【導讀】終得到了我的導師遲健男副教授的悉心指導，無論從課程學習、論文選題，還是到收集資料、論文成稿，都傾注了遲老師的心血。由衷感謝遲健男老師。的忠誠，必將使我終身受益，并激勵我勇往直前。連接，達到心電疾病遠程監(jiān)控的目的。形顯示以及傳輸?shù)裙δ?。系統(tǒng)包括心電波形采集模塊、液晶顯示模塊、RS-232. 液晶用來作為人機交互和顯示心電波形；串口接。發(fā)送心電數(shù)據(jù)并組成無線傳感網(wǎng)絡。可以在PC機上進行心電疾病檢測等各種功能的開發(fā)。閾值方法進行了改進。的設計、電路調(diào)試、程序的編寫以及各個實驗過程。構(gòu)成數(shù)字家庭中的心電監(jiān)護網(wǎng)絡，實現(xiàn)大時段心電信號的監(jiān)測和遠程傳輸，在醫(yī)院、社區(qū)、家庭及養(yǎng)老機構(gòu)都有可觀的應用前景。

　　

【正文】 且還具有移動通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡單易用的特點。此外，紅外線發(fā)射角度較小，傳輸上安全性高。 IrDA 的不足在于它是一種視距傳輸，兩個相互通信的設備之間必須對準，中間不能被其它物體阻隔，因而該技術(shù)只能用于 2 臺 （ 非多臺 ） 設備之間的連接。而藍牙就沒有此限制，且不受墻壁的阻隔。 IrDA 目前的研究方向是如何解決視距 角度 問題及提高數(shù)據(jù)傳輸率。 （ 4） NFC 技術(shù) NFC 技術(shù) （ Near Field Communication，近距離無線傳輸 ） 是由 Philips、NOKIA 和 Sony 主推的一種類似于 RFID（ 非接觸式射頻識別 ） 的短距離無線通信技術(shù)標準。 NFC 最初僅僅是遙控識別和網(wǎng)絡技術(shù)的合并，但現(xiàn)在已發(fā)展成無線連接技術(shù)。它能快速自動地建立無線網(wǎng)絡，為蜂窩設備、藍牙設備、WiFi 設備提供一個 “ 虛擬連接 ” ，使電子設備可以在短距離范圍進行通訊。NFC 的短距離交互大大簡化了整個認證識別過程，使電子設備間互相訪問更直接、更安全和更清楚，不用再聽到各種電子雜音。 NFC 通過在單一設備上組合所有的身份識別應用和服務，幫助解決記憶多個密碼的麻煩，同時也保證了數(shù)據(jù)的安全 保護。有了 NFC，多個設備如數(shù)碼相機、 PDA、機頂盒、電腦、手機等之間的無線互連，彼此交換數(shù)據(jù)或服務都將有可能實現(xiàn)。 此外 NFC 還可以將其它類型無線通訊 （ 如 WiFi 和藍牙 ） “ 加速 ” ，實現(xiàn)更快和更遠距離的數(shù)據(jù)傳輸。每個電子設備都有自己的專用應用菜單，而 NFC 可以創(chuàng)建快速安全的連接，而無需在眾多接口的菜單中進行選擇。與知名的藍牙等短距離無線通訊標準不同的是， NFC 的作用距離進一步縮短且不像藍牙那樣需要有對應的加密設備。同樣，構(gòu)建 WiFi 家族無線網(wǎng)絡需要多臺具有無線網(wǎng)卡的電腦、打印機和其它設備。除此之外，還 得有一定技術(shù)的專業(yè)人員才能勝任這一工作。而 NFC 被置入接入點之后，只要將其中兩個靠近就可以實現(xiàn)交流，比配置 WiFi 連結(jié)容易得多。 總而言之，這項新技術(shù)正在改寫無線網(wǎng)絡連接的游戲規(guī)則，但 NFC 的目標并非是完全取代藍牙、 WiFi 等其他無線技術(shù)，而是在不同的場合、不同的領(lǐng)域起到相互補充的作用。所以如今后來居上的 NFC 發(fā)展態(tài)勢相當迅速 。 （ 5） 超寬帶技術(shù) 超寬帶技術(shù) UWB（ Ultra Wideband） 是一種無線載波通信技術(shù)，它不采用正弦載波，而是利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此其所占的頻譜范圍很寬。 UWB 可在非常寬的帶寬上傳輸信號，美國 FCC 對 UWB 的規(guī)定為：在 ～ 頻段中占用 500MHz 以上的帶寬。由于 UWB 可以利用低功耗、低復雜度發(fā)射 和 接收機實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，在近年來得到了迅速發(fā)展。它在非常寬的頻譜范圍內(nèi)采用低功率脈沖傳送數(shù)據(jù)而不會對常規(guī)窄帶無線通信系統(tǒng)造成大的干擾，并可充分利用頻譜資源。 UWB 技術(shù)具有系統(tǒng)復雜度低，發(fā)射信號功率譜密度低，對信道衰落不敏感，低截獲能力，定位精度高等優(yōu)點，尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場所的高速無線接入，非常適于建立一個高效的無線局域網(wǎng)或無線個域網(wǎng) （ WPAN） 。UWB 主要應用在小范圍、高分辨率、能夠穿透墻壁、地面和身體的雷達和圖像系統(tǒng)中。除此之外，這種新技術(shù)適用于對速率要求非常高 （ 大于 100 Mb/s）的 場合 。 UWB 最具特色的應用將是視頻消費娛樂方面的無線個人局域網(wǎng)。因為 現(xiàn)有的無線通信方式 和藍牙 等 的速率太慢，不適合傳輸視頻數(shù)據(jù) ； 54 Mb/s 速率的 標準可以處理視頻數(shù)據(jù)，但費用昂貴。而 UWB能在 10 m 范圍內(nèi)，支持高達 110 Mb/s 的數(shù)據(jù)傳輸率，不需要壓縮數(shù)據(jù)，可以快速、簡單、經(jīng)濟地完成視頻數(shù)據(jù)處理。具有一定相容性和高速、低成本、低功耗的優(yōu)點使得 UWB 較適合家庭無線消費市場的需求 。 UWB 這種 近距離內(nèi)高速傳送大量多媒體數(shù)據(jù)以及可以穿透障礙物的突出優(yōu)點，讓很多商業(yè)公司將其看作是一種很有前途的無線通信技術(shù)，應用于諸如將視頻信號從機頂盒無線傳送到數(shù)字電視等家庭場合。當然， UWB 未來的前途還要取決于各種無線方案的技術(shù)發(fā)展、成本、用戶使用習慣和市場成熟度等多方面的因素。 總之， 雖然每一種無線技術(shù)將遇到它們自身的特殊任務，并且人們在各個地方使用不同的技術(shù)，但是它們將有可能配合工作。對于企業(yè)來說，繞過主要的無線通信運營商可以節(jié)約可觀的成本。從長遠來 看，企業(yè)應密切關(guān)注各種無線通信技術(shù)的發(fā)展，選擇最適合自己需要的一種標準。 ZigBee 技術(shù) 為滿足小型、低成本設備的無線聯(lián)網(wǎng)要求， 2020 年 12 月 IEEE 成立了IEEE 工作組，致力于定義一種適于固定、便攜或移動設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術(shù) ZigBee 技術(shù)。 ZigBee 聯(lián)盟成北京科技大學碩士學位論文 13 立于 2020 年 8 月，由英國 Invensys 公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司、荷蘭飛利浦半導體等公司組成，迄今已吸引了上百家芯片公司、無線設備公司及產(chǎn)品開發(fā)商，將主要側(cè)重于：定義網(wǎng)絡、安全 以及應用軟件層的協(xié)議；為 ZigBee 設備提供互操作與一致性測試；促進 ZigBee 技術(shù)在全球的推廣和有效管理該技術(shù)的發(fā)展 [14]。 ZigBee 是一種低使用成本、商業(yè)型的應用技術(shù)，其無線裝置減少了傳統(tǒng)電氣工程施工費用，解決了現(xiàn)場安裝困難的問題。其采用數(shù)字技術(shù)，消除了傳統(tǒng)無線技術(shù)的不可靠性及其他技術(shù)問題。因此，隨著 ZigBee 技術(shù)的不斷完善，它將成為當今最先進的數(shù)字化無線技術(shù)。 ZigBee 是基于 IEEE 的無線通信協(xié)議，它是一種短距離、低功耗協(xié)議，專用于小型設備如溫度調(diào)節(jié)裝置、照明控制器、鎮(zhèn)流 器、環(huán)境檢測傳感器與醫(yī)療設備等，其低功耗可使設備電池使用壽命達到 6 個月至 2 年。一個基于 ZigBee的無線個域網(wǎng)能支持高達 254個節(jié)點，外加一個全功能器件，即可實現(xiàn)雙向通信。 ZigBee 技術(shù)的較低數(shù)據(jù)速率以及較小通信范圍的特點決定了 ZigBee 技術(shù)適于承載數(shù)據(jù)量較小的業(yè)務。 具體說來 ZigBee 技術(shù)具有如下優(yōu)點 ： （ 1） 省電 ， 由于工作周期很短、收發(fā)信息功耗較低、并且采用了休眠模式， ZigBee 技術(shù)可以確保兩節(jié)五號電池支持長達六個月到兩年左右的使用時間，當然不同的應用功耗是不同的 。 （ 2） 可靠 ， 采用了碰撞避免機 制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。 MAC 層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接受方的確認信息 。 （ 3） 成本低 ， 模塊的初始成本估計在 6 美元左右，很快就能降到 美元到 美元之間，且 ZigBee 協(xié)議是免專利費的 ，可進一步降低軟件的應用費用 。 （ 4） 時延短 ， 針對時延敏感的應用做了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設備搜索時延典型值為 30ms，休眠激活時延典型值是15ms，活動設備信道接入時延為 15ms，因此 ZigBee 技術(shù)適用于對 時延要求苛刻的無線控制（如工業(yè)控制場合等）應用 。 （ 5） 網(wǎng)絡容量大 ， 一 個 ZigBee 網(wǎng)絡可以容納最多 254 個從屬設備和 一個主設備， 一 個區(qū)域可以同時存在最多 100 個 ZigBee 網(wǎng)絡 。 若是通過網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，整個網(wǎng)絡最多可以支持超過 64000 個 ZigBee 網(wǎng)絡節(jié)點，再加上各個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器可相互連接，整個 ZigBee 網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)目將十分可觀，十分符合大面積傳感器網(wǎng)絡的布建需求。 （ 6） 安全 ， ZigBee 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES128，同時各個應用可以靈活確定其安全屬性。 由上面介紹，與其他無 線標準比較 ， 按照 ZigBee 標準設計生產(chǎn)出來的監(jiān)測和控制產(chǎn)品，安裝更容易，功耗更低。特別是在處理遠程檢測及控制系統(tǒng)中，優(yōu)勢更加明顯。 而且支持 ZigBee 的設備的價格會越來越低 ，故 ZigBee在工業(yè)、辦公以及家庭自動化等領(lǐng)域 已經(jīng) 得到廣泛的應用。 如 在醫(yī)學領(lǐng)域，借助于各種傳感器和 ZigBee 網(wǎng)絡，準確而且實時地監(jiān)測每個病人的血壓、體溫和心跳速度等信息，從而減少醫(yī)生查房的工作負擔，有助于醫(yī)生做出快速的反應，特別是對重病和病危患者的監(jiān)護和治療 。該儀器使用 ZigBee 的終端模塊， 實現(xiàn)監(jiān)護儀向上位機傳輸數(shù)據(jù) ，在后期的開發(fā) 中可以組成無線網(wǎng)絡構(gòu)成完善的無線醫(yī)療系統(tǒng) 。 本章小結(jié) 本章介紹了 藍牙 、 無線局域網(wǎng)和紅外數(shù)據(jù)傳輸 等幾種 目前發(fā)展較快、應用較廣的無線通信技術(shù)，并著重介紹了 ZigBee 作為低功耗 、低成本 無線組網(wǎng)的特點、優(yōu)勢和前景 ， 并 與其它幾種無線通信方式進行了功能上和應用領(lǐng)域上的比較， 最后 分析了 ZigBee 無線網(wǎng)絡在心電遠程監(jiān)護應用上的前景 。 北京科技大學碩士學位論文 15 4 基于 DSP 的心電監(jiān)護儀總體設計 本儀器主要實現(xiàn)以下功能： 電源管理：提供電源、低電壓監(jiān)控電源指示； 數(shù)據(jù)采集：對心電信號采集； 數(shù)據(jù)存儲：保存心電信號數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)傳輸：與 PC 機數(shù)據(jù)通信 ，并 實現(xiàn) ZigBee 的無線數(shù)據(jù)發(fā)送 ； 液晶顯示：直觀方便顯示必要文本圖形信息 。 本文設計的心電監(jiān)測儀器總體框圖如圖 41 所示。心電信號由 A/D 轉(zhuǎn)換后送至 DSP 進行處理。處理后的結(jié)果 和心電波形 可以通過 LCD 顯示出來 ，也可以將數(shù)據(jù)通過 ZigBee 模塊發(fā)送或者通過串口傳輸給 PC 機進行處理， 用戶可以通過鍵盤 來選擇功能。 圖 41 系統(tǒng)總體框圖 首先 設計了 各個電路模塊的原理圖，在認真校對后制作出 PCB 板，使用到了 DSP 芯片的 A/D 轉(zhuǎn)換、 SCI、 SPI、定時器等外設。心電放大模塊由北京祥云計算機技術(shù)公司提供，該模塊輸出信號為177。 ，為送入 DSP 進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，設計了一個加法電路，將信號抬高到 0~3v。利用 DSP 的 SCI 口 和Max3232 芯片 ，設計了 RS232 電路，可以與計算機通過 RS232 口進行通信 ，并在 PC機端編寫了應用程序用以接收心電數(shù)據(jù)和將心電信號波形顯示出來 。SPI 口用于控制 ZigBee 模塊 實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸 ，定時器用來設定 AD 轉(zhuǎn)換單 DSP 處理器 Zigbee 模塊 心電前置 處理模塊 電源、時鐘電路 LCD PC機 上位機 鍵盤 元的 采樣頻率等。 在功能上，本系統(tǒng)可以實現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的采集，心電圖波形的顯示，也可以通過串口將心電數(shù)據(jù)傳輸至計算機， ZigBee 無線模塊可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡。 各部分的 具體功能設計將在下述 各 節(jié)中分別介紹。 硬件系統(tǒng)設計 DSP 選型 設計 DSP 應用系統(tǒng)，選擇 DSP 芯片是十分重要的環(huán)節(jié)。只有選定了 DSP芯片才能進一步設計其外圍電路及系統(tǒng)的其他電路。不同的 DSP 應用系統(tǒng)由于應用場合、應用目的不同，對于 DSP 芯片的選擇是不同的。也就是說 DSP的選型主要依據(jù)實際應用系統(tǒng)的具體要求 來確定。本系統(tǒng)最終選擇TMS320F2812 主要考慮到如下幾 個 因素 [15,16]： （ 1） 速度適中，但能滿足本系統(tǒng)的需要。 最高支持 150MHz 的時鐘頻率，每周期可執(zhí)行一條指令或兩條并行指令，具有高達 的處理能力。本系統(tǒng)要求的處理速度雖然沒有確切的量化數(shù)值，但該處理能力完全能夠滿足非圖像數(shù)據(jù)處理的要求。 （ 2） 性價比高。 TMS320F2812 不是非常高端的處理器，所以芯片價格適中，一般為 100元人民幣左右，屬于性價比較高的一款處理器，在性能完全滿足的同時也滿足該儀器對價格的要求。 （ 3） 片內(nèi)存儲 空間大。 TMS320F2812 內(nèi)部存儲器采用統(tǒng)一編址， 128k 字的 flash 方便固化用戶的應用軟件和代碼升級， 1k 字的一次可編程存儲器（ OTP），帶有 18k 字的的片內(nèi) SARAM， 4K 字的片內(nèi)引導 ROM，提供多種上電引導模式，還有 128位密鑰可以用于保護 Flash、 OTP、 L0 和 L1 尋址空間，防止用戶代碼被非法訪問 ，安全性好 。 （ 4） 片內(nèi)外設豐富。 TMS320F2812 有豐富的片內(nèi)外設，兩個事件管理模塊 EVA 和 EVB，豐富的串行接口外設： SPI、 SCI、 eCAN、 McBSP 等， 12 位高分辨率的 AD 轉(zhuǎn)換模 塊。片內(nèi)外設完成與外部的通信，包括數(shù)據(jù)采集和輸出處理結(jié)果以及其他輔助功能 ， 合理利用這些硬件資源，可以大大降低該儀器的成本。 （ 6） 運算精度較高 。 北京科技大學碩士學位論文 17 TMS320F2812 是 32 位定點 DSP，雖然沒有浮點 DSP 處理浮點數(shù)據(jù)的便利，但執(zhí)行速度可以彌補這方面的缺憾。再者，由于本系統(tǒng)的采樣數(shù)據(jù)位數(shù)為 12 位，所以完全滿足計算精度需求。 除了上述原因，選擇 DSP 芯片，還考慮到 DSP 的封裝形式、質(zhì)量標準、申明周期、是否是主流 DSP、供貨情況等等。綜合上述因， TMS320F2812是一款性價比很高的 DSP 處理器，符合本系統(tǒng)的 選型要求。 DSP 系統(tǒng)的設計 電源、復位、時鐘及去偶電路是 DSP 系統(tǒng)必要組成部分 。 電源電路為系統(tǒng)提供滿足不同性能要求的電源電壓；復位電路為系統(tǒng)初始化一個確定的狀態(tài)，