对称密码，可灵活 确定其安全属性。6 4 位出厂编号和支持a e s 1 2 8 h h 密。 7 可靠性 节点间有自动组网功能，如果其中一个设备有损坏，网络可从新组网。 另外网络传输采用碰撞避免机制，避免发送数据时竞争与冲突。同时为需要 固定宽带的通信业务预留专用的时隙，信息能在整个网络中任意选择路由的 方式进行传输，这样保证信息传输的可靠。 如表1 1 所示，短距离无线网络技术的比较，我们更加清晰的了解到 z i g b e e 技术的优势，把z i g b e e 技术作为我们研究吸氧记录系统核心，有了更 进一步的肯定。 表1 1 短距离无线网络技术比较 t a b l e1 - 1c o m p a r e ds h o r t - r a n g ew i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g y 种类 z i g b e e 蓝牙 w i f i 红外 频段 8 6 8 m h z - 2 4 g h z2 4 g h z2 4 g h z8 2 0 n m 点对点通信距离7 0 m 1 0 m5 0 m 5 m 网络节点数6 5 5 3 6 8 5 0无 传输速率 2 5 0 k b i t sl m b sl l l m b s4 或1 6 m b s 入网时间3 0 m s1 0 s3 s1 0 m s 成本低较高高较低 安全性两高较高低 功耗l m w 3 m wl 1 0 0 r o w大于1 0 0 m wl o m w 1 4 论文的研究内容 本文主要从系统组网的实现，给出了自己的软、硬件设计方案并对各个 模块电路的设计、数据传送机制等方面给出了详细的阐述。最终搭建基于 z i g b e e 技术的网络化吸氧记录系统的演示平台，并进行调试。然后通过实验 分析终端节点身份信息的采集和网络最佳路径分析，发现在实际通信中潜在 的问题并提出解决办法。本论文研究主要内容如下： 1 阐述吸氧记录系统的总体设计方案，详细介绍网络化组网流程，以及 其各个子模块系统的硬件构成和工作原理。包括无线网络终端吸氧记录节 点、协调器节点的硬件设计、p c 机与协调器节点的接口设计、电源供电方 式设计等。 ， 哈尔滨理t 大学硕十学位论文 2 介绍了传感器的节点和上位机软件开发环境，阐述了终端吸氧记录仪 节点、协调器节点的程序设计流程、节点问数据通信方式、上位机与协调器 节点之问的通信协议设计、上位机软件设计等。 3 软硬件平台设计完成之后，吸氧记录系统进入调试及应用阶段，所以 这章对系统的功耗和功能测试，列出结果并进行分析。 哈尔滨理工人学硕士学位论文 第2 章吸氧记录系统的总体设计 2 1 总体设计方案概述 2 0 世纪9 0 年代以后，随着科技的不断发展，各行各业都迫切需要智能 化器械，而对于医院对于医疗器械的智能化更为迫切。医院几乎每年都要采 购一些高智能的医疗器械，来改变那些陈旧、单一、操作繁琐的医疗器械。 所以根据院方的要求，并通过之前对z i g b e e 技术特点的了解，可以得出，把 z i g b e e 技术应用在吸氧记录监测管理系统上，在其无线领域有巨大的优势。 由于z i g b e e 技术属于多跳路由、自组网络、通信时延短等特点，使覆盖医院 面积，节点数量不会受到限制，所有的终端吸氧设备可以随意的改变位置， 不会影响网络正常传输。加上这些节点具有身份识别功能、电磁阀控制功能 等等，很适合本项目要求。 本文最终的目的，就是想结合z i g b e e 无线传感器网络特点，建立一个 z i g b e e 网络软硬件平台，并研发一种适合于医院吸氧记录的资费、监控系 统。该系统由4 个部分组成：终端吸氧记录设备、具有路由功能的吸氧记录 设备、网络协调器设备、网络监测管理中心。 该系统总体设计功能要求如下： 1 能够利用读卡机得到病人的身份识别数据参数； 2 系统得到吸氧人身份信息，给吸氧记录仪发指令打开脉冲电磁阀，进 行输氧； 3 上位机软件实现实时、高效的数据显示。包括氧气的使用费用、耗用 时间、低电压报警、电池电量；选用低功耗、低电压的电磁阀； 4 构建稳定的z i g b e e 无线通信网络； 5 系统要求为低成本、低功耗。 吸氧记录系统的总体设计方案，其基本思想就是： 系统利用i c 卡为病人身份凭证，以数据单向传输为载体，采用预付结算 体系模式实现医院内部各类氧气费用管理。首先，i c 卡在终端设备上方近距 离接触，因为内部有读卡机电路，会将i c 卡上吸氧人的i d 号读取，并存储 在存储芯片上。数据通过z i g b e e 两x 络以接力方式传输到协调器节点( 主节 点) ，数据再通过串口传输上位机。上位机接到i c 卡吸氧人i d 信息后，将 哈尔滨理t 大学硕士学位论文 对终端设备发送电磁阀开关指令信息，打开电磁阀。当吸氧人不需要氧气 时，就将i c 卡再刷一次，蜂鸣器会发出响声同时氧气阀会自动关闭，上位机 将停止计费同时结算费用。另外，i c 卡不能同时使用在两台机器。上位机得 到的管理模式是预付费计费管理模式，预付费模式采用先买后用对等商业原 则供氧，吸氧人需先凭i c 卡在专门的管理系统( 上位机) 购用氧指标或直接 授定权限后，才能用氧。原则是不能欠费用氧，杜绝欠费用氧现象，所以吸 氧人需要存入足够的费用。 2 2 组网方案概述 在z i g b e e 网络中，i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准规定的三种网络拓扑结 构，网络结构大致可以分为三类：星形网络、网状网络、簇状网络( 树状网 络) 三种网络拓扑结构。在本论文中，根据医院吸氧设备的分布情况，及从 网络的稳定性、可靠性考虑，我们选择树状网络结构实现网络化，寻找一种 网络路由能够优化网络传输路径办法，通过z i g b e e 协调器建立新的网络n 7 1 。 下一节将会介绍网络组网的流程。对于网络节点间数据收发的过程是：主节 点( 协调器) 在收到请求后依次向自己关联的子节点发送唤醒信号，终端节 点也就是子节点唤醒后把数据发送给主节点( 协调器) ，当主节点接收到从 节点的信息后，一同发送给上位机监测管理中心。为了能够采集到每一个吸 氧设备的数据，选择簇中一个较为靠近中心的吸氧设备设置为主节点，而其 它的吸氧设备则为从节点。 2 3 组网流程 2 3 1z i g b e e 协调器组建网络 在z i g b e e 网络中，只有z i g b e e 协调器设备而且当前没有网络连接的时 候才能尝试去建立一个新的网络。z i g b e e 设备工作时，各种不同的任务在 不同的层上执行，通过协议栈各层的各种服务，完成所要执行的任务。各项 服务都是通过服务原语来实现的，它将通过该层的服务接口( s a p ) 与建立对 等连接的用户的相同层之f h j 进 r 通信。 在启动协议栈建立网络之前，必须对协议栈的各个层进行相关参数的设 置，首先最重要是网络地址的选择与配置。每个z i g b e e 设备都有一个独立 的6 4 位的i e e e 地址，即设备的m a c 地址，我们可以通过s m a r t r f 烧写器 烧写i e e e 地址。在实际情形下，为了方便识别设备，应用1 6 位的网络地 址来识别设备是最可行的。网络地址分配是由建立网络的协调器来完成的， 为了让网络中的每一个设备都有唯一的网络地址，必须要通过协议栈对网络 层的n w kg l o b a l s c 文件三个参数来进行设置，第一个是m a xd e p t h ， m a xd e p t h 这个参数决定了网络的最大深度，这个参数可以从根本上决 定这个网络有多大，协调器位于的是深度0 ，协调器的子节点就为于深度 1 ，如果定义了最大深度为2 ，协调器的子节点就是本网络的最大深度了， 就不可以在带载下一深度的节点了。第二个参数就是m a xc h i l d r e n ， 这个参数决定了一个路由器可以处理的最多节点数，如果该节点数已经达到 了最大m a xc h i l d r e n 的数量，即使有其他节点申请加入，也没有空间 在给其分配网络地址了。第三个参数是m a xr o u t e r ，这个参数与第二个 参数相似，其实是第二个参数的子集，限制了所带节点必须是路由设备，即 是所能带载的最大路由节点n 引。这三个参数决定了网络的大小，所以，所有 的网络地址的分配都必须遵循这三个参数的标准。 另外，同时也要在n w k c文件下设置组成的网络类型，网络类globals 型由三个参数分别代表不同的组网类型，n w km o d es t a r 参数代表组成 星型，n w km o d em e s h 代表网状网络类型，n w km o d et r e e 代表 树形网络类型。没有特殊的需要，其他的参数不需要设置，保持协议栈原来 的默认情况下即可，最后调用n l m en e t w o r k f o r m a t i o n r e q u e s t 0 函数来建 立一个网络，在实际中不需要调用这个函数。因为程序块都是在一个文件 下，为了适应不同的设备，最好调用z d os t a r t d e v i c e 0 函数，该函数适合 协调器建网的同时，也具有发现网络加入网络功能，会根据不同的设备类型 去执行不同的程序块。 具体的组网流程如图2 1 所示，协调器节点( 父节点) 上电后从休眠状 态激活，调用m a c 层信道扫描，通过扫面来获取网络信息，主协调器周期 的广播信标帧。协调器节点( 父节点) 建立网络之后，协调器将对申请入网 的子节点进行处理，看是否接受到子节点的请求命令帧，之后在决定是否接 受子节点请求。如果接受此节点就为子节点分配1 6 位短地址，同时把协调 器节点的信标序号和超帧激活序号发送给子节点。然后看地址空问是否为 满，如果没有满则给入网的节点分配地址，发送入网响应，子节点完成功入 网。如果地址已满，则入网失败。 哈尔滨理丁大学顾十学位论文 图2 1z i g b e e 组网流程 f i g 2 1p r o c e s so fz i g b e eb u i l d i n gn e t w o r k 2 - 3 2 子节点加入z i g b e e 网络 当一个新的网络建立成功后，只有设备类型为z i g b e e 协调器和路由器 时，才有资格和能力是否允许其他设备与网络连接。设置p e r m i t d u r a t i o n 参 数为0 x f f ，表示在任何时间内都允许网络外的孤立节点加入网络。当一个 孤立节点加入网络时，一对父子设备的关系就构成。子节点发送入网请求， 如果收到入网请求，则成功加入网络。如果没有收到回复，则继续申请父节 点加入网络，如没有申请至0 父节点则说明入网失败，否则继续申请入网。如 图2 - 2 所示，子节点加入网络流程。 哈尔滨理工人学硕- f 学位论文 图2 2 子节点加入网络流程 f i g 2 - 2p r o c e s so fc h i l dn o d ej o i n i n gt h en e t w o r k 终端节点( 子节点) 在扫描信道时采用主动方式，并获取协调器节点 信标帧内容，再决定加入网路。通过发送请求来加入网络，子节点需要初始 化自身的参数，这要求用父节点的信标序号和超帧激活序号。用分配的短地 址更新其m a cp i b 中地址参数，完成所有的配置后，子节点开始周期性广 播发送信标帧，这样子节点成功加入网络。 2 4 终端记录仪硬件设计 在系统硬件设计时，把z i g b e e 节点按照功能分成两部分，协调器节点和 终端采集控制节点。不同之处在于硬件结构，终端节点带有路由功能节点在 哈尔滨理t 大学硕j ：学位论文 硬件结构上更复杂，执行命令更多些。而协调器节点需要存储空间大等要 求，硬件结构简单。还有就是区别在网络层上，协调器节点建立和管理整个 无线传感器网络，而终端采集控制节点只需要加入网络。每个z i g b e e 终端节 点的硬件都由最基本的两个部分组成：z i g b e e 芯片和外围扩展元器件两部 分。根据总体的设计要求，终端采集控制节点的功能是采集i c 卡上的数据， l e d 上显示吸氧人i d 号，并控制电磁阀的启动，终端采集控制节点本身没有 控制电磁阀的功能，只有得到上位机指令才能开启和关闭电磁阀。其硬件框 图如图2 3 所示。 图2 3 终端记录仪的结构组成 f i g 2 - 3s t r u c t u r eo ft e r m i n a lr e c o r d e r 2 4 1z i g b e e 无线模块选型 目前，z i g b e e 微控制器、射频收发器的生产厂商有多家，本课题为了 开发的方便，选用理想的无线收发芯片可以减少开发难度，缩短开发周期， 特别是对一些小公司最求的就是以降低成本为目的，为的使更快的将产品更 快的推向市场。所以选择的z i g b e e 模块已经集成了微处理器和无线收发 器。c h i p c o n 公司推出一款低系统成本、低功耗的射频芯片和网络型软件方 面发嘶i 的实用c c 2 4 3 0 产品，c c 2 4 3 0 具有c c 2 4 2 0 r f 接收器以及增强性能 的8 0 5 1 m c u 和8 k b r a m 等。具有增强的8 0 5 1 m c u 的核心性能是工业标准 8 0 5 1 和性能的8 倍。c c 2 4 3 0 还包括许多外设资源，d m a 、定时计数器、 哈尔滨理工大学硕上学位论文 看门狗定时器，a e s 1 2 8 协处理器、8 1 4 为a d c 、u s a r t 、休眠模式定时 器、上电复位电路、掉电检测电路、及2 1 个可编程i o 引脚。另外， c c 2 4 3 0 可用于z i g b e o 协调器及终端设备，如图2 - 4 所示。 0 ：。，皋 基。营蚤基。重霎垂曩薹茎。差。喜-基营蚤一基- 虽蚤謇室。室莹。垦。拿 p l 一7 i p l 一6 2 p i53 p l4 4 p i35 p l 一2 6 d v d d7 p li8 p l 一0 9 r e s en1 0 p ooi l p 0 11 2 3 6a v d dr f2 3 5a v d ds w 3 4f u fn 3 3t x i _ s w i t c h 3 2r f p 3 la v d d _ r f i 3 0a v d dp r e 2 9a v d dv c o 2 8v c o g u a d r 2 7 a v d dc h o 2 6r b 】a s 2 2 5a v d d i f i 图2 - 4c c 2 4 3 0 芯片引脚 f i g 2 - 4c h i pp i n so fc c 2 4 3 0 c c 2 4 3 0 在接受机传输模式下的电流耗损分别为2 7 m a 及2 5 m a 。 c c 2 4 3 0 的睡眠模式及其与工作模式间超短的激活转换时间，还有它低成本 的，低功耗的性能，能够使得r f i c 成为针对超长电池使用寿命得到理想 解决方案。 2 4 2 读卡机设计 读卡机是由无线单片机、读写器，蜂鸣器，l e d 显示器、存储器电路 等。总之，无线单片机是整个系统的控制核心，使各电路按照设计总要求有 工n o o 盈叱 口田董。口v is吾 一o酉0 x 8o口v 心。巧o 卜。山崎o do 寸o d n o 山 n o 哈尔滨理工人学硕士学位论文 序的完成各自的功能。读写器电路主要完成读写i c 卡内部的身份数据及其 它数据，并将数据打包，存储在读卡器1 2 c 芯片上，并将i c 卡上的所有数 据再通过z i g b e e 网络转发给上位机。 图2 5 读卡机结构框图 f i g 2 - 5s t r u c t u r ed i a g r a mo fr e a d e r 1 存储器的功能及电路设计 采用a t m e l 2 4 c 0 2 芯片的串行e e p r o m 来保存读卡器累计费用总额。其 优势在于接口少，容量满足设计需要。a t m e l 2 4 c 0 2 可以用来存放病人的基 本信息和费用金额，方便上位机查询。可以在掉电时保存数据，防止数据丢 失，而且可以随时查询营业额。a t m e l 2 4 c 0 2 串行e e p r o m 的简要说明，如 表2 1 所示。 表2 ia t m e l 2 4 c 0 2 管脚功能 t a b l e2 1t u b ef o o tf u n c t i o no f a t m e l 2 4 c 0 2 管脚名称功能 a 0 、a 2 、a 3器件地址选择 s d l 串行数据地址 s c l 串行时钟 w p 写保护 v s s接地 v c c1 8 v 6 0 v a t m e l 2 4 c 0 2 是一种低功耗、低电压、电可擦除、可编程只读存储器， 其容量为2 k b ，可重复写1 0 0 万次。2 4 c 0 2 与无线单片机的接口非常简 单，如图2 6 所示。a 0 ，a l ，a 2 为器件地址线，w p 为写保护引脚， s c l ，s d a 为二线串行接口，符合1 2 c 总线协议。在吸氧记录系统中， 2 4 c 0 2 数据受到干扰的情况是很小的，因为它可以在恶劣工业环境中，数据 可以很稳定的存储在其芯片上。 哈尔滨理工人学硕士学位论文 + 5 v g n d 图2 62 4 c 0 2 原理图 f i g 2 - 6p r i n c i p l ed i a g r a mo f2 4 c 0 2 2 读写器设计 系统采用p h i l i p s 公司的m i f a r e 射频技术。读写器电路则以 m c m 2 0 0 为核心。m c m 2 0 0 模块引脚说明，如表2 2 所示。 表2 2m c m 2 0 0 模块引脚 t a b l e2 - 2m o d u l ep i n so fm c m 2 0 0 d o d 7 8 位双向数据总线 a o a 3 4 位地址线 b p后备电池输入端，用于保护m c m 内部密码r a m