无线躯干网络构建及其移动生理监测应用研究

论文摘要

无线躯干传感网络综合了微型传感器技术、无线通信技术、数字信号处理技术及计算机技术等,是移动医疗的基本单元。它通过布置在人体上的多个微型的无线传感网络节点,采集人体心电、血氧饱和度、血压、体温等日常的生理参数,并将采集到的生理数据采用无线的方式发送到远端的监护终端,实现生理参数的移动监测。本文设计了一种基于星形网络的无线躯干传感网络系统,同时,利用虚拟仪器设计了实时生理信息监测系统。本文所设计的躯干传感网络系统由心电信号传感器节点、血氧饱和度信号传感器节点、体温信号传感器节点及汇聚节点组成,各个传感器节点均基于片上可编程系统芯片（PSoC）进行构建。文中对传感网络中各个传感器节点的硬件设计方案及相应节点控制软件进行了详细介绍。传感器节点硬件电路主要由生理信号采集模块和射频模块组成。生理信号采集模块实现生理信号的采集、放大、模拟滤波和A/D转换等,为了实现传感器节点的小型化要求,采用集成了丰富外围资源的PSoC系列芯片CY8C3866-021作为传感器节点的主控制芯片;信号的无线收发由低功耗NRF24L01无线芯片构成的射频模块完成,其工作在2.4GHz ISM频段。在硬件系统基础上,基于PSoC Creator完成了传感器结点控制软件的设计,控制传感器节点实现生理信息采集和无线发送功能,并对生理信息数据进行预处理。最后,使用虚拟仪器软件LabVIEW设计了监护终端的实时生理信息监测软件,对躯干传感网络监测到的生理信息进行实时显示,并采用差分阈值法实现心率检测。本文设计的无线躯干传感网络结点与监护终端,能实现人体心电、血氧饱和度及体温和心率等生理参数的无线移动实时检测,为下一步移动医疗应用奠定了一定基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 躯干传感网络技术
• 1.2.2 躯干传感网络通信协议研究
• 1.2.3 躯干传感网络低功耗研究
• 1.2.4 躯干传感网络微型化研究
• 2 无线躯干传感网络系统设计总体方案
• 2.1 系统设计中的关键问题
• 2.2 网络系统结构
• 2.3 系统工作过程及程序流程
• 2.4 器件选择
• 2.4.1 微控制器的选择
• 2.4.2 无线通信模块选择
• 2.5 本章小结
• 3 系统硬件设计
• 3.1 控制器核心板电路设计
• 3.1.1 JTAG 编程接口
• 3.1.2 外部晶振电路
• 3.1.3 输入输出接口电路
• 3.2 血氧饱和度监测节点设计
• 3.2.1 脉搏血氧饱和度检测的基本原理
• 3.2.2 血氧饱和度监测节点外围电路及片内资源设计
• 3.2.2.1 发光脉冲产生电路
• 3.2.2.2 I/V 变换及信号分离电路
• 3.2.2.3 芯片外部滤波及信号放大电路
• 3.2.2.4 芯片内部放大及A/D 转换
• 3.3 心电监测节点设计
• 3.3.1 心电监测的基本原理
• 3.3.2 心电信号的特征及节点设计要求
• 3.3.3 心电信号监测节点外围电路及片内资源设计
• 3.3.3.1 电源电路
• 3.3.3.2 前置放大及右腿驱动电路
• 3.3.3.3 基线回零电路
• 3.3.3.4 工频陷波电路
• 3.3.3.5 带通滤波电路
• 3.3.3.6 后置放大及电位平移电路
• 3.4 体温监测节点设计
• 3.4.1 负温度系数热敏电阻检测体温法
• 3.4.2 体温监测节点外围电路及片内资源设计
• 3.5 本章小结
• 4 无线躯干传感网络系统软件设计与实现
• 4.1 软件开发工具
• 4.2 软件系统整体设计方案
• 4.3 系统内数据包防碰撞
• 4.4 心电监测传感器节点软件设计
• 4.5 体温监测传感器节点软件设计
• 4.5.1 二次多项式拟合电压-温度关系
• 4.5.2 体温传感器节点软件流程
• 4.6 血氧饱和度监测节点软件设计
• 4.6.1 PWM 波形产生及A/D 转换
• 4.6.2 主程序流程
• 4.6.3 无线发射程序
• 4.7 汇聚节点软件设计
• 4.7.1 主程序流程
• 4.7.2 无线发射程序
• 4.8 本章小结
• 5 监护终端生理监测系统设计及系统测试
• 5.1 串口通信及数据包检测
• 5.2 心电信号预处理
• 5.3 心率检测
• 5.4 血氧饱和度及体温信号处理
• 5.5 系统测试及性能分析
• 5.5.1 无线通信性能测试及分析
• 5.5.2 系统低功耗性能分析
• 5.6 本章小结
• 6 总结
• 6.1 全文总结
• 6.2 下一步工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录 传感器节点实物图
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果