穿戴式监护系统的ZigBee传感网络研究

摘要

社会的进步和科学技术的发展，促进了医疗体系的改革和医学模式的转变。国家中长期发展规划在人口与健康领域提出了“战略前移”和“重心下移”的发展战略，即将健康保障体系放在首位，将医疗卫生事业的重心从医院转移到基层和社区。其中，数字化远程医疗技术、小型诊疗和移动式医疗服务装置等方面被列入了优先发展领域。传统的有线方式生理监护仪容易引起患者的不舒适和不自然，以致情绪不安或心情紧张，进而影响检测数据的准确性。蓝牙、ZigBee等具有低功耗和高可靠性等特点的短距离无线通信技术的推广应用，极大的推动了无线医疗监护技术的研究和应用。
　　 本文首先从家庭远程医疗监护的角度提出了基于ZigBee技术的穿戴式无线监护系统。此系统由穿戴式生理信号检测、ZigBee无线数据传输网络和中央信号处理等三部分组成，采用了穿戴式检测、ZigBee无线通讯等新式研究技术。本文主要针对穿戴式检测系统的ZigBee无线传感网络部分进行研究。
　　 在分析无线监护系统具体应用环境的基础上，本文成功研制了可以融合传感器检测和ZigBee通讯的无线传感器节点，具有PC数据传输接口的ZigBee中心节点。所有节点均采用TI-Chipcon公司的SoC式ZigBee芯片CC2430作为节点的控制核心。具有构建成本低，体积小，低功耗的特点，符合穿戴式系统的要求。
　　 基于TI Zstack协议栈的框架设计了无线个域网（WPAN）系统的通信协议应用部分，通过用户对网络中节点的预先匹配，进而组建网络，加强了网络的灵活性和稳定性，同时设计了分时段数据群发的传输模式，避免了传感器节点向中心节点上报数据时的数据碰撞问题，完成了生理参数的信号采集和无线传输。
　　 最后利用本文构建的WPAN系统，对人体的生理参数进行采集实验，利用Visual C++可视化编程软件作为开发平台，实现了数据的实时显示。同时，对于系统在真实环境下的通讯距离进行测试，提出了加入路由节点作为信号中继，增加了网络覆盖和生理信息的无线传输能力。对于WPAN系统的抗干扰和功耗方面的测试和优化分析，表明了WPAN的低功耗，抗干扰性和稳定性，符合组建穿戴式无线监护系统的要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 穿戴式监护系统的国内外研究现状

1.3 穿戴式监护系统的相关技术特点

1.3.1 穿戴式检测技术的特点

1.3.2 无线传感网络技术的特点

1.3 课题主要研究内容及目标

1.4 论文结构

第二章 穿戴式无线监护系统

2.1 基于ZigBee传感器网络的无线监护系统架构

2.2 基于ZigBee的WPAN系统

2.3 系统各个设备的主要功能

2.5 本设计方案的主要特点

2.6 本章小结

第三章 WPAN系统的结构

3.1 WPAN系统的拓扑结构

3.2 WPAN系统中的节点模块研制

3.2.1 节点模块的硬件框图

3.2.2 中央控制芯片CC2430

3.2.3 CC2430芯片外围电路

3.2.4 传感器模块

3.2.5 UART串行通讯接口

3.2.6 无线射频天线

3.2.7 节点的PCB电路

3.3 本章小结

第四章 WPAN系统的程序设计

4.1 ZIGBEE标准协议架构

4.1.1 ZigBee协议框架

4.1.2 ZigBee协议介绍

4.2 网络组建

4.2.1 节点地址匹配方案设计

4.2.2 网络组建程序设计

4.3 数据传输

4.3.1 数据传输模式研究

4.3.2 数据采集和发送程序

4.3.3 数据接收程序

4.7 本章小结

第五章 网络性能测试和优化方案

5.1 网络通讯距离

5.1.1 室内外通讯距离测量

5.1.2 优化方案

5.2 节点功耗

5.2.1 功耗计算和测试

5.2.2 优化方案

5.3 网络抗干扰性能

5.4 数据及结果显示

5.5 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

附 录

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢