基于ZigBee的医疗监护节点设计 (毕业设计59页、21416字+原理图+PCB图+实物图)
摘要：近年来由于传感器集成化、小型化以及无线通信和嵌入式的微处理器等方面的进步，产生了新一代的适用于多种场合的无线传感器网络，例如应用于环境监测、农业植物管理、远程医疗监控等方面。其中最主要的领域就是健康监控。ZigBee是一种近距离、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，可以嵌入各种设备中。与其他无线协议相比，ZigBee无线协议具有低复杂性、缩减的资源要求的优点。本设计采用PIC单片机作为控制芯片，配合射频芯片CC2420实现无线传输，设计符合ZigBee规范的通信程序，达到组网的目的。设计分成三大部分：第一部分为体温的测量，选择人体的颈部作为体温感测的测量部位，再利用DS18B20温度测量芯片作为体温传感器，来获得人体的体温信息；第二部分为无线通信，设计支持ZigBee传输协议的通信电路，将温度信息以无线的方式传输到监护端；第三部分是通过VB语言编制串口通信程序，将人体的体温信息传送到计算机上，并显示以方便观察。实验结果表明，该系统能够无线监测体温变化。
关键词：医疗监护；体温测量；无线通信；ZigBee；PIC单片机
 
The Design of Medical Monitoring Node Based on ZigBee
Abstract: In recently years, the increasing miniaturization of sensors and the advances in wireless communication as well as embedded microprocessors have given rise to a new generation of wireless sensor networks for a wide range of applications, such as environmental monitoring, agriculture management, medical monitoring etc. Of these applications, health monitoring is the most important. ZigBee is a short-range, low-power, low-data rate and low-cost wireless communication technology. Compared with other wireless protocols, ZigBee has the advantages of low complexity and low resource demand. In the design, PIC chip is used as the control unit to realize the function of wireless communication along with the CC2420 RF transmission chip. Additionally, the program of communication was designed to construct the network. This study consists of three main parts. First of all the neck was selected as target area for body temperature measurement. Then DS18B20 temperature sensor was chosen as the body temperature sensor. The second part is wireless communication. Communication circuit supporting ZigBee protocol was designed to transmit the temperature data to the monitoring station. Final part focuses on the design of communication program for serial ports written by Visual Basic, transporting the temperature data to the PC to display. The experiment results show that the system can perform the function of temperature monitoring.
Key Words: Medical monitoring；body temperature measurement；wireless communication； ZigBee； PIC chip

目 录
第1章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2 研究目的 2
1.3 本文工作 3
1.4 论文结构 3
第2章 总体设计 4
2.1 设计方案 4
2.2 设计流程 5
第3章 人体体温传感器的选择和设计 6
3.1 感测区域的选择 6
3.2 温度传感器的选择 6
3.3 感测元件的特性 6
3.3.1 智能温度传感器DS18B20的特性 6
3.3.2 智能温度传感器DS18B20的内部结构 7
3.3.3 智能温度传感器DS18B20的测温原理 9
3.3.4 DS18B20电路连接 11
第4章 无线网络平台的设计和实现 12
4.1 微控制器的选型与整体模块设计 12
4.1.1 PIC系列单片机 12
4.1.2系统的开发环境与开发工具 13
4.2 无线数据传输模块的设计与实现 14
4.2.1无线射频芯片的选型 14
4.2.2 2.4GHz无线收发芯片CC2420 14
4.2.3 CC2420的性能特点 14
4.2.4 CC2420芯片功能介绍 15
4.2.5 CC2420电路设计 16
4.2.6 配置IEEE 802.15.4工作模式 17
第5章 无线通信系统的设计 19
5.1 ZigBee的由来 19
5.1.1  ZigBee的定义 20
5.1.2  ZigBee简介 20
5.2 ZigBee的结构 20
5.2.1 ZigBee的实体层 21
5.2.2 ZigBee的网络层 22
5.3 ZigBee的应用 23
5.4 蓝牙与ZigBee的比较 23
5.5 无线通信系统的设计 24
5.5.1 无线模块与微控制器的连接 25
5.5.2使用中断方式接收传感器数据 26
第6章 系统的软件部分设计 27
6.1温度测量程序设计 27
6.2 通信软件设计 28
6.2.1 初始化 28
6.2.2 子程序设计 28
6.2.3 ZigBee网络构架 29
6.2.4 端点、接口、群集、属性和配置文件 29
6.2.5 数据传输机制 30
6.3 平台上的ZigBee网络配置 30
6.3.1 协调器(Coordinator)节点说明 31
6.3.2路由节点说明 31
6.3.3 RFD节点说明 31
6.4 平台上实现的ZigBee网络程序 32
6.4.1协调器(Coordinator)节点的程序 32
6.4.2 网络层程序源文件 35
6.4.3 MAC层程序源文件 35
6.4.4 CC2420的特定的PHY程序 36
6.4.5 RFD节点程序 36
6.5 上位机程序设计 36
第7章 系统的调试和运行结果 38
结论 40
致谢 42
参考文献 43
附录一 45
附录二 49
附录三 50
附录四 52

 
第1章 绪论

1.1 研究背景
目前的健康监护系统，在应对紧急情况和疾病监测领域取得了显著的效果，同时也面临着新的机遇，快速增长的老年人群和日益庞大的健康支出。据预计到2040年，老龄人口将占中国总人口的28%，达到3亿9700万人。这种趋势是全球化的，全球人口65岁以上的人群到2025年将增长一倍。相应增长的是人们对健康的投入，健康消费的支出将占到GDP的20%在未来的10年以内，从而威胁到经济的健康发展。另一方面人们都想要尽情享受自由的时间，从而努力减少任何妨碍自由活动的事情，往返于家和医院，长时间的排队等待等等都会是人们希望避免的。老年人期望生活自由，但是同时他们有时又需要特别的照顾和护理。越来越多的人从事于有规律的身体锻炼，希望保持良好的健康状态，从而需要个人医疗护理设备。患慢性病的人数也越来越多，比如心脏病、高血压、糖尿病等等，这些健康问题需要长时间的监护。
现有的健康监护系统目前面临的困难是不能实现合理和及时的监护，不能满足日益增长的老年人群和慢性病人的需要。无线技术和无线传感器网络的结合，推动了分布式，分散的无线健康监护系统的发展，从而提出了对问题的可能解决办法。
近来由于物理传感器集成化、小型化以及无线通信技术、嵌入式的微处理器和无线电接口等方面的进步，产生了新一代的适用于多种场合的无线传感器网络，例如应用于环境监测、农业植物管理、远程医疗监控等方面。其中最主要的领域就是健康监控，通过把各种采集传感器和本地传感器集成到无线可携带个人局域网。
这次设计的系统将以医疗机构来当做系统使用的场景，患者是传感器取得数据的来源，接下来应用ZigBee这个无线传输元件来作为传输的媒介，然后把人体体温作为所要传输的数据，接下来再开发一个计算机界面来供护理人员观察监护。从一开始人体的体温的读取、传送，到最后护理人员的监护总共三大部分，都会在这次的设计中完成。
事实表明，健康医疗需要寻求更加合理、更加容易被人接受的方案。采用健康监测网络实现对健康的监护和疾病的预防是一种可行的方案。便携式的健康监测系统使得人们可以密切监测自身重要生理参数的变化，病人在长期连续的监测下，能够为诊断提供信息，同时对慢性病的护理和疾病的康复也有重要的意义。
移动健康监测网络是一种基于短距离无线通信技术和可携带式计算机（wearcomp）技术、可穿戴在人体身上的、能收集人体和周围环境信息的新型智能个域网（PAN）。移动健康监测设备有脉搏监测器、人体活动监测器、便携式Holter监测器等，目前的设备是多采用独立的模块，以有线方式连接，在对多个生理量进行监测时，需要在采集模块和监测端连接导线，一定程度上限制了人体的活动，间接影响到测量结果的准确性。因此需要寻求一种更实用更方便的解决方案。采用无线嵌入式网络可以很好地解决目前监测系统中上述的问题，同时利用嵌入式的可充电的电源模块，微型化结构设计，将大大节省成本，减小体积。

1.2 研究目的
通常在一家大型的医院里面，会有很多需要被照顾的患者，所以每天花在测量他们体温上的人力需要很多，而且每位患者在一天当中，被测量体温的时间间隔太长，提出两种情况来说明：
情况一 ：
假设某家医院有两百位患者，每一位患者从测量到纪录体温完成的时间需要五分钟，如果要在一小时内完成的话就要有十几个护理人员同时进行测量体温的工作。
情况二 ：
假设早上八点和下午五点是护理人员测量患者体温的时间，当早上八点测量到患者体温是正常的，但如果患者在中午一点的时候体温发生异常情况，而且这个时候身旁刚好没有家人或者护理人员在照顾时，在这种情况下，护理人员就无法马上在第一时间掌握这突发状况，意外往往就会在这时候发生。因此，便要想要利用这次的设计来解决上面的问题，希望可以达到节省人力成本并且还可以增加测量次数，降低意外的发生。
这次的设计有三个主要的目的：
（1）节省测量患者体温的人力资源。
（2）增加测量的次数，以达到减少意外状况发生的几率。
（3）护理人员能拥有即时监控患者体温的功能。
为了达到上述的三个目的，所以必须要进行人体体温测量电子化的工作。借由温度传感器结合无线通信的技术，取代人力执行测量体温的工作，如此不但可以达到节省人力成本的目的，而且把测量工作电子化之后，测量的次数也可以依照需求而增加，达到降低意外的发生。最后，会把患者的体温通过计算机来显示，护理人员可以及时监护患者的体温状况。

1.3 本文工作
本设计是通过无线通信技术实现一个便携式人体体温监护系统。运用ZigBee技术，通信距离为室外 50 米，通信速度为 250kbps。根据 IEEEE802.15.4 和 ZigBee Specification Ver 1.0，同时从本设计的实际出发，有所裁减地实现物理层、链路层和网路层的协议。
本文的主要工作如下：
（1）阅读、分析和理解 IEEE802.15.4 和 ZigBee 协议，了解 ZigBee 网络的特性以及通信原理。
（2）选择最适合用于本系统的人体体温传感器。
（3）设计软件结构，数据结构以及流程图。
（4）硬件原理图和 PCB 板的制作以及硬件的测试。
（5）硬件驱动程序的编写和测试。

1.4 论文结构
本文的结构大致分为三大部分：第一部分是研究背景、目的、总体设计方案和设计流程图的介绍；第二部分是各部分硬件和软件的设计和实现方法；第三部分是结束语，对本设计做简要总结和评价。