基于ZigBee技术的多生理参数采集和存储系统的设计

【作 者】王国静，王卫东，昂清，孙聪聪

解放军总医院生物医学工程研究室，北京，100853

0 引言

随着现代信息技术的发展与人们对保健质量要求的提高，使医疗保健日益朝着移动、无线和便利方向发展。特别是社会老龄化问题的出现，使人们对远程医疗的关注度越来越强[1]。在跟踪治疗、移动观察、远程医疗和患者数据管理等方面，无线技术发挥了重要作用。但是在目前的无线医疗设备中，一方面很多设计只是单一的生理参数的采集监测，不利于比较全面的观察患者的生理状态；另一方面多数设备只是完成数据的实时监测，并没有对数据进行有效的存储，不利于后期的重复使用和分析。因此，实现多种生理参数的实时采集和有效存储，有重要意义。

1 ZigBee无线技术

Zigbee是一种采用成熟无线通信技术的全球统一标准的、开放的无线传感器网络。它以IEEE802.15.4协议为基础，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信[2]，致力于实现一种适用于固定、便携或移动设备使用的低复杂度、低成本、低功耗、低速率的短距离双向无线通信协议[3]。Zigbee技术适合于承载数据流量较小、速率比较低的传输系统。Zigbee网络中的设备分为FFD和RFD两种设备，其中FFD 设备可作为协调器使用。RFD与FFD只是网络层不一样，硬件结构完全相同；协调器是网络组织者，负责网络组建和信息路由。ZigBee的这些优点，决定了它在医疗领域使用的巨大潜力[4]。

本文主要介绍了协调器实现采集节点无线快速组网和生理数据采集存储的功能，该系统主要应用于医疗护理领域，极大地方便了医护工作人员。

该系统的采集节点是基于CC2530单片机和采集模块设计的，实现了多种生理信号的采集和发送。协调器是基于CC2530单片机和MicroSD卡设计的，实现了生理信号的接收和分类存储功能。

2 生理信号采集和存储系统的总体设计

系统中协调器节点由TI公司的CC2530单片机及其外围器件、2G的金士顿MicroSD卡和电源模块组成。采集节点由各种采集模块、CC2530单片机和电源模块组成。图1是系统的总体框图。

图1 系统总体框图Fig.1 System block diagram

CC2530是TI公司新推出的 ZigBee按IEEE 802.15.4 标准设计的系统级芯片。它集成了一个优化的低功耗的 8051 微控制器内核和一个高性能的 RF收发器，8 KB 的 RAM，以及强大的支持功能和外设，支持系统编程，允许芯片无线下载。

3 系统硬件设计

3.1 协调器节点硬件设计

协调器节点硬件主要实现MicroSD卡与CC2530单片机的连接。Micro SD卡和SD卡传输原理、针脚定义完全相同，只是外形尺寸不一样，Micro SD卡的外形尺寸很小，应用在手机、MP3等小体积的系统中。Micro SD卡的接口支持SPI模式。SPI模式是Motorola公司提出的一种同步串行外设接口，允许CPU与各种外围接口器件以串行方式进行通信和交换信息。它使用4条线：串行时钟线(SCL)、主机输入／从机输出线(MISO)、主机输出／从机输入线(MOSI)、低电平有效的使能信号线(CS)[5]。CC2530单片机同样支持串口通信的SPI模式。如图2所示，实现了CC2530单片机和MicroSD卡的串口连接。

图2 CC2530与MicroSD卡电路连接图Fig.2 The circuit of CC2530 and MicroSD card

3.2 采集节点硬件设计

本文要求实现多种生理信号的采集，包括心电、体温和血压。采集模块将所采集的模拟数据输入到CC2530单片机的内置ADC的输入接口。在CC2530单片机内置ADC支持14位模数转换，其中有效位为12位。此ADC包括一个模拟多路传输装置，有8个单独配置的通道和一个参考电压产生器。模数转换结果可以通过DMA写入内存。图3为三个采集节点的硬件电路图。

图3 采集节点硬件电路图Fig.3 The circuit of acquisition nodes

4 系统软件设计

系统软件主要由协调器节点完成多种生理信号采集节点的快速组网和数据传输，MicroSD卡植入文件系统实现数据的存储，配合硬件实现低功耗运行。

CC2530低功耗是通过五种不同电源模式的切换来实现的。这五种电源模式是：活动模式、空闲模式、PM1、PM2和PM3。其中活动模式时接收电流为24mA，发送电流为29 mA，PM1的电流为0.2 mA，PM2的电流为1 uA，PM3的电流为0.4 uA。系统采用间歇工作方式，大部分时间处于PM3低功耗状态。

4.1 生理参数采集部分

将生理参数采集模块的模拟输出连接到CC2530单片机的内置ADC输入P0.1口，经过数模转换成功后，将数据封装，通过ZigBee无线发送到协调器节点。图4为数据采集流程图。

图5 快速组网流程图Fig.5 Fast network fl ow chart

4.2 ZigBee快速组网部分

ZigBee网络支持三种拓扑结构，即星状、树状和网状拓扑[6]。本系统采用的协议栈为TI协议栈，实现星状网络。

网络协调器程序流程图如图5(a)所示，首先是CC2530各种硬件驱动的初始化，然后初始化协议栈，再确定网络ID、选择频道并产生信标。监测空气中是否有ZigBee信号，如果有节点申请加入网络，网络协调器给节点分配网络短地址。如果采集节点发送来的是采集的生理参数值，则接收数据并存入MicroSD卡中。

采集节点程序流程图如图5（b）所示，同上述网络协调器节点一样，程序首先进行CC2530各种硬件驱动的初始化和协议栈的初始化。然后发送加入网络信号，申请加入网络，等待协调器响应，如果加入网络成功，传感器进入休眠状态，如果不成功，就继续申请加入网络。

4.3 Micro SD卡的初始化和读写部分

Micro SD 卡只由上电和软件复位命令CMD0实现系统复位，CMD0的响应值是0x01。如果响应值正确，说明复位成功，上电后进入idle(空闲)模式；Micro SD 卡在选择进入SPI模式后，重新上电前不能返回SD模式。此后用CMD1实现Micro SD卡初始化，CMD1的响应值是0x00，如果响应值正确，说明初始化成功。

写命令CMD24的响应为0x00，如果响应值正确，说明命令写入成功，可以写入数据。写完数据，查看响应值，如果是应答命令值为5，说明数据已经写入到SD卡中。读命令CMD17的响应值是0x00，如果响应值正确，说明可以读取数据。读取命令写入成功后，一直读取，直读到0xFE，说明从此处之后就是所要读取的数据。

在SD卡读写过程中，应该注意以下几点：如果SD卡在接收复位命令过程中CS低电平有效，则进入SPI模式，否则工作在SD总线模式；在初始化阶段用于设置SPI接口的时钟频率小于400 KHz；初始化后SD卡的SPI接口的时钟频率一般不允许超过25 MHz；在写CMD0时，在向SD卡发送以前需要向SD卡发送74+个时钟，实现与SD卡同步，保证CMD0操作顺利进行。

4.4 文件系统植入部分

文件系统是操作系统中负责管理和存储文件信息的软件机构。文件系统由文件管理有关软件、被管理文件和实施文件管理所需数据结构三个部分组成，它负责为用户建立文件，存入、读出、修改、转储文件，控制文件的存取等。本设计中选用2G的MicroSD卡，采用的是FAT32文件系统。可以实现以下功能：打开SD下的根目录；打开SD深层目录下的文件；生成文件并写入数据；读取文件数据；关闭文件。图6是文件系统实现的流程图。

在实现文件系统过程中，新建文档的路径是可选的，可以直接在根目录下建立TXT文档，也可以新建多层目录的文档。在再次进行数据写入时，如果已存在写入数据的目标文档的话，就可以不用再重复建立，只要直接打开已有文档，写入数据即可。写入数据失败，有可能是存储设备已经没有空间了，也就是找不到空闲簇了。在本设计中，多种生理参数的存储可以以患者为单位存储，也可以以单个生理参数为单位存储，可以灵活的根据需要实现数据的分类存储。

图6 文件系统实现流程图Fig.6 File system implementation fl ow chart

5 结论

该系统基于CC2530单片机和MicroSD卡，实现了人体生理参数的实时检测，多个采集节点的快速组网，并成功地实现了生理数据的分类存储。整个系统采用低功耗设计，电池使用寿命长。大容量的数据存储卡可用于长时间存储。本系统目前已经实现了星状网络以及仿真数据的传输和存储。如图7为利用温度传感器采集的空气中的温度值，通过ZigBee无线技术发送到协调器，并将数据存储到MicroSD卡的文档中。

图7 空气温度存储Fig.7 The storage of temperature

本系统具有扩展性：一方面，可以增加采集不同生理参数的节点来提高其在临床应用方面的广泛性和全面性；另一方面，协调器硬件扩展后，可将数据传输到其他类型的终端设备或者互联网上，可实现数据的远程使用。

[1] 邓蕊. 依托宽带信息网络家庭疾病监护系统的初步研究[J]. 生物医学工程与临床, 2003, 7(3): 138—140．

[2] Paksuniemi M, Aorvoja H, Alasaarela E, et a1. Wireless sensor and data transmission needs and technologies for patient monitoring in the operating room and intensive care unit[C]. Annual International Conference of the Engineering in Medicine and Biology Society,[S.l.]:[S.n.], 2005, 5182-5185.

[3] J. S. Choi and M. Zhou. Performance analysis of zigbee-based body sensor networks, in SMC, 2010, 2427-2433．

[4] Pattichis C. S, Kyriacou E, Voskarides S, et al. Wireless telemedicine systems: An overview[J]. Antennas and Propagation Magazine, 2002, 44(2): 143-153.

[5] 聂虹. SPI模式下MMC卡的读写机制[J]. 单片机与嵌入式系统应用. 2007, 7: 45-47.

[6] 吕治安. ZigBee 网络原理与应用开发[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2008