基于Zigbee技术的医疗监护系统设计 毕业设计.docx
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基于Zigbee技术的医疗监护系统设计毕业设计
基于Zigbee技术的医疗监护系统设计毕业设计
毕业设计（论文）
题目
基于Zigbee技术的医疗
监护系统设计
系（院）
专业
班级
学生姓名
学号
指导教师
职称
二〇一年月日
独创声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。
据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
二〇一年六月二十日
毕业设计（论文）使用授权声明
本人完全了解关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。
本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。
（保密论文在解密后遵守此规定）
作者签名:
二〇一年六月二十日
基于Zigbee技术的医疗监护系统设计
摘 要
本系统设计的是基于Zigbee技术的医疗监护系统，它需要检测人体的四个健康体征信息：
体温、脉搏、血压、心电，通过STM32单片机处理信息，经Zigbee无线技术传至上位机实时显示。
由硬件和软件两部分组成。
首先是体温检测，利用探头式温度传感器DS18B20进行温度检测，采用单总线模式，在编程过程中严格按照该芯片的读写时序进行温度检测。
其次是脉搏检测，利用红外脉搏传感器检测由于心脏的跳动，引起指尖的血液变化，经过信号放大、调整等电路处理，计算出脉率。
再次是心电检测，利用心电图采样模块采集出心电信号，通过AD转换读取电压值，并将数据发送至上位机实时显示心电数据。
最后是血压检测，利用改装的全自动血压计BK6022测量出人体血压信息。
另外还包括单片机电源电路、超限声光报警电路、复位电路以及上位机应用程序。
本系统的研究与开发有利于医院更好的进行医疗监护，利用Zigbee技术，传递医疗传感器与监护仪器之间的信息,减少监护设备与医疗传感器之间的连线,使得被监护人能够拥有较多的自由活动空间,更好的为病人服务，同时提高了医院中监护的工作效率，并且有着舒适,低功耗,可扩展性强的特点。
关键词：
Zigbee技术，传感器，医疗监护
TheDesignofWirelessMedicalMonitoringSystemBasedOnZigbeeTechnology
Abstract
ThedesignisahealthcaresystemwhichisbasedontheZigbeetechnology.Itrequiresfoursignsofhealthinformationdetectionofhumanbody:
temperature,pulse,bloodpressure,ECG,processingtheinformationthroughtheSTM32microcontroller,transmittingtheinformationtoPCtoachievereal-timedisplayviaZigbeewireless.Itconsistsoftwopartsofhardwareandsoftware.Thefirstisthetemperaturedetection,usingprobetypetemperaturesensorDS18B20todetect,whichadoptssinglebusmode.Thecourseofprogrammingfortemperaturedetectionisinstrictaccordancewiththechiptoreadandwritetiming.Thesecondisthepulsedetection,usinginfraredpulsesensortodetectchangesinthefingertipbloodbecauseoftheheartbeat.Wecalculatethepulseratethroughsignalamplificationandadjustmentcircuitprocessing.OnceagainistheECGtesting,collectingtheECGsignalbyelectrocardiogram,readingthevoltagevaluethroughtheADconverter,andsendingthedatatothePCtoachievereal-timedisplayofECGdata.Finally,thebloodpressuremeasurementusesamodifiedautomaticsphygmomanometerBK6022tomeasurehumanbloodpressureinformation.SCMalsoincludesapowersupplycircuit,overrunsoundandlightalarmcircuit,resetcircuit,andPCapplications.
Researchanddevelopmentofthissystemisconducivetoabetterhospitalmedicalcare,transferringinformationbetweenmedicalsensorandmonitor,reducingconnectionbetweenthemonitoringequipmentandmedicalsensor,makingtheguardianhavemorefreedomofspace,achievingbetterservicesforpatients,andimprovingtheworkefficiencyofhospitalcare,anditiscomfortable,lowpowerconsumption,scalability.
Keywords:
Zigbeetechnology,sensor,themedicalmonitoring
第一章绪论
当今社会，随着科技发展的日新月异，特别是计算机技术突飞猛进的发展，计算机技术带来了科研和生产的许多重大飞跃，同时计算机也越来越广泛的被应用到人们的生活、工作领域的各个方面。
单片微型计算机以其体积小、功能强、速度快、价格低等优点，在数据处理和实时控制等应用中有着无以伦比的优越性，可广泛地嵌入到如玩具、家用电器、机器人、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备、金融电子系统、舰船、个人信息终端及通讯产品中。
随着微控制技术（以软件代硬件的高性能控制技术）的日益完善和发展，单片机的应用必将导致传统控制技术发生巨大的变化。
单片微型计算机的应用广度和深度，已经成为一个国家科技水平的一项重要标志[1]。
另外随着目前社会老龄化的加剧,解决长期慢性病的监护成为重要的社会问题。
一些突发性疾病和家庭保健,如心血管疾病、老人的日常护理、孕妇、胎儿、婴幼儿的保健也需要长期的家庭监护。
以往的解决方案是采用有线方式，各种连线不仅繁琐而且需要护士按病床号依次检查，效率低，负担重，且当异常情况发生时，往往处理不及时容易发生医疗事故，特别在病房里,各种连线不仅使病人感到不适,而且还使病房显得杂乱无章,影响医护人员的工作效率。
因此医疗单位迫切需要一种低成本，高可靠性的无线传输模式代替有线传输模式。
再者为了进一步加深对单片机及其接口的理解，掌握一般的软硬件的设计方法，巩固大学四年之所学，也给自己一个实践锻炼的机会以及有所创新，几个月以来，我们全心投入本次毕业设计，设计出一种网络式的监护装置,实时监测人体的基本生命体征：
体温、脉搏、心电、血压，利用Zigbee技术，传递医疗传感器与监护仪器之间的信息,减少监护设备与医疗传感器之间的连线，使得被监护人能够拥有较多的自由活动空间,更好的为病人服务，同时提高了医院中监护的工作效率，并且有着舒适,低功耗,可扩展性强的特点[2]。
第二章Zigbee技术
2.1Zigbee技术概述
Zigbee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。
主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。
简单的说，它是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。
通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展[3]。
与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，Zigbee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。
而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个Zigbee“基站”却不到1000元人民币[4]。
每个Zigbee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。
除此之外，每一个Zigbee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接[5]。
Zigbee模块是一种物联网无线数据终端，利用Zigbee网络为用户提供无线数据传输功能，其优越的性能已让Zigbee技术广泛应用于物联网产业链中的M2M行业，如智能电网、智能家居、工业自动化、数字化医疗等领域。
2.2Zigbee技术应用于医疗监护的优势
本系统中采用Zigbee技术替代传统的有线连接,主要是基于以下几点考虑：
（1）实时监护
在医院的实际情况中，重病患者随时都可能发生病变，因此需要医疗监护系统具备实时监护的功能。
利用Zigbee技术的医疗监护系统，能自动将检测结果发到医院上位机，使患者能够得到及时的救助，保障了病人的生命安全。
（2）低成本
要想实现医院的无线联网系统，需要组建一个可以覆盖医院整体建筑面积的网络，还需为病人配置相应仪器，所以建设费用是相当高的，而使用Zigbee组网技术，可以大大减少连线,一次性投入成本非常低，运行成本几乎没有。
（3）组网的灵活性
网络的大小是根据病人的多少决定的，所以系统的组网必须灵活性强。
当病人的数量增加或减少时，Zigbee无线网络也能灵活的增加或减少仪器通信接口，而无须进行繁杂的参数设定工作。
（4）低功耗
能耗特性是Zigbee的一个技术优势[6]。
通常Zigbee节点所承载的应用数据速率都比较低。
当某个仪器终端没有病人，不需要通信时，节点可以进入很低功耗的休眠状态，此时能耗可能只有正常工作状态下的千分之一，因此有很高的节能效果，很适合医院使用。
第三章系统设计与实现
3.1系统结构
本监护系统是以STM32单片机为控制核心，通过温度传感器、脉搏传感器、心电传感器以及血压传感器采集病人的各项生理信息，然后经单片机处理后通过Zigbee无线模块传送给上位机，上位机可以实时显示并存储病人的体温、脉搏、心电图、血压等信息，当体温和脉搏不在正常范围内时，上位机可以自动报警，实现本系统的无线监护功能。
下面着重介绍系统各模块的设计与实现[7]。
图3-1系统框图
3.2主控芯片STM32介绍
STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。
按性能分成两个不同的系列：
STM32F103“增强型”系列STM32F101“基本型”系列。
增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择[8]。
两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。
时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。
STM32系列为32位单片机，最高工作频率72MHz，片上集成32-512KB的Flash存储器，6-64KB的SRAM存储器。
2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压。
POR、PDR和可编程的电压探测器（PVD），4-16MHz的晶振，内嵌出厂前调校的8MHzRC振荡电路，内部40kHz的RC振荡电路，用于CPU时钟的PLL，带校准用于RTC的32kHz的晶振。
它兼有低功耗和多种省电工作模式，能够优化工业设备、物业控制设备、医疗设备和计算机外设等产品的性能，基于上述优点，我们选用STM32F103系列单片机作为本系统的控制器[9]。
图3-2STM32f103单片机引脚图
3.3温度检测模块
体温采集采用美国DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器。
其独特的单线接口方式，在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯[10]。
它在出厂时以配置为12位，读取温度时共读取16位，前5个位为符号位，当前5位为1时，读取的温度为负数；当前5位为0时，读取的温度为正数。
温度为正时读取方法为：
将16进制数转换成10进制即可。
温度为负时读取方法为：
将16进制取反后加1，再转换成10进制即可，其测温范围为－55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃，测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力，它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果，应用范围包括恒温控制、工业系统、消费电子产品温度计等场合。
因此我们选用探头式的DS18B20温度传感器，将其置于病人腋下，测取人体体温，当超出正常范围，上位机报警灯点亮，同时下位机发出声光报警。
其具体介绍如下：
图3-3探头式DS18B20实物图
DS18B20内部结构主要由四部分组成：
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。
64位ROM的排的循环冗余校验码（CRC=X8＋X5＋X4＋1）。
ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的[6]。
内部结构如图3-4：
图3-4DS18B20内部结构
DS18B20的温度转化：
DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：
用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。
见表3-1：
表3-1温度的二进制补码形式
Bit7
Bit6
Bit5
Bit4
Bit3
Bit2
Bit1
Bit0
Lsbyte
Bit15
Bit14
Bit13
Bit12
Bit11
Bit10
Bit9
Bit8
Msbyte
S
S
S
S
S
这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H[11]。
见表3-2：
表3-2温度的转化
125℃
0000011111010000
07D0H
85℃
0000010101010000
0550H
25.0625℃
0000000110010001
0191H
10.125℃
0000000010100010
00A2H
0.5℃
0000000000001000
0008H
0℃
0000000000000000
0000H
-0.5℃
1111111111111000
FFFFH
-10.125℃
1111111101011110
FF5EH
-25.0625℃
1111111001101111
FE6FH
-55℃
1111110010010000
FC90H
DS18B20的读写时序：
DS18B20的一线工作协议流程是：
初始化→ROM操作指令→存储器操作指令→数据传输。
其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序，它的读写分4种类型：
分别是写1、写0、读1、读0。
DS18B20的初始化时序：
对1-wire器件的所有操作都是从初始化开始的，初始化过程由主机的复位脉冲和1-wire器件的应答脉冲组成。
对1-wire器件的复位脉冲实际上是主机通过拉低总线来实现的，主机通过拉低总线480um以后再把总线拉高使总线上所有1-wire器件复位，总线上1-wire器件接到复位脉冲后便通过拉低总线告诉主机1-wire器件已经准备就绪。
如图3-5所示：
图3-5DS18B20的初始化时序
DS18B20的写时序：
写时序起始于单片机拉低总线。
产生写1时序的方式：
单片机在拉低总线后，接着必须在15us之内释放总线，由5k上拉电阻将总线拉至高电平；而产生写0时序的方式：
在单片机拉低总线后，只需在整个时序期间保持低电平即可（至少60us）。
在写时序起始后15-60us期间，单总线器件采样总线电平状态。
如果在此期间采样为高电平，则逻辑1被写入该器件；如果为0则写入逻辑0。
具体情况如图3-6所示：
图3-6DS18B20的写时序
DS18B20的读时序：
单总线器件仅在单片机发出读时序时，才向主机传输数据，所以，在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便从机能够传输数据。
所有读时序至少需要60us，且在两次独立的读时序之间至少需要1us的恢复时间。
每个读时序都由主机发起至少拉低总线1us。
在主机发起读时序之后，单总线器件才开始在总线上发送0或1。
若从机发送1，则保持总线为高电平；若发送0，则拉低总线。
当发送0时，从机在该时序结束后释放总线，由上拉电阻将总线拉回至空闲高电平状态。
从机发出的数据在起始时序之后，保持有效时间15us，因而，主机在读时序期间必须释放总线，并且在时序起始后15us之内采样总线状态。
如图3-7所示：
图3-7DS18B20的读时序
DS18B20使用中注意事项：
DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下的问题：
较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。
3.4脉搏检测模块
红外脉搏传感器利用特定波长红外线对血管末端血液微循环产生的血液容积的变化的敏感特性，检测由于心脏的跳动，引起指尖的血液变化，经过信号放大、调整等电路处理，从而计算出脉率，用于临床上脉率的测量、监测和脉搏波的病理分析等[7]。
在此选用HKG-07A红外脉搏传感器，它内部集成了放大、滤波等电路，当脉搏超出正常范围，上位机上的报警灯会点亮，同时下位机会发出声光报警。
图3-8红外脉搏传感器
表3-3HKG-07A红外脉搏传感器技术参数
参数
最小值
典型值
最大值
单位
工作电压
5
6
V
工作电流
5
mA
工作环境温度
-40
85
℃
储存环境温度
-40
125
℃
频率范围
0.5
16
Hz
输出脉冲幅度
Vcc-1
V
图3-9HKG-07A红外脉搏传感器典型输出波形图
3.5心电检测模块
AIKD812-256心电图采样模块采用单5V电源供电,采样频率：
2400点/通道,有八个差分信号输入通道，由于模拟输入端具有高达100M的输入阻抗，所以它可以直接连接高阻信号源，模块以串行方式输出采样的数据,整个电路被封装在1.5×1.5×0.381英寸的模块内,适合各类心电采集产品[12]。
我们通过AD转换读取电压值，并将数据发送至上位机，在上位机上显示心电图。
3.6血压检测模块
血压传感器采用全自动血压计BK6022改装，采用示波法测血压，测量的关键是找到充放气脉动压力波的突变点。
检测时通过上位机控制充气泵自动充气，当充气到高于收缩压30mmHg左右时单片机会自动控制电磁阀打开，然会让袖带缓慢的放气，在放气过程中，当袖带压等于收缩压时，振动波幅出现一个极大的跳变，此点对应的即收缩压；当袖带压等于舒张压时，亦出现一个极大的跳边，即舒张压。
测量完毕后所测得的收缩压、舒张压会在上位机显示。
图3-10血压测量工作原理示意图
3.7超限声光报警模块
本系统采用发光二极管和蜂鸣器作为上下限超常声光报警装置，方便观察。
当人体温度高于或低于一定的值时系统会发出声光报警，同样，当脉搏值或血压值高于或者低于一定的值时系统也会发出声光报警。
人体正常体温范围为36～37.5℃，正常脉搏范围为60-100次/分，正常血压范围为：
收缩压140--90mmHg，舒张压90--60mmHg，所以当测得的体温、心率或血压超出正常范围时，发光二级管发光和蜂鸣器进行声光报警，达到医疗监护的目的。
3.8无线传输模块
Zigbee无线模块是一种物联网无线数据终端，利用Zigbee网络为用户提供无线数据传输功能，其优越的性能已让Zigbee技术广泛应用于物联网产业链中的M2M行业，如智能电网、智能家居、工业自动化、数字化医疗等领域。
Zigbee无线模块中的ZM2410可以实现点对点通信和点对多通信，我们将主机和从机分别配置一个ZM2410，便可实现主从机间的无线通信，此技术应用于此系统的设计，将大大简化线路铺设，减轻医院负担，并能使被监护人拥有较多的自由活动空间,具有很大的实用性。
我们选用F8913DZigbee模块，它采用高性能的工业级Zigbee方案，提供SMT与DIP接口，可直接连接TTL接口设备，实现数据透明传输功能；低功耗设计，最低功耗小于1uA；提供5路I/O，可实现数字量输入输出、脉冲输出；其中有3路I/O还可实现模拟量采集、脉冲计数等功能，完全可以满足该系统的要求。
图3-11Zigbee模块
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