基于WPAN技术和JN512芯片的无线医疗监护系统设计

1 序言

无线医疗监护是利用无线通信技术辅助医疗监护的简称。近年来随着生物医学传感器的小型化、信息处理和无线数据传输技术的快速发展和普及，使得无线医疗监护成为热点。

ZigBee是一种今年来兴起的无线网络通信技术标准，成本低、功耗低是其突出的优势。其网络容量大，数据交换小，专注于低速率信号穿传输。完全符合基本生理信号的传输要求。

本文的主要首先介绍了基于WPAN的无线医疗监护技术，然后介绍了基于JN5121芯片的技术实现，以及试验验证。最后对无线医疗监护网络的发展前景及其存在课题做了展望。

2 基于WPAN无线医疗监护技术

WPAN是为在小范围内的设备间建立无线连接而开发的无线传输技术，IEEE标准化协会已为此制定了IEEE802.15.x标准.本文涉及的传输技术符合专门针对低速WPAN制定的IEEE802.15.4(Zigbee)标准。

本文提出的构架基于WPAN，即区别于无线远程医疗。本文关注重点在于生理信号采集到生理信号中转部分的无线方式。无线医疗监护方式主要由传感器节点、无线数据传输模块和接受节点构成。接受节点可接人监控中心，或者由以太网、无线广域网等方式接入监控中心，以此构成了完整的医疗监护网络。在此构架下，医用传感器节点可以按照具体情况配置，构成局域或者家庭的无线医疗监护网络，这种构架具有很大灵活性和扩展性。在这个构架中，我们无线通信方式以Zigbee协议为基础，采用JN5121模块作为无线收发节点。图l中描述了无线医疗监护的系统结构图。

图1 无线医疗监护的系统结构图

3 基于JN5121芯片的传感器节点设计

3.1 JN5121模块介绍

JN5121是Jennic公司推出的一款与IEEE802.15.4兼容的低功耗、低成本的无线微控制器。该模块内置32位的RISC处理器，配置有2.4GHz频段的EEE802.15.4标准的无线收发器，64kB的ROM.96kB RAM，为无线传感器网络应用提供了多种多样的解决方案，同事高度集成化的设计简化了总的系统成本，JN5121内置的ROM存储器中集成了点对点通信与网状网通信的完整协议栈；而其内置的RAM存储器，可以支持网络路由和控制器功能而不需要外部扩展任何的存储空间，内置的硬件MAC地址和高度安全的AES加密算法加速器，减小了系统的功耗和处理器负载。它还支持晶振休眠和系统节能工程。同时提供了对于大量的模拟和数字外设的互操作支持可以方便的连接到用户的外部应用系统。

3.2 传感器节点设计

无线生理传感器有两部分组成：生理信号采集部分和无线传输部分。生理信号采集我们可以采用我们所需要的各种生理电极对人体的心电、血养饱和浓度、脉搏等等进行册测量。无线模块我们采用集微处理器和RF芯片一体的S0C芯片JN5121，芯片可以控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理和任务管理。采用该芯片相对于以往Zigbee射频芯片而言，不用外加MCU，有效的节省了芯片外围电路，采用片上芯片方案可以近一步节省几点体积，便于受监护者携带。图2是生理无线传感器方案。

图2 生理无线传感器方案

4 基本程序设计站的设计

JN5121芯片的设计是基于Zigbee协议的，所以首先我们了解一下Zigbee的基本知识。Zigbee协议的物理层以及MAC层都是按照802.15.4的标准制定的，而其网络层和应用层的标准都是Zigbee联盟制定。基于Zigbee协议的实际应用开发，我们只需要调用相应的API函数或者在应用层开发程序代码。本文简单介绍几个需要应用到的重要函数。

在Jennic Zigbee协议中一个基本的操作系统(BOS)。它是一个简单的时问调度器。它允许两个任务进程间通过一个简单的信息调度机制进行通信。同事BOS控制Zigbee协议栈任务和用户任务的执行。其中协议栈任务包括：网络层、应用子层APS(ApplicaTIon Sub—Layer)和Zigbee设备对象ZDO(Zigbee Debice 0bjects)的所有进程。通过事件的轮询应用实现进程的调度。整个流程如图3所示。

图3 实现进程的调度流程

5 试验验证

我们采用北京博控公司代理的JN5121-M00模块，信号取用采样频率为150Hz的脉搏信号。无线传输采用点对点方式，试验证明通过Zigbee网络和直接用PC采样得到的结果并没有显著差异。

6 结束语

本文初步介绍了JN5121模块结构和主要功能，说明了JN5121的基本程序设计流程。提出了JN5121在基于WPAN的无线医疗监护技术中应用的基本构想。

无线医疗监护方式可以减少受监护者与仪器之间的连线，得到更好的生理数据，同时，可以让受监护者获得更大的活动空间。无线医疗监护方式的诸多优点是无线医疗监护技术发展的动力.随着硬件条件的不断发展，无线医疗监护必将拥有广阔的发展空间。