無線體域網的人體實時監(jiān)測系統(tǒng)的設計

文/弓文劍 劉丹 王羽徵 畢海 程遠

隨著科技發(fā)展進步，人們的物質生活水平日益提高，人們對自身健康情況的關注程度也隨之上升，因此一些可以反應人體健康狀況的實時數(shù)據(jù)就變得尤為重要。傳統(tǒng)的人體檢測儀體積較大且連線較多，難以隨身攜帶，給我們的日常生活造成很大的不便。為此本系統(tǒng)設計了一款無線體域網(WBAN)的人體實時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)輕便小巧，無連線束縛，

WBAN與藍牙相結合有著廣闊的應用前景，其未來發(fā)展趨勢主要有無線體域網與藍牙兼容性的提高，無線體域網系統(tǒng)能耗降低，藍牙傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與安全性以及無線體域網傳感器節(jié)點微型化等方面。

1 系統(tǒng)硬件電路設計

人體的體溫信號、脈搏信號等物理信號，通過各個相對應的傳感器節(jié)點，將物理信號轉換為電信號后與中央芯片CC2540相連，信號經MCU處理后，通過低功耗藍牙模塊，與用戶的智能手機或平板電腦相連接，用戶可以根據(jù)接收到的信息，從而實現(xiàn)無線體域網的人體實時監(jiān)測系統(tǒng)的設計。本系統(tǒng)總體原理框圖如圖1所示。

圖1：無線體域網的人體實時監(jiān)測系統(tǒng)的原理框圖

圖2：CC2540最小系統(tǒng)電路圖

1.1 CC2540最小系統(tǒng)電路

系統(tǒng)中央芯片采用CC2540芯片，該芯片將微控制器、應用程序和主機集成在一個元器件上，且功耗較低，其最小系統(tǒng)正常工作所需的外圍設備很少。最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

其中，ATXL1取值為32MHz，它與負載電容C15、C16共同組成32MHz晶振源，這組晶振用于無線射頻收發(fā)，連接到CC2540的XOSC_Q1與XOSC_Q2引腳上。ATXL2取值為32.769KHz，它與負載電容C17、C18共同組成32MHz晶振源，通常使用本組晶振來喚醒低功耗睡眠模式。

圖3：電源電路圖

C10、C11、C12、C13、C14、L2、L3、L9、L10均為射頻匹配網絡的一部分，C2為內部數(shù)字穩(wěn)壓器的去耦電容，連接到DCOUPL引腳后接地。R5為內部偏置電阻，連接到RBIAS引腳后接地。

1.2 電源模塊

本系統(tǒng)使用AMS1117-3.3正向低壓降穩(wěn)壓器，它的輸出電壓即為3.3V且輸出較穩(wěn)定，可以很好地為系統(tǒng)供電，其電路圖如圖3所示。

圖4：DS18B20與CC2540連接電路圖

圖5：PulseSensor與CC2540連接電路圖

圖6：溫度測量程序流程圖

C3和C4兩個電容的的作用是輸出濾波，C1和C2是輸入電容，對于交流電壓整流輸入，它們的作用是把外部輸入的電壓轉換成適合的直流電壓，同時他們還能在系統(tǒng)斷電后防止電壓倒置，用作隔離電容以保護電路。

1.3 溫度傳感器模塊

溫度傳感器采用DS18B20，溫度有效測量范圍為-55℃～+125℃，在-10℃至+85℃范圍內精度為±0.5℃，工作電源為3.0～5.5V。該傳感器共有三個引腳，1號引腳為接地端，2號引腳為數(shù)字信號輸入/輸出端，接CC2540主板的P0_0，通過這根引腳就可以實現(xiàn)傳感器與微處理器之間的雙向通訊。3號引腳為外接供電電源輸入端，接VDD。

在連接電路時要注意不要將傳感器的正負極接反，否則會導致傳感器變得非常燙，最高可達到85℃，造成燙傷。DS18B20與CC2540連接電路圖如圖4所示。

1.4 脈搏傳感器部分

脈搏傳感器采用PulseSensor，它是一款光電反射式模擬傳感器，該傳感器由光源和光電變換電路組成，其工作原理是將傳感器采集信息的一側固定在人的手指、耳垂等采集結點處，心臟在跳動時也會導致血管產生輕微搏動，人體的表皮組織在血管搏動時透光率也隨之變化，由此傳感器可以采集到相應變化的光電信號，血管的搏動情況是隨心率變化而變化的，因此對采集到的光電信號進行濾波、放大等處理，將物理信號轉為電信號后，電信號的變化即對應心率的變化。傳感器共有三個引腳分，1號引腳為脈搏模擬信號輸出，接CC2540主板P0_0，2號引腳為3.3V電源輸入端，3號引腳為接地端。

PulseSensor與CC2540連接電路圖如圖5所示。

2 系統(tǒng)的軟件設計

2.1 溫度測量程序流程

系統(tǒng)運行時，首先將DS18B20初始化，發(fā)出復位命令，復位成功后跳過ROM匹配操作，啟動溫度轉換，在DS18B20獲取溫度函數(shù)后進行溫度數(shù)據(jù)的讀取，直到9個字節(jié)讀完并提取出符號位和真實數(shù)值，通過CRC校驗以確保數(shù)據(jù)的完整且正確后存入溫度寄存器，完成一次溫度讀取操作。

溫度測量程序流程圖如圖6所示。

2.2 脈搏測量程序流程圖

圖7：脈搏測量程序流程圖

系統(tǒng)運行時，首先要將進行串口初始化和心率服務初始化，初始化完成后開始測量計算心率，取兩次心跳間隔時間的倒數(shù)即為心跳的頻率，再乘60即為心率。然后進行數(shù)據(jù)存儲并將心率數(shù)據(jù)通知到主機后返回或繼續(xù)測量下一組心率數(shù)據(jù)。

脈搏測量程序流程圖如圖7所示。

3 系統(tǒng)測試

3.1 溫度測試

溫度測量部分的程序調試好之后，編譯下載到CC2540開發(fā)板上，溫度采集結點開始工作，系統(tǒng)通過低功耗藍牙與手機連接成功之后，向手機實時發(fā)送測得的溫度數(shù)據(jù)。首先將傳感器置于室溫環(huán)境下，測得實時溫度為25.8℃，手機界面顯示實時接受到的室溫數(shù)據(jù)并且每秒更新一次。室溫測量測試如圖8所示。

以手指為例，將手指放置于溫度傳感器上，傳感器開始測量手指的溫度并將測量數(shù)據(jù)實時發(fā)送到手機，手機界面顯示溫度從室溫開始逐步上升，直到穩(wěn)定在30.7℃，測得手指的溫度為30.7℃，手指溫度測量測試如圖9所示。

3.2 脈搏測試

脈搏測試部分的程序調試好之后，編譯下載到CC2540開發(fā)板上，脈搏采集結點開始工作。測試者首先靜坐于常溫室內，將手指貼近傳感器采集信息的一側，并且不觸碰到傳感器另一側的電路部分以確保傳感器正常運行，測得實時心率為82BPM。靜坐狀態(tài)脈搏測量測試如圖10所示。

測試者起身，原地做20個蹲起動作后，再次按照上述操作進行測量，測得實時心率為122BPM。運動后脈搏測量測試如圖11所示。

圖8：室溫測量測試

圖9：手指溫度測量測試圖

圖10：靜坐狀態(tài)脈搏測量測試

圖11：運動后脈搏測量測試圖

4 結論

研究測試表明，本設計提供的無線體域網的人體實時監(jiān)測系統(tǒng)具有體積小，靈活性高等優(yōu)點，相比于傳統(tǒng)人體信息監(jiān)測儀器眾多連線的束縛，本設計可以隨身攜帶，大大提高了人體信息監(jiān)測的操作靈活性，降低了監(jiān)測設備的成本，可在醫(yī)療健康領域有更加廣泛的應用。