( 1.沈阳城市建设学院 ,沈阳 110167 ; 2.北京师范大学沈阳附属学校 ,沈阳 110167 )
摘要:面向中小学生设计一种无线传感器监测系统教具,该教具集中了感知、嵌入式计算、分布式信息处理和无线通信等技术,形成了一种全新的信息获取和处理模式。该教具能测量到体温、心电信号等健康数据。使用者可以在基础模块上组装其他拓展模块实现不同的功能,程序简短易懂,便于初学者掌握基础编程能力。
关键词:教具设计;Zigbee技术;监测系统
随着人工智能的兴起,我国开始注重少儿软件编程、硬件设计教育对青少儿综合能力的培养。青少年的软硬件教学正加快进入公共教育领域。该教具能够培养学生的创造力、团队协作能力和逻辑思维能力,是实施软硬件教育的良好载体。为此设计一款面向中小学生或其他零基础软硬件爱好者的教具,利通过传感器来感知老年人心电信号体温等的变化,根据单臂相关信号的变化与健康人体机能指标进行对比,对老年人身体健康情况做出准确判断,当老年人的身体指标高于或者低于健康指标一定范围时,会通过定位报警装置。
1.1系统方案总体构建
随着通信技术、信息技术的飞速发展,很多领域要求建立无线监控网络[1]。针对人体健康指标无线监测系统的实际应用,本文设计了基于STM32处理器的ZigBee无线传感监测网络的网关平台,通过将ZigBee数据包转换为以太网的TCP/IP数据包,实现了数据在两种网络间的传输。系统结构图如图1.1所示。
图1.1 ZigBee信息网关总体结构
综合信息网关在ZigBee无线网络中以协调器的形式存在,由全功能设备FFD 构成。它负责ZigBee无线传感器网络的建立,存储整个网络的节点信息,并分配地址给新加入的节点设备。
系统的网关平台是以内部集成以太网MAC的STM32微处理器STM32F103RBT6为核心,以太网控制芯片ENC28J60,网口变压器H1102NC,存储器SD卡和显示模块等模块组成。结构如图1.2所示。
(2)偏置电阻设计:R261为电流基准发生器的精密电阻[2],其值为43K欧姆。
(3)不平衡变压器:由电容C341和电感L341、L33l、L321以及PCB微波传输线组成,整个结构满足RF输入/输出阻抗匹配(50Q)的要求[4]。
(4)电源的去耦:如去耦电容C421用于电源滤波,以提高芯片工作的稳定性。
图2.1 ZigBee信息网关总体结构
图2.2电源模块电路
在协调器节点电路板上有十芯的下载器接口电路,用于下载程序调试,其中Pin3和Pin4是下载线,Pin1为PWR(3.3V电源),Pin2为GND(接地),Pin8为RESET(复位)。其余接口是扩展的I/O口。描述见图2.3,对应到CC2430的接口分别为[3]:
Pin5:RXD0-CC2430 P1_5;
Pin6:RXD0-CC2430 P1_4;
Pin7:RXD0-CC2430 P1_6;
Pin9:RXD0-CC2430 P1_7;
图2.3调试接口电路设计
ZigBee无线传感网络协调器上电后首先对CC2430进行初始化,然后创建一个无线网络,选定一个PANID作为协调器的网络标识,创建路由表,然后对外发布广播帧,通知传感器节点可以加入该网络。当有子节点申请加入时,为每一个子节点分配地址。当需要进行数据采集时,网络协调器发出数据采集指令,之后等待接收采集到的数据,并将数据通过UART接口传送到STM32处理器,由以太网卡芯片ENC28J60负责将数据发送到以太网上,网络协调器节点软件流程如图3.1所示。
对ENC28J60的初始化是由SPI总线对其的寄存器进行配置完成的,主要设置收发缓冲区的大小和起始地址,设置以太网过滤器,配置MAC层、物理层和LED指示灯等。ENC28J60发送数据的硬件底层驱动ENC28J60内的MAC控制器在发送数据时将会自动生成帧的前导符和起始定界符[5]。主控制器必须生成其它帧字段,包括报头、目的地址、源地址、数据长度和实际数据,再将它们写入发送缓冲器,等待发送。
本文设计了一种面向中小学或初学者的软硬件教具,该教具设计了ZigBee无线传感器网络的服务器,完成了基于ZigBee网关的硬件原理设计;实现了对人体健康指标存储、管理和分析。让学生通过硬件设计、软件编写实现相关功能的过程,提高对软硬件学习的兴趣,掌握基础知识。
[2]苏忠城,尚斐.基于无线传感器网络的心电信号监测系统[J].生命科学仪器,2009.
[3]刘岩.基于无线传感器网络的矿井安全监测系统研究[M].成都理工大学,2009.
[5]郭海琦.基于ZigBee的无线传感器网络定位算法的研究与应用[M].西南交通大学,2010.
[6]王长峰;白帆;罗儒;王柏渊;陈进军,基于ZigBee技术的病人综合信息网关设计[M].贵州大学电气工程学院.2016.04.20
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