基于WSN的汇聚节点设计

1、基于WSN的移动脉搏监护系统汇聚节点的设计摘要：在社会全面飞速发展的进程中，人口老龄化的问题也日渐突出。在我国这样一个人口大国，由于早期的鼓励生育和后来的计划生育等一些政策的影响，导致现在并在未来一段时间内，我国老年人口的数量将会急剧增加。老年人因为身体素质的减弱等原因，一些突发高危疾病的发病率非常高，特别是像心血管疾病这类会直接威胁到生命安全的疾病更是给人们带来了非常大的困扰，有调查显示，这些高危疾病在老年群体中发病的人数基本占到了所有发病人数的一半。在当前的大环境下，很多老人的身边都没有子女亲人陪护，就算是在养老院中，医护人员也不可能随时随地的都在老人的身边进行监护，在这些情况下，老人如果

2、一旦发病，就有可能得不到及时的救助而极大地危害健康甚至危及到生命。因此，对老年人的身体健康和生理参数的监测显得尤为重要。本文对养老院中用于监测老年人脉搏数据的移动脉搏监测系统的汇聚节点进行了研究和设计。移动脉搏监护系统是基于无线传感器网络而实现对老年人脉搏数据进行二十四小时监测的。医护人员通过监测到的脉搏数据就可以随时掌握老人的身体状况，做出正确的处理或在突发情况下做出及时的反应，使老年人的身体健康和生命安全得到了极大地保障。汇聚节点是系统中的关键部分，发挥着至关重要的作用。汇聚节点是由无线收发模块、中央处理器模块和GPRS模块组成，无线收发模块负责数据的接收和发送，中央处理器模块把收到的数据

3、处理以后通过无线收发模块或GPRS模块发送出去，GPRS模块负责与监护中心进行远程通信，各模块各司其职，相互协调，是汇聚节点的功能有序而强大。通过对移动脉搏监护系统汇聚节点的设计，我们了解到监护系统对实现人类健康监护的重要意义。未来，在生活的各个方面监护系统都会得到广泛的应用。在人类社会发展的进程中，监护系统将会发挥越来越重要的作用。关键词：脉搏；养老院；无线传感器网络；汇聚节点The design of the convergence node of the mobile pulse monitoring system based on WSNAbstract:In the process

4、of the full and rapid development of the society, the problem of the aging of the population is becoming outstanding. In China, such a country with a large population, due to the influence of some early encouraging fertility and later the family planning policy, resulting in now and in the future fo

5、r a period of time, the number of China's elderly population will sharply increased. Elderly people because of physical weakness, some unexpected high-risk disease incidence rate is very high, especially like cardiovascular disease which will direct threat to the lives and safety of diseases is

6、given rise to very large problems, according to a survey, these high-risk disease in old age groups the onset of the number of basic account for the half of all the number of incidence. In the current environment, around many of the elderly are not accompanying family, even if it is in nursing homes

7、, health care workers can not be anywhere are in the side of the elderly care in these cases, the elderly if once the disease, there may be no timely assistance and earth does harm to health, even endanger the life. So it is important to monitor the health and the physiological parameters of the eld

8、erly.In this paper, the research and design of the convergence node of the mobile pulse monitoring system for monitoring the pulse data of the old people in the nursing home is carried out. The mobile pulse monitoring system is based on wireless sensor network and can monitor the pulse data of the a

9、ged for twenty-four hours. Medical staff by monitoring the pulse data can keep abreast of the physical condition of the elderly, make correct treatment or in emergency situations to make timely response, has been greatly guarantee the life safety and health of the elderly. The sink node is the key p

10、art of the system, and it plays a vital role.The sink node is by wireless transceiver module, CPU module and GPRS module composition and wireless transceiver module is responsible for sending and receiving data, central processor module to receive data processing after the adoption of wireless trans

11、ceiver module and GPRS module to send out, GPRS module is responsible for remote communication and monitoring center, duties of each module, coordinate with each other is sink node orderly and powerful.Through the design of the sink node in the mobile pulse monitoring system, we realize the importan

12、ce of the monitoring system to realize the human health surveillance. In the future, the monitoring system of all aspects of life will be widely used. In the course of the development of human society, the monitoring system will play an increasingly important role.Keywords: pulse; nursing home; wire

13、less sensor network; sink node1 绪论1.1 研究的背景与意义1.1.1 研究的背景在科技和社会高速发展的现在，健康问题越来越得到人们的重视。人类的健康观念，如何保障身体的健康，尤其是对身体健康状况的监测途径，都在随着科学技术的进步不断发生着巨大的变化。随着科技的发展，医疗已经从过去以医院为主题的临床医疗体系发展到现在以社区、家庭为基本单元，院内外相结合的医疗保障体系。近年来，在经济飞速发展的过程中，人民生活的生活水平正在大幅度的提升着，而由于老年人口所占比例的增加和突发疾病发病率的上升等因素，对医疗监护的需求有了更多的需要和要求，各种人体生理信号的监测仪器得到广

14、了泛的应用。我国是世界上老年人口最多的国家，根据全国老龄工作委员会办公室发布的中国人口老龄化发展趋势预测研究报告可知，在21世纪，我国将是一个不可逆转的老龄社会。我国人口老龄化具有发展迅速、规模巨大、地区发展不平衡、城乡倒置显著等特点。在我国当前社会，很多子女由于工作、学习等外在因素的影响下离家外出，很多家庭只剩下老人留守在家，很多老人得不到照顾，有的老人甚至生活都得不到保障，因此，建立完善的老年人养老、医疗等社会保障的工作特别重要。其中，如何有效的利用现代高科技手段对养老机构中的老年人生理和病理健康状况信息进行实时的监护越来越受到人们的关注。在养老院中，医护人员可以利用监护仪器，将老年人的各

15、种生理信号进行采集，采集节点将采集到的的数据经过传感器网络发送到监护终端，在监护终端进行数据的处理。监护仪器可以实时、连续、长时间的对老年人各种重要的生理特征参数（如：脉搏、心电、呼吸、体温、血压、血氧饱和度等）进行监测，实现对老年人的各种生理病理信息做到随时掌握。移动脉搏监护系统就是在此基础上研究和发展的。1.1.2 研究的意义移动脉搏监护系统就是利用无线传感器网络，通过监测脉搏信号信息来实现实时监测使用者的生理病理状况。在养老院中，随时监测老年人的生命体征和对老年人所在位置的跟踪定位是两个主要问题。在老年群体中，由于心血管疾病等突发性高高、死亡危险大的疾病发病几率特别高，如果老年人在身边无

16、人时突发这些疾病，而医护人员又不能及时监测发现老年人的生命体征，老年人就得不到及时的治疗，并可能因此而失去生命。另外，对患有慢性疾病的老年人，如果不能实时监测到老年人的生理病理信息，医护人员就不得不频繁的奔波于养老院的各个角落，对老年人进行生理特征参数的人测量等护理工作，不但工作任务繁重，而且占用了大量的时间，而老年人也会因为要配合医护人员工作而有了一定的限制。利用移动脉搏监护系统，医护人员就能随时监测到老年人的生理病理信息，并能有效的对老年人的位置进行跟踪定位，可以实时掌握老年生身体状况，及时的对老年人的各种突发情况采取措施。极大地方便和和提高了医护人员对老年人的监护工作，同时也很大程度上方

17、便了老年人的生活便捷性。脉搏信号是包含着人体重要生理病理信息的生理信号。在我国古代时，医生就通过诊脉来感知人体的病理信息。脉搏信号能够在一定程度上反映心血管的机能，因此，如果能及时的掌握老年人的脉搏信号，就可以有效的预防和发现老年人的心血管疾病等潜在问题，对于已经确诊的病人，就可以随时掌握病人病情的变化，是病人能够得到及时有效的治疗和救助。移动脉搏监护系统是利用老年人随身携带的腕带式脉搏检测仪器，实时的采集老年人的脉搏信息，通过无线传感技术，借助于现代化的通讯手段，结合现代计算机技术和健康监护技术，将采集到的使用者的脉搏信息及时上传到监护中心，使监护人员能及时的掌握老年人的生理病理信息的现代医

18、疗手段。在移动脉搏监护系统中，汇聚节点是整个系统中的特殊节点，它监管着整个网络，负责链接监护中心和下级传感器节点之间的通信，相当于整个网络的协调器，向下级节点发送命令，接受下级节点需要上传的数据，通过GPRS模块发送到监护中心的服务器，实现远程通信。1.2 国内外研究现状1.2.1 医疗监护系统的发展和研究现状在经济高速发展，社会生活逐渐信息化的发展进程中，远程医疗和监护系统在医疗领域得到了广泛的应用和极大的发展。监护系统用就是用来随时监测使用者的生理病理信息，给医护人员提供分析参数，并在病人的生理指标超标时可引发自动报警装置的现代医疗智能综合仪器。移动监护系统给病人带来了极大的便捷性，病人不

19、再受时间、地点的困扰，随时向监护中心提供采集到的病人生理病理参数，如脉搏、心电、血压、体温、血糖等，监护中心将这些的数据反映给医护人员，医护人员经过分析，就可以知晓病人当前的身体状况，并针对其病情做出正确的判断，然后针对病人的情况做出及时有效的处理，病人也可以随时接受监护中心提供的日常健康咨询，以及在紧急突发情况下得到及时的救助。监护系统的研究和应用，在国外开展的比较早，其中在美国和西欧国家发展的最快。监护系统的发展最早可追溯至1962年北美建立的第一批冠心病监护病房，此后，有关监护系统的技术和设备得到了快速的发展。20世纪90年代在2G数字移动网络投入运营时，美国的剑桥MIT多媒体实验室的研

20、究项目LIveNet、欧盟财政支持的Amon,MyHeart项目等都涉及到了医疗健康监护系统等方面的研究，此外，在中国科学院、美国哈佛大学和一些如易特科公司等都对监护系统进行了研究。近几年，监护系统有简单的脉搏血氧计、指压测量仪发展到现在复杂的移动心电网、智能背心等，从基于便携式设备、简单的体征测量发展到现在基于手机平台，实现生理病理数据的采集分析，决策支持等。总的来说，不论从哪方面来看，监护系统都在随着科技的进步而在飞速的发展着。与国外相比，我国在医疗监护系统的科研、生产等方面与国外先进水平还存在着一定的差距。我国于1997年7月正式开通了中国金卫医疗网络，它实现了对各地疑难急重症患者进行远

21、程、异地、实时、动态的会诊。在我国，很多科研工作者针对有关无线收发模块在医疗领域的应用展开了专门的研究，这类产品成本低廉，便与集成，功耗比较低，可以灵活的控制无线收发模块，在远程医疗监护系统中有着广阔的开发和应用前景。另外，由于科技水平的限制，一些高精监护设备在我国目前还不能自行研发和制造，只能依靠从国外进口，价格比较昂贵，很多中小型医疗机构无力购买，这极大地阻碍了医疗监护系统在我国的发展和研究应用。目前，医疗监护系统主要有以下几种应用模式：（1） 基于体域网的系统。在此系统中，患者通过身体上佩戴的微小节点来采集所需要的不同类型的生理信号（如体温、血压等）、身体活动动作信号、人体周围环境的信息

22、等，然后通过无线模块把采集到的数据发送到中心节点或者工作站中，供医护人员整理分析。（2） 基于微处理器功能板的系统。在此系统中，生理信号的采集是由微处理器功能板完成的，生理信号的分析是在基于无线传输的后续信号处理单元完成的。如耳挂式生命体征监护仪，可以测量使用者的心率、呼吸频率等生命体征，以供医务工作者评估使用者的整体健康状况。（3） 基于无线传感器和智能手机的系统。该系统利用智能手机采集配备无线传感器的使用者的生理信号数据，通过GPRS和Wi-Fi发送信息，并且实现了危险程度分级，用来预防预警人体突发疾病。如基于智能手机的HeartToGo平台就是通过人工神经网络自发的分析使用者的生理状况，

23、可以用于个人远程心脏病监护。（4） 基于智能纺织材料的系统。该系统是利用嵌入到衣服（如背心等）中的生物传感器来采集穿戴者的生理信号的。如WEALTHY项目，就是利用智能纺织材料，将导电纱线、蓝牙、GPRS等模块嵌入到衣服中，智能的采集并处理和发送使用者的生理信号参数，可用于对老年人和慢性病患者的监护等。1.2.2 脉搏监护系统的发展和研究现状在我国，通过诊脉来检查病人的病理信息的历史悠久，早在公元前7世纪，诊脉就成为中医诊断病人病情的一种主要手段。在史记·扁鹊仓公列传中就有记载：以此视病，尽见五脏症结，特以诊脉为名耳。我国古代的医学巨著黄帝内经、难经中也有许多关于诊脉的详细论述。诊脉

24、又称切脉、按脉、指脉，医生在诊病时通过手指来感觉病人的脉象，从病人的脉搏跳动中获取其病理信息，具有简单便捷、没有创伤、没有疼痛、容易被患者接受的特点。但是，随着社会的进步和科技的发展，传统的诊脉手段在医疗发展进程中暴露出了越来越多的缺点，首先，医生在诊脉时，仅凭手指的感觉来判断病人的脉象特征来获取病人的病理信息，在这个过程中，受到了主观感觉、个人经验和表述等各方面因素的限制，难免会出现一些失误，影响了对脉象判断的规范性和对病人病情判断的准确性；其次，传统的诊脉手段很难掌握，并且医生对脉象的感知无法记录和保存，这就影响了对病人病情前后变化的具体分析和对脉象机理的研究。因此，在科技高速发展的过程中

25、，脉搏监护系统应运而生，极大地解决了上述所说的问题，并且得到了迅速的发展。现代的脉搏监护系统已经发展为结构紧凑、体积小巧、性能优越、便于携带的综合性监护装置，极大的方便了医护人员的工作和病人的生活。1.3 本文各部分内容安排第一部分，为绪论部分，主要介绍了移动脉搏监护系统发展的背景和意义以及国内外研究现状。第二部分，介绍了无线传感器网络的结构及应用等，并几种无线通信技术做了简单的介绍。第三部份，介绍系统设计的整体设计方案和各部分芯片的选型及详细功能。第四部分，对移动脉搏监护系统汇聚节点硬件设计和软件设计。第五部分，结束语，对本课题全文进行总结说明。2 无线传感器网络及无线通信技术介绍2.1 无

26、线传感器网络（WSN）无线传感器网络自提出以来，就得到了迅速的发展和广泛的应用。无线传感器网络与其他无线通信网络一样，采用调制编码技术把有用数字信息通过天线电波发送出去，接收端通过解调和解码把信息恢复出来。其物理层技术可以是时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）、正交频分复用（DFDM）。无线传感器网络传输的信息内容是温度、压强、速度等物理特征，而不是日常手机所传输的邮件、信息、语音等。无线传感器网络体系由多个节点组成，不同节点的功能不同。一个典型的无线传感器网络体系结构如图2-1所示，主要是由传感器节点，无线传输信道、汇聚节点、传输网络和信息处理中心组成的。传感器节点负责收集数据，然后把

27、收集到的数据数据沿着附近其他传感器节点进行传输，数据在传输过程中将会被所经过的各个节点进行处理，被处理后的数据会通过无线传输信道汇集到汇聚节点，汇聚节点将数据打包后再通过因特网等传输网络传送到管理节点，用户就对可以对监测到的数据进行分析和处理，并通过管理节点实现对无线传感器网络的配置和管理。图2-1 无线传感器网络体系结构 无线传感器网络做为一种新型的无线通信技术，具有非常显著地特征。(1)网络节点数量巨大。无线传感器网络主要应用于电力系统、家用电器、医疗监护等，节点数量比传统通信系统高很多，因此，在标识寻址等方面设计时一般会预留较大的空间，并采用了多级寻址方法，通信底层技术设计上多数采用共享

28、信道接入机制，如CSMA；（2）自组织多跳网络。无线传感器网络的组网方式采用自组织、多跳等比较灵活的方式，这种网络拓扑又称网状网。多跳就是每个节点在处理自己的业务之外还要承担起中转其他节点数据报文的工作，自组织就是即插即用。（3）短距离无线连接。无线传感器每一跳连接的传输距离大概在100米以内，在最大程度上形成了空间上的复用，如果在传感器节点上外加射频信号放大器，就可以使无线信号传播的更远，便能够满足需要较大传输距离的应用；（4）低功耗无线传输。无线传感器网络单节点功耗较小，无线通信芯片工作电流仅为几十毫安，待机状态下甚至达到了微安量级。无线传感网络的这些特点也决定了节点能量供给模式的限制，节

29、点铺设环境的复杂性决定了人工补给能量的困难程度，有的节点需要有长期而稳定的监测，这就对电池容量的要求较高。无线传感网络还受到通信能力的限制，无线传感网络通过无线的方式进行数据的收发管理，带宽的限制和不同的信号干扰可能会导致所需信号衰减，环境的变化性也可能使得节点间的相互关系发生变化，各个节点状态的变化又增加了网络拓扑结构的动态变化性。无线传感网络有时会部署在相对恶劣的监测环境下，这对节点的性能要求非常高，必须保证硬件上的稳定性。无线传感器网络数据的收发方式、网络的自组织维护等，要求保障其通信安全性和保密性，要保证监测数据的可靠安全传输。无线传感器以其独有的构架和特点被广泛的应用于各个领域。如家

30、庭控制：家庭中的各类家用电器、与照明相关的设备、水电气设施以及安防系统都可以通过无线传感器网络形成一个家庭网络，在这个网络中传感器的中心控制节点能方便的监控这些设备运行情况，还能通过宽带网关与Internet相连接，让用户从远端方便的访问控制家里的设备。智能抄表：智能抄表是智能电网的重要组成部分，是用来对用户的用电量实时进行监测的系统，区域用电信息通过无线传感器网络汇聚起来，然后通过宽带网直接发送给调度中心，实现智能电网实时调度均衡负载的重要目的。在医疗监护方面：无线传感器网络通过人体佩戴的小型传感器或植入到人体的微小传感器，进行人体征（体温、脉搏、呼吸、血压等）的实时监测，然后把监测到的数据

31、发送到医疗机构，这些数据可以在监护中心自动的进行分析并得出一些指导性的意见供医生参考，在紧急突发情况下可以直接医疗资源进行救治；环境监测：无线传感器网络可以用于温室气体、空气污染、水源质量等的监测以及地质灾害的预防，为人们的日常生活和安全保障提供一定的数据支持，在一定程度上可以减轻自然灾害的破坏；等等。2.2 无线通信技术无线通信是利用电磁波信号进行信息交换的一种通信方式。在无线通信技术日趋发达的今天，无线定位、数字家庭、无线通信、无线控制、无线组网和移动连接等越来越多的无线通信技术在我们的日常生活中普及。比如在医疗领域，无线通信技术就得到了广泛的应用，对病人的跟踪治疗、移动观察，对患者病理数

32、据的管理，医生还可以对病人进行远程医疗和药物跟踪，基于无线通信技术的监护系统可以实现对病人有关的数据收集，患者可以利用手机进行紧急求救，与医生短信沟通、等都是与之有关的应用，无线医疗配设备正在迅速的增加中。无线通信技术有基于蜂窝的接入技术和基于局域网的技术两种，如分组无线传输技术、数字分组数据技术等技术就是基于蜂窝的技术；Home-RF、蓝牙、微功率短距离无线通信技术等就是基于局域网的技术。2.2.1 Wi-Fi（wireless fidelity 无线保真)Wi-Fi是一种在短距离范围内的无线通信技术，是IEEE定义的IEEE802.11无线通信协议。Wi-Fi工作于2.4GHZ的ISM波段

33、，采用直接序列扩频技术（DSSS）进行调制解调，具有较强的狂干扰能力，传输速度较快。IEEE802.11b协议是IEEE802.11协议的扩展，IEEE802.11b最高带宽是11Mbps，在信号不太强或者有外部干扰的情况下，带宽还可调整为5.5Mbps、2Mbps、和1Mbps。因为其带宽的可以自动调整性，使Wi-Fi网络的稳定性和可靠性得到了极大地保障。Wi-Fi技术具有很多优点，例如其可以覆盖范围比较广，覆盖直径直径可达200米左右，能够在在整栋大楼使用；传输速率可达到11Mbps，可以满足个人和团体的需求；无线网络产品厂商容易进入该领域，在一些人员比较密集的场合设置“热点”，然后将因特

34、网接入这些场合，需要上网的用户只要将支持无线设备拿到“热点”发射的电波覆盖的范围内，就可以接入因特网进行上网业务。Wi-Fi的主要优点是传输数据时可靠性比较高，数据传输速率相对较快，建网比较便捷，具有较好的可移动性，组网比较灵活、组网价格低等。目前，802.11b协议虽然是当前应用最广泛的WLAN标准，但因其工作频段的带宽相对较窄，同时还要受到无线电波等干扰源的干扰，具有一定的局限性。2.2.2 蓝牙（Bluetooth）蓝牙是由爱立信公司在1994年首先提出的一种短距离无线通信技术规范。蓝牙标准分为硬件和软件两个部分，硬件和软件之间通过HCI进行连接，两者之间的通信通过相同的接口进行。硬件部

35、分由射频/无线电协议，链路管理器协议，基带/链路控制器协议组成，通常集成一个芯片；软件部分由逻辑链路控制与适配协议及以上所有部分组成。蓝牙技术采用点对点或点对多点的的数据传输方式，是一种小范围的无线连接技术，能在不同的设备之间进行方便而且快捷，灵活并且安全的数据传输和语音通信，在这个过程中功耗比较小，成本也比较低。与红外线技术相比，蓝牙可以穿透障碍物，克服了红外线技术传输数据时必须对准的问题，传输距离一般为10米左右，在此范围内，能够无线连接便携设备、电脑、PDA、手机电话、打印机、耳机、电脑鼠标等。蓝牙技术工作频段不用经过申请许可，其无线单元的射频部分采用了2.4GHz的ISM频段的微波，实

36、现了数据位流的过滤和传输，可以确保其在世界各地都能通行无阻。但是，蓝牙技术开发设备和芯片一般都比较复杂，且费用高，互通新相对较差。目前，蓝牙技术一般用于手机、无线鼠标、耳机、因特网桥、交互性会议、数码相机、各种家电设备的遥控和家电网络等。2.2.3 红外通信技术红外通信技术是用于近距离的无线数据传输和无线网络接入的无线通信技术，实质是对二进制数字信号进行调制和解调。其保密性强，功耗相对较低。红外技术采用点对点的传输方式，利用950纳米近红外波段的红外线传输信息，因为红外线波长特别短，无法绕过障碍物，因此，如果在传输过程中遇到障碍物，通信就会发生中断。其常用的调制方式有通过脉冲宽度来实现信号调制

37、的脉宽调制和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉宽调试两种方式。红外技术由于其成本低，采用点对点之间的高速数据连接，可以跨平台进行数据传输等优点，成为目前在世界范围内都被广泛使用的一种无线通信技术。红外通信具有不透光材料的阻隔性，可分隔性，限定物理使用性，根据这些特点，可以使每套设备在不同的物理空间使用。红外技术因为是利用光来传输数据的，所以没有无线频道资源的占用性，安全性特别高；由于采用光传输且限定物理使用空间，红外技术具有优秀的互换性和通用性。此外，红外通信技术也有一定的局限性，在通信过程中不能移动，且遇到障碍物会导致通信会中断，通信距离相对较短；红外通信技术目前使用的SIR标准通信

38、速率比较低；红外通信技术的功能比较单一，扩展性较差。目前，红外通信技术主要应用于电脑、计算机外围设备、电话、寻呼机、计算器、工业设备和医疗设备、网络接入设备等。2.2.4 超宽频技术（UWB）超宽频技术是一种通过基带脉冲作用于天线的方式发送数据的无线通信技术。其历史可追溯至20世纪60年代是研究微波网络在面对时域脉冲所产生的瞬间行为。超宽频技术在3.110.6GHz的波段内工作，系统的中心频率一般高于2.5GHz，具备至少500MHz的-100dB频宽。如果UWB系统频率较低，则该系统的频宽比就必须具备至少20%以上，主要应用于范围较小、分辨率比较高、能够穿透障碍物的雷达和图像系统中。超宽频技

39、术在10米范围内，可支持高达110b/s的高速数据传输，并且不用压缩数据。目前，超宽频技术主要应用于短距离雷达、穿地雷达以及各类局域网络中。2.2.5 近距离无线传输（NFC）近距离无线传输是一种短距离的无线通信技术标准。近距离无线传输技术采用了双向识别和连接技术，工作与13.56MHZ的频段，传输距离一般在20厘米范围内。近距离无线传输建立无线网络时速度快，并且是自动的，为各种无线通讯设备在短距离范围内进行通信，近距离无线传输为这些设备设备提供了一个“虚拟连接”，使这些设备可以互联通信。近距离无线传输使电子设备之间的相互访问更加直接，安全性也更高，也更清楚，在传输过程中使整个认证识别的过程得

40、到了简化。近距离无线传输由于在单一设备上组合了所有的关于身份识别的应用和服务，使系统不再需要记忆多个密码，让数据的安全性得到了保障，实现了多个设备之间进行数据或服务的交换。近距离无线传输还可以对蓝牙、Wi-Fi等其他类型的无线通信进行“加速”，实现更远距离和更快速率的数据传输。近距离无线传输有设备连接、实时预定、移动商务三种应用类型。2.2.6 ZigBee ZigBee是一种新兴的介于无线标记和蓝牙技术的短距离、低速率的无线网络技术。ZigBee技术在2004年就被列为当今世界发展最快、市场前景最广阔的十大新技术之一。ZigBee是以IEEE802.15.4协议为基础发展起来的一种新的无线通

41、信技术，它通过在很多个微小的传感器之间相互协调来进行数据的传输，从而实现通信，这些微小的传感器之间以互联的方式，将需要传输的数据通过无线电波从一个传感器传到另一个传感器，实现了非常高的通信效率。ZigBee技术在应用软件的开发过程中，需要和网络传输、射频技术以及底层软/硬件技术结合在一起本文研究的移动脉搏监护系统汇聚节点的通讯模块节点采用ZigBee技术，ZigBee技术与其他无线通信技术相比较具有以下优点：（1） 模块功耗低，省电：发送和接受数据的电流较低，降低了系统的总体功耗，两节普通的5号电池就可使ZigBee模块工作长达6个月到2年的时间。（2） 时延非常短：ZigBee的通信时延和从

42、休眠状态激活的时延都很短，节点连接进入网络只需30ms，而从休眠状态激活只需15ms。 （3）可靠性高：ZigBee采用了碰撞避免机制，并为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，能够有效使数据在发送和接收时避免信道竞争和冲突，各节点模块之间的自动动态组网功能，使信息在ZigBee网络中以自动选择路由的方式进行传输，信息传输的可靠性得到了保障。 （4）网络容量大：一个区域内可布置多个ZigBee网络，每个星状ZigBee网络可支持255个节点，最多可容纳65000个节点。 （5）保密性很高，数据安全：ZigBee提供数据完整性检查和鉴权功能，支持AES-128加密算法，保证了数据传输的安全保密性

43、。 （6）成本比较低：ZigBee协议栈的具体实现的要求很低，通常只需8位处理器配上4KB ROM和64KB RAM等，就可以系统的满足最低需要，这极大地降低了芯片成本。ZigBee协议栈由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成，其结构如图2-2所示。应用汇聚层会把安全属性设置和多个业务数据流汇聚等功能及其他一些应用映射到ZigBee网络上；网络层采用基于Ad Hoc技术的路由协议，具有通用网络层所有功能，并且还有与底层IEEE802.15.4标准同样省电的特点。为了降低整个网络的维护成本，使消费者在使用时得到最大程度上的方便，ZigBee网络实现了网络的自组织和自维护功能。

44、图2-2 ZigBee协议栈结构图 ZigBee技术的应用前景非常广阔，在很下情况下都可以采用这项无线技术，例如：使用无线传感器网络；需要监测的网络节点比较多；对设备成本的要求低并且数据的传输量较小；数据传在输具时需要的可靠性和安全性很高；局部区域的移动目标定位；需要设备的体积较小，可以使用电池供电；移动网络还没有覆盖的地区；地形比较复杂并且网络需要覆盖的面积大；在现有移动网络的基础上进行传输数据量较低的远距离测控；家庭电器自动控制，家庭智能安全系统；智慧型标签等。ZigBee在各领域的应用如下。在工业领域：利用ZigBee网络能够实现相关数据随时采集，并且自动分析和处理，可以应用于决策辅助系

45、统，例如监控煤矿内各个地方的安全状况等。在家庭和楼宇自动化领域：易于进入、简单明了和廉价的安装成本使家庭自动化和和建筑开发作为电子技术的集成被迅速扩展，例如利用ZigBee技术实现自动抄表等功能。在汽车领域：ZigBee技术主要应用于传递信息的传感器，例如检测轮胎压力的系统。在精确农业领域：采用传感器网络和ZigBee技术，农业会逐渐转变为以信息和软件为中心的生产模式，在未来将会研发出更多的自动化、智能化、网络化的远程控制农业设备进行耕种。在消费和家庭自动化市场：可以应用于电视、无线耳机、录像机、窗户窗帘、照明和空调设备、无线耳机、鼠标、键盘等，还可应用于儿童玩具、休闲器械等。在医疗领域：利用

46、传感器和ZigBee网络可以准确实时的监测病人的脉搏、血压、体温、心跳等生理特征的信息，减少了医护工作者的工作量，对病人的突发情况等也可以做出及时的反应和救助，例如可以再养老院使用的用于监测老年人脉搏信息的移动脉搏监测系统。2.2.7 GPRS技术通用无线分组业务GPRS（General Packet Radio Service）也称2.5G移动通信技术,是在GSM基础上发展起来的一种无线分组数据业务系统。GPRS在GSM网络的无线结构中增加了数据设备来提高系统的数据传输速率，从而实现了从电路方式到话音/分组方式业务转变，是实现GSM向第三代移动通信技术过度的重要技术。GPRS的数据传输支持分

47、组交换传输方式，在GSM数字移动通信网络中引入了分组交换功能实体，数据的传输速率比GSM网络快了很多。GPRS系统可提供高达171.2kbps的数据传输速率，是GSM系统的十几倍，为用户提供了更快速的Internet接入、彩信收发、高速WAP浏览以及其他移动数据上网业务，为用户带来了更好的体验。GPRS系统在电路交换系统和数据交换系统相互作用的条件下，使系统的资源能得到有效的利用，同时拓展了系统的业务和功能，如手机电视、电子商务、电子邮件、远程监控、智能家居等，为第三代移动通信系统提供了技术保障。如图2-3为GPRS的网络逻辑功能及传输路径框图。可以看出，GPRS将无线接入网图2-3 GPRS

48、逻辑功能及传输路径和核心网完全分离，核心网不需要经过过多的调整即可复用不同的无线接入技术。GPRS所采用的分组交换技术具有无连接、网络资源按需分配、资源共享等特点，当用户需要发送和接收数据时，无线资源才被分配使用，GPRS为了最大限度的利用了网络资源，可以把一个无线信道供不同的用户使用。表2.1 几种无线通信技术的比较2.2.8 几种无线通信技术的比较2.3 本章小结本章首先介绍了无线传感器网络的结构、原理、特点及应用，接着介绍了Wi-Fi、蓝牙、红外线技术、超宽频技术、近距离无线传输、ZigBee、GPRS无线通信技术的特点及应用等，最后选择了几种无线通信技术做了简单的比较。3 系统整体设计

49、方案3.1 移动脉搏监护系统汇聚节点总体设计汇聚节点是无线传感器网络应用中至关重要的节点，起到了网关节点的作用，是整个无线网络的管理员。如图3-1为无线传感器网络中汇聚节点的系统结构。图3-1 汇聚节点系统结构汇聚节点是无线传感器内部网络与管理节点的接口,负责接收下级节点需要上传的数据，并通过GPRS、以太网等传送给用户终端，并向下级节点发送来自管理节点的命令，让下级节点监测收集并传送上级节点所需要的数据。汇聚节点通过连接传感器网络和外部传输网络，实现协议栈之间通信协议的转换。汇聚节点还负责着网络的建立、成员的加入和退出、地址的分配、节点设备的数据更新、数据转发表和数据关联表的维护与自动更新等

50、。移动脉搏监护系统汇聚节点各功能模块如图3-2所示。在该系统中，汇聚节点由无图3-2 汇聚节点功能模块图线收发模块、处理器模块及GPRS模块组成。无线收发模块通过无线脉搏传感器网络实现与其他节点的无线通信，控制信息交换，进行数据的收发等；处理器模块负责处理和存储其他终端节点脉搏数据或命令，控制汇聚节点的各项操作活动；GPRS模块负责将终端模块发来的脉搏数据通过Internet发送给监护中心。在本系统中，汇聚节点主要完成两大功能：（1）与脉搏监测节点组成基于ZigBee的无线传感器网络，接受来自监测节点上传给监护中心的脉搏数据；（2）通过GPRS模块与监护中心形成远程通信，将监测节点发来的数据发

51、送给监护中心并向监测节点传达监护中心下达的各种命令。表3.1 汇聚节点有效状态汇聚节点由多个模块组成，每个模块都有不同工作状态，其有效状态如表3.1所示。 汇聚节点具有很多硬件接口，可与无线传感器网络内的任何节点进行通信，并对监测节点采集的数据进行整理和预处理。汇聚节点的计算能力非常强，具有较大的存储容量，充足的能量供应，灵活性高而且扩展性很好，功能非常强大，可以直接添加新的硬件设备。3.2 ZigBee收发芯片MC13192MC13192是飞思卡尔公司研发的一种在短距离内的ZigBee收发芯片，功耗比较低，其工作波段是2.4GHz的ISM波段，支持点对点、星形和网形结构的网络。3.2.1 M

52、C3192的结构与功能简介MC13192具有容易与任意一种MCU接口的优点，当它与某一种MCU结合在一起组成无线网络节点时，就可以形成短距离范围内的低功耗和低数据速率的无线传感器网络。MC13192内部结构如图3-3所示，MC13192芯片内部设置了高频输出放大器、压控振荡器、低噪声放大器，具有片内稳压电源和扩频编码与扩频解码。MC13192芯片按照IEEE802.15.4的物理层规范，采用O-QPSK调制/解调技术，在带宽为2MHz的信道上实现250kb/s的传输速率。图3-3 MC13192内部结构框图MC13192使用的是2.4GHz频段中的16个信道，通过编程可以使其工作在某一信道上，

53、信道间隔是5MHz。MC13192的输出功率可以在-274dB之间转换，其高频输出功率为0dBm。MC13192的通信距离与标准ZigBee有所扩展，当数据误码率在1%时，接收灵敏度可以达到-92dBm，MC13192内部的定时器，对通信和协议过程中进行定时，减少了对MCU资源的需要。如图3-4所示为MC13192的基本应用框图。MC13192通过SPI接口和中断信号与MCU连接，SPI驱动、MAC软件、应用软件、网络软甲驻留在MCU中。根据具体情况的不同，MCU可以是八位，也可以是三十二位。3.2.2 MC13192特点介绍（1）16个信道；（2） 供电范围：23.4V；（3） 标准射频输出

54、功率0dBm，最高为4dBm，可通过编程调节；图3-4 MC13192基本应用框图（4） 对MCU资源的需要小，为数据包的接收和发送提供了缓冲；（5） 采用O-QPSK扩频调制，支持250kb/s数据传输速率；（6） 具有三种低功耗模式：小于1uA的关闭电流，2.3uA的典型电流，35uA的典型电流；（7） 内部设有四个定时/比较器，用于减少MCU资源需求；（8） 当包误码率为1%时，接受灵敏达到-92dBm；（9） 可为MCU提供频率可编程的时钟信号；（10） 为16MHz的晶体振荡器提供片内微调功能，节省了片外微调电容器，实现了频率的自动调节；（11） 7个通用I/O引脚；（12） 工作温

55、度范围大，为-4085摄氏度；（13） QFN-32小型封装；（14） 无铅制造。3.2.3 MC13192封装与其引脚功能MC131932封装引脚排列如图3-5所示。图3-5 MC13192引脚及排列MC13192各引脚功能介绍：（1） 高频信号引脚：RFIN+ 、RFIN- 射频信号差分输入的正、负端；PAO+、PAO- 射频输出功率放大器输出的正端和负端；SM 实验模式控制，正常工作时接地。（2） MCU接口引脚：SPICLK SPI接口时钟输入端，一般与MCU的SPI接口时钟信号相连；MOSI SPI数据输入端，与MCU的SPI接口数据输出端相连；MISO SPI数据输出端，与MCU的

56、SPI接口数据输入端相连； SPI使能端； 中断申请信号，开路输出，也可编程使用内部40k上拉电阻。用 来向MCU提出中断申请；RXTXEN 数字量输入，高到低的跳变启动RX或TX开始工作，正常情况下应为高，低时芯片进入Idle模式。该引脚由MCU的一个输出信号 控制； 唤醒信号，低电平有效，用来将芯片从低功耗模式中转换到Idle模式。该引脚由MCU的一个输出信号 控制。（3） 电源引脚：VDD 内部稳压输出，接对地去耦电容；VDDINT 电源输入；VDDLO1 LO1电源，在外部连接到VDDA；VDDLO2 LO2电源，在外部连接到VDDA;VDDVCO 电源输出，接对地去耦电容；VBATT

57、 电源端，可以与VDDINT连接在一起，接对地去耦电容；VDDA 模拟部分电源输出，接对地去耦电容；EP 地扩展端，位于芯片底部，连接到GND。（4） 其他引脚GPIO1GPIO7 可编程通用输入/输出口，GPIO1还可用作退出Idle模式，GPIO2可用作CRC有效指示； 复位信号，当其为低电平时，MC13192处于Off模式，片内所有 全部丢失；当其为高电平时，芯片进入Idle模式；CLKO 时钟输出，可供系统中其他芯片使用，如作为MCU的时钟。输出 时钟的频率可通过编程设定为16MHz、8MHz、4MHz、2MHz、1MHz、62.5kHz、32.786kHz、16.393kHz等；XTAL1 连接到外部石英晶体；XTAL2 连接到外部石英晶体。3.2.4 MC13192的数据传输模式MC13192的数据传输模式有“包”和“流”两种，其数据包结构如图3-6所示。工作在“包”模式时，片内RAM的缓冲区用来存要放传