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基于ZigBee技术的病人无线监护系统研究

作　者: 陈琴琴
导　师: 郭勇
学　校: 成都理工大学
专　业: 电路与系统
关键词: 无线传感网络 ZigBee 医疗监护安全路由协议无线传输
分类号: TP277
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着科技发展步伐的加快，人类已经在信息科技时代。作为重要的、基本的信息获取的技术—无线传感技术，此时也迅速地发展起来了。传感器的信息获取技术已经一步一步的从过去的单一化逐步地向一体化、微型化及网络化等多元化的方向发展，这必将会给人类带来一场信息科技革命。而作为拥有计算、感知和通信能力的无线传感网络（WSN，wireless sensor networks）合并了传感器技术、分布式的信息处理技术、通信技术和嵌入式计算技术，能实时地监测、感知及采集网络中所覆盖区域内的环境以及对对象信息进行检测并处理，从而得到详尽、准确的信息，传送到需要这些信息的用户。因为无线传感网络（WSN）具有巨大的应用性价值，所以它目前已经得到了世界上很多国家的工业、军事及学术领域的关注，并将其技术广泛地应用在军事、国家安全、工业过程控制、环境的监测等多个领域。对于综合了传感器技术、现代网络科学技术、分布式的信息科学与处理技术、无线通信技术及嵌入式计算技术的无线传感器网络，是当前计算机网络的一大研究重点。ZigBee是一种供廉价的固定、便携及移动的设备，它是低复杂度、低成本、低功耗的以及低速率的无线连接技术。主要应用于短距离范围、数据传输速率不高的各种电子设备之间。ZigBee相比于蓝牙(Bluetooth)、无线局域网802.11(Wi-Fi)等具有以下优势：（1）省电：由于工作周期很短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，可以确保2节五号电池可以使用长达6个月到2年左右的时间。（2）可靠：采用了碰撞避免机制，预留专用时隙用于需要固定带宽的通信业务，避免了数据发送时的竞争和冲突。（3）成本低：ZigBee协议在使用时是免专利费的，且终端设备费用较低，初始成本大概6美元左右，估计很快就将降到1.5美元到2.5美元之间。（4）时延短：针对时延敏感的问题特别做了优化，设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值是15ms。（5）网络容量大：ZigBee网络中的网络节点数可高达65000个，而蓝牙最多只有8个，Wi-Fi最多有50个。（6）安全：采用128bitAEs加密算法，提供了数据完整性检查和鉴权功能。各个应用的安全属性可灵活确定，在低性噪比的环境下，具有很强的抗干扰能力。由此可以看出，ZigBee是无线数据传输的革命性技术，在低功耗、低成本和组网能力方面都具有无可比拟的优势。由于无线传感器网络本身要求节点密集、节能、方便路由等技术特点，采用ZigBee技术实现无线传感器节点的无线通讯是可能的。针对于以上这些优点，本文中提出了一种采用ZigBee技术来实现病人医疗监护设备的无线化系统的应用，使那些在医院就医的患者能够在医院自由活动的状态下测量到某些生理指标（如本文所设计的获取患者温度参数的无线系统设计），同时将这些参数通过无线网络技术实时地发送给医疗监护中心的医护人员，进行及时的数据分析，并且在必要的情况下得到医生的远程医疗指导。该系统的特点是大大的减少了监护设备与医疗传感器之间的连线，使得被监护人能够在自由活动的状态下进行生理指标的测试。这个系统的设计对于患者来说是非常有利的，它使患者能够在拥有较多的自由活动空间的同时，又完成了温度参数的测试，这样做不但给予了患者较多的自由活动的时间，而且最重要的是减轻了患者巨大的心理压力。同时也提高了医院现代化信息管理水平及医护人员的工作效率。从目前来看，病人的医疗监护无线化系统的研究发展还是很快的。在我国，已经有好多的研究单位及企业都在对无线医疗监护系统进行研究，并且已经制出了心电Holter、心电实时监护系统以及心电BP机等等监护设备。而医院给患者所使用的医疗监护仪器基本上用的都是有线设备，这种设备使患者只能够在固定的位置进行生理指标的测试，这样做不但大大限制了病人的活动范围，而且给病人在心理上造成了很大的压力。针对以上这种情况，本文提出了采用ZigBee技术实现医院病人监护设备的无线系统设计，使患者可以在自由活动的情况下进行生理指标的测试，并通过无线传感器实时的将生理系数传送到医院的监控中心。在正文中我们首先设计出了无线监护系统的的总体结构框架，接着介绍了ZigBee协调器的硬件结构模块以及RFD节点硬件结构模块，最后完成了无线监护系统的软件部分设计。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-16
  1.1 引言  11
  1.2 课题研究的背景、目的及意义  11-12
    1.2.1 研究背景  11-12
    1.2.2 研究目的  12
    1.2.3 研究意义  12
  1.3 国内外发展现状  12-13
    1.3.1 国外无线化监护系统发展现状  12-13
    1.3.2 国内无线化监护系统发展现状  13
  1.4 主要研究的内容以及组织形式  13-15
    1.4.1 研究的内容  13-14
    1.4.2 组织结构  14-15
    1.4.3 特色及创新点  15
  1.5 本章小结  15-16
第2章 ZigBee 技术基础  16-37
  2.1 几种短距离无线数据网络技术  16-18
    2.1.1 Wi-Fi  16-17
    2.1.2 蓝牙（Bluetooth）  17
    2.1.3 超宽频技术（UWB）  17
    2.1.4 近短距无线传输技术（NFC）  17-18
    2.1.5 几种无线通信技术的特点比较  18
  2.2 IEEE 802.15.4 标准  18-23
    2.2.1 PHY(物理层)  19-21
    2.2.2 MAC（介质介入控制子层）层  21-22
    2.2.3 网络层  22-23
  2.3 ZigBee 技术  23-27
    2.3.1 ZigBee 的特点  24-25
    2.3.2 网络拓扑及路由  25-27
  2.4 ZigBee 协议栈的结构以及技术方法  27-35
    2.4.1 ZigBee 协议栈  27-28
    2.4.2 ZigBee 网络层  28-35
    2.4.3 ZigBee 应用层  35
  2.5 ZigBee 与 IEEE 802.15.4 的区别  35-36
  2.6 本章小结  36-37
第3章病人无线化远程监护系统总体结构设计  37-45
  3.1 STM32W 无线单片机  37-42
    3.1.1 STM32W108 芯片  37-41
    3.1.2 STM32W 系统模块  41-42
    3.1.3 STM32W108 芯片的主要特点  42
  3.2 医院无线监护系统总体结构设计  42-44
    3.2.1 传统的病人监护系统结构设计  42-43
    3.2.2 基于 STM32W108 无线监护系统的整体架构  43-44
  3.3 本章小结  44-45
第4章病人无线化监护系统硬件结构  45-51
  4.1 ZigBee 协调器的硬件结构  45-47
    4.1.1 网络协调器的流程图  45
    4.1.2 网络协调器的电路图  45-47
  4.2 RFD 节点的硬件结构  47-48
    4.2.1 RFD 节点的流程图  47
    4.2.2 RFD 节点的电路图  47-48
  4.3 温度传感器 TC77  48-50
  4.4 本章小结  50-51
第5章病人无线化监护系统软件实现  51-59
  5.1 STM32W 协议栈  51-52
  5.2 主机按键电路的程序  52-53
  5.3 通信中几个重要函数  53-55
  5.4 医疗监护中心软件实现  55-58
  5.5 本章小结  58-59
总结与展望  59-60
致谢  60-61
参考文献  61-64
攻读学位期间取得学术成果  64

基于ZigBee技术的病人无线监护系统研究

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