基于ZigBee技术的病人综合信息网关设计*

王长峰，白帆，罗儒，王柏渊，陈进军

（贵州大学电气工程学院，贵阳550003）

基于ZigBee技术的病人综合信息网关设计*

王长峰，白帆，罗儒，王柏渊，陈进军*

（贵州大学电气工程学院，贵阳550003）

为了实现病人监护设备的智能化，提出了一种基于ZigBee无线传感技术的医疗监护系统网关解决方案。该方案将测量到的人体体温、血压等数据通过ZigBee无线传感器网络传输到网关节点，再由网关节点对这些生理参数进行详细处理，医生可根据这些数据对病人的生理情况做出诊断评估。经试验证明，终端节点在60 m内可保证通信效果，及数据准确性。

网关；ZigBee；STM32；CC2430；Ethernet；Z-Stack

为了更好地对病人进行准确地、人性化地进行医疗监护，人们开始越来越多地关注无线医疗监护技术。无线医疗监护系统可以将测量的病人生理参数通过无线传感器网络传输到监控中心，监控中心对这些生理参数进行详细处理，从而做出诊断评估。基于ZigBee网络的医疗监护系统与传统医疗监护系统相比，在设备功耗、抗干扰性、传输数据速率等方面都有明显的优势，因此本系统的设计方案是将ZigBee无线技术与以太网网络技术相结合。在分析符合ZigBee标准的无线监护网络模型的基础上，进行了网关、路由器以及终端设备的硬软件设计，并实现了整个无线监护网络内的实时通讯。

1　系统方案设计

1.1系统方案总体构建

本文设计了基于STM32处理器的ZigBee无线传感医疗监护网络的网关平台，通过将ZigBee数据包转换为以太网的TCP/IP数据包，实现了数据在两种网络间的传输。系统结构图如图1所示。

图1　ZigBee信息网关总体结构

1.2ZigBee无线传感网络设计

1.2.1ZigBee无线网络拓扑结构的选择

ZigBee网络支持星状、树状和网状3种网络拓扑结构［1］。考虑到本设计是在实验环境下通过其他组员设计所采集到的体温、血压等信息来验证所设计系统的可行性及一些基本性能。所以本设计选择星型网络作为无线传感器网络的拓扑结构。

1.2.2ZigBee无线网络的组建

当FFD协调器设备被激活后，首先进行对物理层所默认的有效信道进行能量扫描，以检测可能存在的网络重叠及PAN ID冲突的干扰，并对检测到的信道按能量值进行信道排序。然后执行主动扫描过程以选择唯一的16 bit PAN ID，建立自己的网络。当一个新网络被建立后，ZigBee路由器与终端设备就可以加入到该网络中了。

1.3STM32嵌入式以太网网关设计

系统的网关平台是以内部集成以太网MAC的STM32微处理器STM32F103RBT6为核心，以太网控制芯片ENC28J60，网口变压器H1102NC，存储器SD卡和显示模块等模块组成。结构如图2所示。

图2　STM32网关结构框图

2　系统硬件设计

系统的硬件平台是以内部集成以太网MAC的STM32系列处理器STM32F103RBT6为核心，以太网控制芯片ENC28J60和CC2430为ZigBee无线收发模块等模块组成。ZigBee无线传感网络协调器CC2430和STM32嵌入式以太网网关之间利用串行UART总线通信，构成无线医疗监护网络网关平台。

2.1ZigBee协调器的硬件设计

ZigBee协调器模块采用TI公司生产的CC2430芯片来设计，CC2430芯片不仅具有符合IEEE802.15.4规范的2.4 GHz无线射频前端，它还在片内集成了一个8 bit的8051MCU，还集成了8路输入并可配置的12 bit ADC、4个定时器、AES-128协同处理器、看门狗定时器、32 kHz晶振的休眠时器、上电复位/掉电检测电路以及21个可编程I/O引脚［2］。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工艺；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA和25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

2.2嵌入式以太网网关的硬件设计

针对嵌入式设计应用精简、低功耗的特点，本设计采用意法半导体生产高性能的ARM Cortex-M3内核的STM32系列处理器STM32F103RBT6作为嵌入式以太网网关的主处理器。其主频可达72 MHz，内高速存储器，丰富的增强I/O端口和连接到两条APB总线的外设，包含2个12 bit的ADC、3个通用16 bit定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN［3］。

3　系统软件设计

3.1ZigBee协调器的工作流程

ZigBee无线传感网络协调器上电后首先对CC2430进行初始化，然后创建一个无线网络，选定一个PAN ID作为协调器的网络标识，创建路由表，然后对外发布广播帧，通知传感器节点可以加入该网络。当有子节点申请加入时，为每一个子节点分配地址。当需要进行数据采集时，网络协调器发出数据采集指令，之后等待接收采集到的数据，并将数据通过UART接口传送到STM32处理器，由以太网卡芯片ENC28J60负责将数据发送到以太网上［4］。网络协调器节点软件流程如图3所示。

图3　网络协调器节点软件流程图

3.2STM32嵌入式以太网网关的软件设计

3.2.1网关初始化

网关的初始化包括对STM32处理器的初始化和对ENC28J60的配置。首先设置STM32的系统时钟和引脚输出方式，SPI总线设置为符合ENC28J60的时序要求［5］。

对ENC28J60的初始化是由SPI总线对其的寄存器进行配置完成的，主要设置收发缓冲区的大小和起始地址，设置以太网过滤器，配置MAC层、物理层和LED指示灯等。

3.2.2ENC28J60发送数据的硬件底层驱动

ENC28J60内的MAC控制器在发送数据时将会自动生成帧的前导符和起始定界符。主控制器必须生成其它帧字段，包括报头、目的地址、源地址、数据长度和实际数据，再将它们写入发送缓冲器，等待发送［6-7］。

3.2.3ENC28J60接收数据的硬件底层驱动

ENC28J60接收到一个完整的以太网数据包后，内部的以太网过滤器会自动进行过滤，未经过滤的数据包将会写入接收缓冲器，并向CPU发送中断请求。CPU进入中断处理程序后，获得缓冲器中的数据包并交予上层协议处理。

4　系统的总体测试

4.1调试平台的创建

在调试当中，硬件平台的搭建由3个无线终端设备实现。通过采集模拟体温来验证系统的各性能，如无线网络传输数据的正确性、稳定性。体温值采用ZigBee无线终端模块上配置的温度传感器TISC506采集［8-9］。整个系统的硬件采用如下搭配：3个无线终端设备，其中一个为本设计的网络协调器，另一个为网络的无线传感器子节点，采用STM32与以太网控制器实现网关功能。

4.2系统测试

（1）星型网络通信效果和以太网数据管理功能测试ZigBee星型无线通信网络构建后，协调器通过STM32网关控制，对传感器网络发出控制命令，终端节点按照命令进行数据采集并上传。

①通过监控系统向协调器发出A/D采样的参数，采样时间间隔和采样通道后，传感器网络节点按监控系统规定的参数开始数据采集，并将数据汇集到协调器节点上传到STM32网关系统进行数据处理。图4为温度数据显示。

图4　温度显示

②在实验中（60 m以内），经过对比各终端节点传感器采集的数据结果和STM32网关以太网通信显示的结果，发现二者结果一致，证明本网关数据传输是准确的。超过60 m，终端节点采集到的体温数据经过无线传输后会发生1℃左右的偏差，可能是由于实验环境障碍物较多。试验结果表明，设计的协调器可以组网实现ZigBee星型网的应用，终端节点在60 m内可保证通信效果及数据的准确性，STM32网关以太网可有效地对星型网进行管理［10］。

（2）节点通信穿透能力测试在测试当中发现如果将一个节点放在实验室，另一个节点放在另一实验室，通信将中断。试验结果表明，ZigBee无线通信技术穿透能力不是很强。将ZigBee无线传感器网络技术应用在空旷、无障碍物的场地，效果会更好。

（3）网络数据传输效率测试网络数据转输效率即点对点的有效数据传输成功率。测试过程中采用静态绑定，节点绑定表始终保存在协调器中。监控程序采用串口调试程序，以记录数据包收发情况。节点间的通信距离约为2 m～6.5 m不等，其中任意两个终端节点同时以10 ms，20 ms，50 ms的3种数据发送周期向协调器节点发送数据。在10 ms 和20 ms周期时，测试时间约为10 min，在采用50 ms以上周期时，测试时间约为5 min。从测试结果看，考虑节点处理数据延迟及节点收到缓冲区大小等因素的限制，为降低数据包错误率，保证数据传输的高效性，节点数据发送周期应高于20 ms。

5　结束语

本文通过无线传感器网络的应用，以病人综合信息监测为应用对象，设计了基于STM32处理器的ZigBee无线医疗传感网络的网关平台，完成了基于ZigBee网关的I/O模块的硬件原理设计；通过对ZigBee协议栈的分析并结合CC2430的应用进行了系统的整体软件设计，完成了CC2430到以太网数据的通信。实现了对采集到的数据进行实时监控管理。最后对设计的无线无线医疗传感器网络网关平台进行了测试，基本达到了预期目标，具有一定的应用价值。

［1］郭渊博，杨奎武，赵俭，等.ZigBee技术与应—CC2430设计、开发与实践［M］.北京：国防工业出版社，2010：6-46.

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［5］王平，王泉.测量与控制用无线通信技术［M］.北京：电子工业出版社，2008：240-262.

［6］林利瓦，张军.基于ENC28J60的中央空调节能控制器以太网接口设计［J］.仪表技术，2010（7）：54-56.

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［10］刘旭飞，李晓辉，梁新宇.基于ZigBee技术的无线数据传输系统及抗干扰分析［J］.电脑知识与技术，2012（10）：2412-2414.

王长峰（1989-），男，辽宁省丹东市，贵州大学电气工程学院检测技术与自动化装置专业，在读硕士研究生，研究方向为传感器，568915924@qq.com；

陈进军（1956-），男，陕西户县，本科，高级工程师，硕士生导师，实验室主任，主要研究方向和领域为光电应用技术与传感器技术，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

项目来源：贵州大学研究生创新基金项目（研理工：2015008）

2015-05-22修改日期：2015-07-01