脈搏攜帶著豐富的生理、生化和病理信息，具有重要的生理參考、醫(yī)學(xué)診斷和研究價(jià)值。目前，脈搏信息已被廣泛地應(yīng)用于心血管系統(tǒng)疾病監(jiān)測、睡眠質(zhì)量評估、疲勞程度監(jiān)測及運(yùn)動機(jī)能水平監(jiān)測等與人類生活息息相關(guān)的領(lǐng)域[1-3]。現(xiàn)有的脈搏采集系統(tǒng)主要存在設(shè)備價(jià)格昂貴、功耗大、體積大、靈活性差、采用有線傳輸方式及不易擴(kuò)展等問題，不能方便地實(shí)現(xiàn)對人體脈搏信息實(shí)時(shí)、不間斷的測量。因此，本文提出采用集微處理器和RF功能于一體的SOC芯片CC2530作為脈搏感知節(jié)點(diǎn)的主控芯片，實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)的能量管理和任務(wù)調(diào)度。

1 感知節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
1.1 硬件結(jié)構(gòu)
    考慮到節(jié)點(diǎn)的升級、擴(kuò)展等問題，節(jié)點(diǎn)硬件采用模塊化設(shè)計(jì)方案。節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)由處理器模塊、傳感器模塊、無線通信模塊和電源模塊四部分構(gòu)成，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。處理器模塊負(fù)責(zé)對整個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制和管理；傳感器模塊負(fù)責(zé)采集脈搏信息并做一定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；無線通信模塊負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)之間按一定的通信協(xié)議相互通信；電源模塊負(fù)責(zé)為節(jié)點(diǎn)供電，提供各部分運(yùn)行所需的電量。

1.2 硬件具體設(shè)計(jì)
1.2.1 處理器模塊設(shè)計(jì)
    在充分考慮處理芯片的體積、計(jì)算能力、功耗情況、存儲空間、集成度、成本及開發(fā)環(huán)境等因素的情況下，本設(shè)計(jì)采用TI公司的CC2530作為控制芯片。CC2530集成了微處理器、存儲器和射頻模塊，是一個(gè)SoC片上解決方案。它具有高集成度、低功耗、小體積、低成本、外圍電路簡單以及接口豐富等特點(diǎn)；支持點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)、多點(diǎn)對多點(diǎn)無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸；可外接多種傳感器用于無線數(shù)據(jù)采集。CC2530的外圍電路如圖2所示。CC2530選用兩個(gè)晶振確保電路正常工作，XTAL1是32 kHz的主晶振；XTAL2是32.768 kHz的可選晶振，用于低睡眠電流消耗和精確喚醒時(shí)間的應(yīng)用[4]。部分外部元件取值表如表1所示。

1.2.2 無線通信模塊設(shè)計(jì)
    無線通信模塊設(shè)計(jì)需考慮通信協(xié)議、數(shù)據(jù)傳輸速率、調(diào)制方式、通信頻段、接收靈敏度、收發(fā)功率、省電模式、外圍電路是否簡單、與處理器的接口等因素。使用單極子不平衡天線，配合由分立電感、電容(C252、L252、C262、L261)組成的輸入/輸出匹配電路，滿足阻抗為50 Ω的天線的匹配要求，達(dá)到芯片的最優(yōu)性能。
1.2.3 傳感器模塊設(shè)計(jì)
    脈搏傳感器是脈搏感知節(jié)點(diǎn)的重要組成部分，其穩(wěn)定性和精度決定了脈搏信息的準(zhǔn)確性和有效性。在綜合考慮脈搏傳感器的工作原理、靈敏度、體積、成本等因素的基礎(chǔ)上，本設(shè)計(jì)采用HKB-2000型集成化脈搏傳感器。它是一種集成度高、軟接觸式的無創(chuàng)型脈搏傳感器，將PVDF壓電膜、靈敏度溫度補(bǔ)償元件、感溫元件、信號調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)。該傳感器采用壓電式原理采集信號，輸出完整的脈搏模擬電壓信號，具有靈敏度高、成本低、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于脈搏的無創(chuàng)檢測中[5]。
1.2.4 電源模塊設(shè)計(jì)[6]
    出于對傳感器節(jié)點(diǎn)電氣安全性和便攜性的考慮，本設(shè)計(jì)采用2節(jié)1.5 V蓄電池供電。考慮到處理器芯片和傳感器工作電壓范圍，采用美國MAXIM公司推出的MAX756高集成度電源管理芯片，以解決傳統(tǒng)開關(guān)電源設(shè)計(jì)電路復(fù)雜、體積龐大、自身功耗較大的問題。MAX756具有外圍電路簡單、轉(zhuǎn)換效率高、功耗低、工作電壓范圍廣等特點(diǎn)，且具有電池低壓檢測功能，可方便地提供5 V(HK-2000B型脈搏傳感器典型工作電壓)和3.3 V(CC2530芯片典型工作電壓)電壓供節(jié)點(diǎn)正常工作。MAX756典型的工作電路圖如圖3所示。

2.1 軟件平臺[7]
    TinyOS是專為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)。它采用組件的架構(gòu)方式、輕量級線程技術(shù)、事件驅(qū)動機(jī)制、主動消息通信模式和兩級任務(wù)調(diào)度方式的設(shè)計(jì)思想，滿足了并發(fā)處理的要求，提高了節(jié)點(diǎn)的資源利用效率。TinyOS環(huán)境下的編程語言為NesC，NesC是對C語言的擴(kuò)展，擴(kuò)展的目的是將C的模塊化思想與TinyOS的事件驅(qū)動機(jī)制結(jié)合起來。限于篇幅，本文主要介紹脈搏采集處理和無線發(fā)送子程序的設(shè)計(jì)。
2.2 脈搏采集處理子程序
    脈搏采集處理程序主要負(fù)責(zé)脈搏信號的采集和QRS檢測。模塊上電后進(jìn)行初始化操作，啟動A/D，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；定時(shí)到后，讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行QRS檢測，并將結(jié)果打包發(fā)送。具體程序流程如圖5所示。

2.3 無線發(fā)送子程序
    復(fù)合感知節(jié)點(diǎn)采用CC2530作為處理器芯片，其集成了CC2520作為射頻RF模塊。CC2520中RAM有768 B，其中有128 B的發(fā)送FIFO緩存區(qū)和128 B的接收FIFO緩存區(qū)。在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，需進(jìn)行數(shù)據(jù)幀格式檢驗(yàn)和空閑信道偵聽。具體流程如圖6所示。
3 感知節(jié)點(diǎn)功耗測試
    節(jié)點(diǎn)的使用壽命是脈搏感知節(jié)點(diǎn)考慮的關(guān)鍵問題。本文在完成感知節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對脈搏感知節(jié)點(diǎn)的功耗進(jìn)行了初步估算。由于節(jié)點(diǎn)的生命周期和各個(gè)狀態(tài)的功耗密切相關(guān)，因此通過對感知節(jié)點(diǎn)各個(gè)狀態(tài)的功耗進(jìn)行估算來計(jì)算單個(gè)節(jié)點(diǎn)的生命周期。由于CC2520接收和發(fā)送信息的過程比較復(fù)雜，在不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及不同的信息負(fù)載時(shí)有著不同的工作時(shí)間和電量消耗，因此只能對節(jié)點(diǎn)功耗進(jìn)行估算，如表2所示。
    由表2可以計(jì)算出節(jié)點(diǎn)各部分1小時(shí)的功耗電流。處理器1小時(shí)的功耗電流：6.5 mA×0.01+10×0.001 mA×0.99=0.074 9 mA；CC2520射頻部分1小時(shí)的功耗電流：14 mA×0.007 5+16 mA×0.002 5+20×0.001 mA×0.99=0.164 8 mA；脈搏傳感器板1小時(shí)的功耗電流：5 mA×0.01+5×0.001 mA×0.99=0.050 99 mA；節(jié)點(diǎn)總的功耗電流：0.074 9 mA+0.164 8 mA+0.050 99 mA=0.290 69 mA。以3 V電池2 000 mAH的存儲電量為例，則系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間為286天(2 000 mA/(0.290 69 mA×24天))。

    本文設(shè)計(jì)的脈搏感知節(jié)點(diǎn)采用集微處理器和RF芯片于一體的CC2530作為主控芯片，控制脈搏信號的采集、處理和發(fā)送操作，實(shí)現(xiàn)功耗管理和任務(wù)管理。試驗(yàn)結(jié)果表明，感知節(jié)點(diǎn)具有功耗低、精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠、體積小、靈活性高和擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。該脈搏感知節(jié)點(diǎn)可廣泛地適用于家庭醫(yī)療護(hù)理、睡眠質(zhì)量評估、遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控、疲勞監(jiān)測、運(yùn)動負(fù)荷監(jiān)控及運(yùn)動機(jī)能判定等領(lǐng)域中的脈搏信號實(shí)時(shí)監(jiān)測，有廣闊的應(yīng)用前景。
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