采用JN5121芯片實現無線醫(yī)療傳感器節(jié)點的設計

1 序言

無線醫(yī)療監(jiān)護是利用無線通信技術輔助醫(yī)療監(jiān)護的簡稱。無線醫(yī)療監(jiān)護是利用無線通信技術輔助醫(yī)療監(jiān)護的簡稱。近年來隨著生物醫(yī)學傳感器的小型化、信息處理和無線數據傳輸技術的快速發(fā)展和普及，使得無線醫(yī)療監(jiān)護成為熱點。

Zigbee是一種今年來興起的無線網絡通信技術標準，成本低、功耗低是其突出的優(yōu)勢。其網絡容量大，數據交換小，專注于低速率信號穿傳輸。完全符合基本生理信號的傳輸要求。

本文的主要首先介紹了基于WPAN的無線醫(yī)療監(jiān)護技術，然后介紹了基于JN5121芯片的技術實現，以及試驗驗證。最后對無線醫(yī)療監(jiān)護網絡的發(fā)展前景及其存在課題做了展望。

2 基于WPAN無線醫(yī)療監(jiān)護技術

WPAN是為在小范圍內的設備間建立無線連接而開發(fā)的無線傳輸技術，IEEE標準化協會已為此制定了IEEE802.15.x標準．本文涉及的傳輸技術符合專門針對低速WPAN制定的IEEE802.15.4（Zigbee）標準。

圖1 無線醫(yī)療監(jiān)護的系統結構圖

本文提出的構架基于WPAN，即區(qū)別于無線遠程醫(yī)療。本文關注重點在于生理信號采集到生理信號中轉部分的無線方式。無線醫(yī)療監(jiān)護方式主要由傳感器節(jié)點、無線數據傳輸模塊和接受節(jié)點構成。接受節(jié)點可接人監(jiān)控中心，或者由以太網、無線廣域網等方式接入監(jiān)控中心，以此構成了完整的醫(yī)療監(jiān)護網絡。在此構架下，醫(yī)用傳感器節(jié)點可以按照具體情況配置，構成局域或者家庭的無線醫(yī)療監(jiān)護網絡，這種構架具有很大靈活性和擴展性。在這個構架中，我們無線通信方式以Zigbee協議為基礎，采用JN5121模塊作為無線收發(fā)節(jié)點。圖l中描述了無線醫(yī)療監(jiān)護的系統結構圖。

3 基于JN5121芯片的傳感器節(jié)點設計

3．1 JN5121模塊介紹

JN5121是Jennic公司推出的一款與IEEE802.15.4兼容的低功耗、低成本的無線微控制器。該模塊內置32位的RISC處理器，配置有2.4GHz頻段的EEE802.15.4標準的無線收發(fā)器，64kB的ROM．96kB RAM，為無線傳感器網絡應用提供了多種多樣的解決方案，同事高度集成化的設計簡化了總的系統成本，JN5121內置的ROM存儲器中集成了點對點通信與網狀網通信的完整協議棧；而其內置的RAM存儲器，可以支持網絡路由和控制器功能而不需要外部擴展任何的存儲空間，內置的硬件MAC地址和高度安全的AES加密算法加速器，減小了系統的功耗和處理器負載。它還支持晶振休眠和系統節(jié)能工程。同時提供了對于大量的模擬和數字外設的互操作支持可以方便的連接到用戶的外部應用系統。

3．2 傳感器節(jié)點設計

無線生理傳感器有兩部分組成：生理信號采集部分和無線傳輸部分。生理信號采集我們可以采用我們所需要的各種生理電極對人體的心電、血養(yǎng)飽和濃度、脈搏等等進行冊測量。無線模塊我們采用集微處理器和RF芯片一體的S0C芯片JN5121， 芯片可以控制整個節(jié)點的處理操作、路由協議、同步定位、功耗管理和任務管理。采用該芯片相對于以往Zigbee射頻芯片而言，不用外加MCU，有效的節(jié)省了芯片外圍電路，采用片上芯片方案可以近一步節(jié)省幾點體積，便于受監(jiān)護者攜帶。圖2是生理無線傳感器方案。

圖2 生理無線傳感器方案

4 基本程序設計站的設計

JN5121芯片的設計是基于Zigbee協議的，所以首先我們了解一下Zigbee的基本知識。Zigbee協議的物理層以及MAC層都是按照802.15.4的標準制定的，而其網絡層和應用層的標準都是Zigbee聯盟制定?；赯igbee協議的實際應用開發(fā)，我們只需要調用相應的API函數或者在應用層開發(fā)程序代碼。本文簡單介紹幾個需要應用到的重要函數。

在Jennic Zigbee協議中一個基本的操作系統（BOS）。它是一個簡單的時問調度器。它允許兩個任務進程間通過一個簡單的信息調度機制進行通信。同事BOS控制Zigbee協議棧任務和用戶任務的執(zhí)行。其中協議棧任務包括：網絡層、應用子層APS（Application Sub—Layer）和Zigbee設備對象ZDO（Zigbee Debice 0bjects）的所有進程。通過事件的輪詢應用實現進程的調度。整個流程如圖3所示。

圖3 實現進程的調度流程

5 試驗驗證

我們采用北京博控公司代理的JN5121-M00模塊，信號取用采樣頻率為150Hz的脈搏信號。無線傳輸采用點對點方式，試驗證明通過Zigbee網絡和直接用PC采樣得到的結果并沒有顯著差異。

6 結束語

本文初步介紹了JN5121模塊結構和主要功能，說明了JN5121的基本程序設計流程。提出了JN5121在基于WPAN的無線醫(yī)療監(jiān)護技術中應用的基本構想。

無線醫(yī)療監(jiān)護方式可以減少受監(jiān)護者與儀器之間的連線，得到更好的生理數據同時．可以讓受監(jiān)護者獲得更大的活動空間。無線醫(yī)療監(jiān)護方式的諸多優(yōu)點是無線醫(yī)療監(jiān)護技術發(fā)展的動力．隨著硬件條件的不斷發(fā)展，無線醫(yī)療監(jiān)護必將擁有廣闊的發(fā)展空間。

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