基于ZigBee技术的便携式心率计的设计

2015-02-05武汉轻工大学电子与电气工程学院李战胜万叶丽

电子世界 2015年13期

武汉轻工大学电子与电气工程学院李战胜万叶丽

武汉轻工大学电子与电气工程学院李战胜万叶丽

针对目前我国的医疗状况，本文介绍了一种利用ZigBee技术实现的心率监测设备，该仪器主要采用的控制器是TI公司研究的无线射频芯片CC2430，采用光电传感器作心率传感器使用，将人的心率即脉冲信号转换成电压信号。该系统整体由五个部分组成：分别是心率信号采集与转换部分、处理、显示、报警和无线传输部分。再利用ZigBee无线技术将数据传送出去，从而可以实现远程测量，为远程医疗提供有利的条件。经过实际测试，该系统不但可以准确地测量不同人群的心率，而且便于携带，体积小，成本低。

ZigBee技术；CC2430；便携式心率计

1 引言

目前,我国的人口众多,其中老年人更多,老龄化现象比较严重,而老年人的身体状况也为我们提出了比较严峻的课题,采用什么措施对于老年人身体状况进行实时的检查也是迫在眉睫,这个检查可以有效地发现一些突发性疾病,对于老年人健康有很大的帮助,并且我国的卫生资源分配不太均匀,城市和沿海比较密集,但是一些偏远地区看病就比较困难,为了解决这些问题,很多措施被运用起来,其中远程医疗被提了出来,通过无线技术的运用,就可以使得不同地区的人享用我国的医疗条件,而且可以提醒个人时刻注意自己的身体问题。针对这一情况,本文提出了一个采用ZigBee无线技术的便携式心率测试设备,该仪器不但能够运用到普通家庭中准确监测人们的心率状况,而且还采用了无线传输的技术,从而能够进行远程测量心率,为远程医疗提供了一个比较新的思路。

2 整体设计方案

系统整体设计框图如图1所示:

图1 系统结构框图

该系统共分为三个部分。

(1)信号转换部分:在这部分里,采用光电传感器作心率传感器使用,将人的心率即脉冲信号转换成电压信号,为信号的采集做好准备;

(2)信号处理部分:由于光电传感器输出的电压信号较弱,因此要进行相应的放大处理和滤波,包括前置放大和后级放大器部分,滤波采用低通和高通滤波电路;

(3)信号采集及无线发送部分:采用芯片CC2430作为控制器,可以进行数据处理,门限比较报警。也可以在LCD上显示,并通过ZigBee技术利用无线通信方式将数据发送给上位机。

3 控制器部分设计

本心率计侧重于便携式即方便携带,并且可以实现远程测量,所以经过分析,选用美国的TI公司研发的芯片CC2430作为控制器部分,在CC2430芯片上集成了CPU、存储器、常用外设和RF射频部分。该芯片有1个8位CPU, 32MHz的主频,可编程FLASH有128KB以及容量为8KB的SRAM,另外芯片资源也非常丰富。

4 ZigBee无线传输方式的确定

目前,在短距离的无线传输方面,主要有蓝牙技术,红外技术,WiFi和ZigBee技术,其中现在常用的蓝牙技术采用的是点对点的传输,穿透性较强,而且还支持多种设备;而利用红外线传输的应用也比较多,在一般的打印机中均有其踪迹; WiFi在家庭的无线网络用运用较广,但是成本较高。而 ZigBee技术实现的无线传输与其他三种技术相比,结构更加简单,并且功耗低,成本也不高,在一些智能仪器方面运用较广。因此在本系统的设计中主要采用ZigBee无线通信技术。

5 ZigBee介绍

Zigbee是以IEEE 802.15.4为基础的。但IEEE标准仅处理低级MAC层和物理层协议,所以Zigbee联盟将IEEE协议进行一定的扩展,并对其网络层协议和API进行了标准化。Zigbee可以在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量,就可以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以它们的通信效率非常高。在整个网络范围内,每个网络节点间的距离可以从标准的75米,到扩展后的几百米,甚至几千米;另外整个Zigbee网络还能够实现与现有的其它的各种网络进行连接。从而更能提高其应用性。

图2 协议器工作流程

6 无线传输部分工作流程

协议器是无线传输的核心,在本系统中,协议器主要负责采集整个Zigbee网络的传感器数据,并通过无线电波将数据传输给相应的网络节点。其中协议器工作流程如图2所示,首先新建一个新的无线网络,然后进行监听和等待,确定是否有入网的请求,如果有请求,就为子节点分配相应的地址,没有请求继续等待,分配好地址后,通过众多传感器接收监测到的心率信号,并将其发送给当前的PC机进行处理。