无线体域网的人体实时监测系统的设计

文/弓文剑 刘丹 王羽徵 毕海 程远

随着科技发展进步，人们的物质生活水平日益提高，人们对自身健康情况的关注程度也随之上升，因此一些可以反应人体健康状况的实时数据就变得尤为重要。传统的人体检测仪体积较大且连线较多，难以随身携带，给我们的日常生活造成很大的不便。为此本系统设计了一款无线体域网(WBAN)的人体实时监测系统。该系统轻便小巧，无连线束缚，

WBAN与蓝牙相结合有着广阔的应用前景，其未来发展趋势主要有无线体域网与蓝牙兼容性的提高，无线体域网系统能耗降低，蓝牙传输数据的稳定性与安全性以及无线体域网传感器节点微型化等方面。

1 系统硬件电路设计

人体的体温信号、脉搏信号等物理信号，通过各个相对应的传感器节点，将物理信号转换为电信号后与中央芯片CC2540相连，信号经MCU处理后，通过低功耗蓝牙模块，与用户的智能手机或平板电脑相连接，用户可以根据接收到的信息，从而实现无线体域网的人体实时监测系统的设计。本系统总体原理框图如图1所示。

图1：无线体域网的人体实时监测系统的原理框图

图2：CC2540最小系统电路图

1.1 CC2540最小系统电路

系统中央芯片采用CC2540芯片，该芯片将微控制器、应用程序和主机集成在一个元器件上，且功耗较低，其最小系统正常工作所需的外围设备很少。最小系统电路如图2所示。

其中，ATXL1取值为32MHz，它与负载电容C15、C16共同组成32MHz晶振源，这组晶振用于无线射频收发，连接到CC2540的XOSC_Q1与XOSC_Q2引脚上。ATXL2取值为32.769KHz，它与负载电容C17、C18共同组成32MHz晶振源，通常使用本组晶振来唤醒低功耗睡眠模式。

图3：电源电路图

C10、C11、C12、C13、C14、L2、L3、L9、L10均为射频匹配网络的一部分，C2为内部数字稳压器的去耦电容，连接到DCOUPL引脚后接地。R5为内部偏置电阻，连接到RBIAS引脚后接地。

1.2 电源模块

本系统使用AMS1117-3.3正向低压降稳压器，它的输出电压即为3.3V且输出较稳定，可以很好地为系统供电，其电路图如图3所示。

图4：DS18B20与CC2540连接电路图

图5：PulseSensor与CC2540连接电路图

图6：温度测量程序流程图

C3和C4两个电容的的作用是输出滤波，C1和C2是输入电容，对于交流电压整流输入，它们的作用是把外部输入的电压转换成适合的直流电压，同时他们还能在系统断电后防止电压倒置，用作隔离电容以保护电路。

1.3 温度传感器模块

温度传感器采用DS18B20，温度有效测量范围为-55℃～+125℃，在-10℃至+85℃范围内精度为±0.5℃，工作电源为3.0～5.5V。该传感器共有三个引脚，1号引脚为接地端，2号引脚为数字信号输入/输出端，接CC2540主板的P0_0，通过这根引脚就可以实现传感器与微处理器之间的双向通讯。3号引脚为外接供电电源输入端，接VDD。

在连接电路时要注意不要将传感器的正负极接反，否则会导致传感器变得非常烫，最高可达到85℃，造成烫伤。DS18B20与CC2540连接电路图如图4所示。

1.4 脉搏传感器部分

脉搏传感器采用PulseSensor，它是一款光电反射式模拟传感器，该传感器由光源和光电变换电路组成，其工作原理是将传感器采集信息的一侧固定在人的手指、耳垂等采集结点处，心脏在跳动时也会导致血管产生轻微搏动，人体的表皮组织在血管搏动时透光率也随之变化，由此传感器可以采集到相应变化的光电信号，血管的搏动情况是随心率变化而变化的，因此对采集到的光电信号进行滤波、放大等处理，将物理信号转为电信号后，电信号的变化即对应心率的变化。传感器共有三个引脚分，1号引脚为脉搏模拟信号输出，接CC2540主板P0_0，2号引脚为3.3V电源输入端，3号引脚为接地端。

PulseSensor与CC2540连接电路图如图5所示。

2 系统的软件设计

2.1 温度测量程序流程

系统运行时，首先将DS18B20初始化，发出复位命令，复位成功后跳过ROM匹配操作，启动温度转换，在DS18B20获取温度函数后进行温度数据的读取，直到9个字节读完并提取出符号位和真实数值，通过CRC校验以确保数据的完整且正确后存入温度寄存器，完成一次温度读取操作。

温度测量程序流程图如图6所示。

2.2 脉搏测量程序流程图

图7：脉搏测量程序流程图

系统运行时，首先要将进行串口初始化和心率服务初始化，初始化完成后开始测量计算心率，取两次心跳间隔时间的倒数即为心跳的频率，再乘60即为心率。然后进行数据存储并将心率数据通知到主机后返回或继续测量下一组心率数据。

脉搏测量程序流程图如图7所示。

3 系统测试

3.1 温度测试

温度测量部分的程序调试好之后，编译下载到CC2540开发板上，温度采集结点开始工作，系统通过低功耗蓝牙与手机连接成功之后，向手机实时发送测得的温度数据。首先将传感器置于室温环境下，测得实时温度为25.8℃，手机界面显示实时接受到的室温数据并且每秒更新一次。室温测量测试如图8所示。

以手指为例，将手指放置于温度传感器上，传感器开始测量手指的温度并将测量数据实时发送到手机，手机界面显示温度从室温开始逐步上升，直到稳定在30.7℃，测得手指的温度为30.7℃，手指温度测量测试如图9所示。

3.2 脉搏测试

脉搏测试部分的程序调试好之后，编译下载到CC2540开发板上，脉搏采集结点开始工作。测试者首先静坐于常温室内，将手指贴近传感器采集信息的一侧，并且不触碰到传感器另一侧的电路部分以确保传感器正常运行，测得实时心率为82BPM。静坐状态脉搏测量测试如图10所示。

测试者起身，原地做20个蹲起动作后，再次按照上述操作进行测量，测得实时心率为122BPM。运动后脉搏测量测试如图11所示。

图8：室温测量测试

图9：手指温度测量测试图

图10：静坐状态脉搏测量测试

图11：运动后脉搏测量测试图

4 结论

研究测试表明，本设计提供的无线体域网的人体实时监测系统具有体积小，灵活性高等优点，相比于传统人体信息监测仪器众多连线的束缚，本设计可以随身携带，大大提高了人体信息监测的操作灵活性，降低了监测设备的成本，可在医疗健康领域有更加广泛的应用。