ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離無(wú)線連接。它依據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，其通信效率很高。相對(duì)于現(xiàn)有的各種無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)將是最低功耗和成本的技術(shù)。ZigBee的出發(fā)點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)一種易實(shí)現(xiàn)的低成本無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)它的低功耗性能可以使采用電池供電的產(chǎn)品維持6個(gè)月到數(shù)年的工作時(shí)間。其低數(shù)據(jù)速率和通信范圍較小的特點(diǎn)，決定了ZigBee技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)。通過(guò)ZigBee可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)各種器件的連網(wǎng)。作為一個(gè)全球標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee為實(shí)現(xiàn)無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)造了條件。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)硬件分為人體血氧飽和度無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。
2.1 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)由三大部分組成：血氧飽和度傳感器、信號(hào)處理電路以及無(wú)線通信電路，如圖1所示。

　　血氧飽和度傳感器采用透射式人體血氧傳感器探頭，輸出4mA~20mA電流模擬信號(hào)。信號(hào)處理電路以TI公司的MSP43FG437為控制核心，無(wú)線通信電路以能夠支持IEEE 802.15.4 ZigBee通信協(xié)議的Chipcon公司的CC2430-F128射頻芯片為無(wú)線通信電路核心。值得注意的是為了實(shí)現(xiàn)真正意義上的“無(wú)線傳感器”，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)要求小型化、緊湊化，而且為了便于以后該系統(tǒng)在應(yīng)用領(lǐng)域的可移植性，系統(tǒng)電源部分設(shè)計(jì)為兩節(jié)干電池供電，這樣既能夠發(fā)揮ZigBee通信協(xié)議的優(yōu)勢(shì)，又能夠很好地實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器的“無(wú)線”、“便攜”特點(diǎn)。
2.2 信號(hào)處理電路硬件設(shè)計(jì)
　　信號(hào)處理電路是本系統(tǒng)的核心部分，其作用是驅(qū)動(dòng)人體血氧傳感器工作，采集人體血氧飽和度傳感器的模擬量信號(hào)，處理血氧飽和度信號(hào)，并將經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)通過(guò)片上串口通信方式傳送給無(wú)線通信電路。
　　信號(hào)處理電路以TI公司的MSP430FG437為控制核心。MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的高集成度、高精度的單芯片系統(tǒng)(SoC)，是目前工業(yè)界中性價(jià)比高、功耗低的Flash 16位RSIC微控制器，具有豐富的片內(nèi)外設(shè)。MSP430單片機(jī)集中體現(xiàn)了現(xiàn)代單片機(jī)先進(jìn)的低功耗設(shè)計(jì)理念，其時(shí)鐘系統(tǒng)提供了豐富的軟硬件組合形式。它包括一個(gè)片內(nèi)DCO和兩個(gè)晶體振蕩器,可以產(chǎn)生三種系統(tǒng)適用的時(shí)鐘信號(hào)，支持六種工作方式，有五種低功耗模式，可以通過(guò)軟件對(duì)內(nèi)部時(shí)鐘系統(tǒng)的不同設(shè)置來(lái)控制芯片，使它處于不同工作方式，從而使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最低功耗并發(fā)揮最優(yōu)性能。值得一提的是MSP430單片機(jī)的超低功耗特點(diǎn)。MSP430系列單片機(jī)在1MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流會(huì)在 200μA～400μA之間，時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有0.1?滋A。正因?yàn)槿绱耍琈SP430更適合應(yīng)用于使用電池供電的儀器、儀表類產(chǎn)品中。
2.3 人體血氧飽和度傳感器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
　　根據(jù)人體血氧飽和度的測(cè)量方法定義，本設(shè)計(jì)采用的透射式人體血氧飽和度傳感器(如圖2所示)。由兩個(gè)能夠發(fā)射不同波長(zhǎng)的發(fā)光二極管構(gòu)成。兩個(gè)發(fā)光二極管需要按照一定頻率交替發(fā)光，本設(shè)計(jì)采用H橋電路解決兩個(gè)發(fā)光二極管交替發(fā)光的問(wèn)題。

2.4 無(wú)線通信電路設(shè)計(jì)
　　本設(shè)計(jì)采用的CC2430芯片是Chipcon公司生產(chǎn)的首款符合ZigBee技術(shù)的2.4GHz射頻系統(tǒng)單芯片，片上集成高性能8051內(nèi)核、ADC、USART等。結(jié)合Chipcon公司全球先進(jìn)的ZigBee協(xié)議棧、工具包和參考設(shè)計(jì)，展示了領(lǐng)先的ZigBee解決方案。它適用于各種ZigBee或類似ZigBee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括調(diào)諧器、路由器和終端設(shè)備。值得一提的是CC2430芯片的超低功耗特點(diǎn)，它工作時(shí)的電流損耗為27mA，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間特性，在休眠模式時(shí)僅0.9μA的流耗，外部中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)；在待機(jī)模式時(shí)少于0.6μA的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)，特別適合要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。
2.5 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　本系統(tǒng)中人體血氧飽和度傳感器節(jié)點(diǎn)為數(shù)據(jù)發(fā)送端。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)兩點(diǎn)間通信，除了要具備發(fā)送端，還要具備接收端。以CC2430射頻芯片為核心設(shè)計(jì)接收端。CC2430芯片接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信方式傳送給PC機(jī)，由此網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和顯示，如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　本系統(tǒng)軟件分為四部分：信號(hào)采集、信號(hào)處理、信號(hào)傳輸、信號(hào)接收。其中信號(hào)采集、信號(hào)處理代碼是在發(fā)送端（即血氧飽和度傳感器節(jié)點(diǎn)）中運(yùn)行，如圖4所示。信號(hào)接收代碼在接收端（即網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)）運(yùn)行，如圖5所示。

　　信號(hào)采集程序主要完成兩個(gè)功能：(1)驅(qū)動(dòng)透射式人體血氧飽和度傳感器工作，主要是驅(qū)動(dòng)H橋電路按照一定頻率切換電流傳輸方向；(2)通過(guò)MSP430單片機(jī)AD端口采集血氧飽和度數(shù)據(jù)。這部分代碼程序在MSP430芯片中運(yùn)行。
　　信號(hào)處理程序的主要功能是濾波，這部分代碼程序在MSP430芯片中運(yùn)行。
　　信號(hào)傳輸程序的主要功能是將由MSP430芯片處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線通信協(xié)議棧傳輸?shù)搅硪粋€(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，這部分代碼在CC2430射頻芯片內(nèi)的8051內(nèi)核中運(yùn)行。
　　信號(hào)接收程序的主要功能有兩個(gè)：(1)接收其他傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)，這部分代碼在CC2430射頻芯片內(nèi)的8051內(nèi)核中運(yùn)行；(2)PC機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括波形顯示、數(shù)據(jù)保存，這部分代碼在PC機(jī)中運(yùn)行。
　　當(dāng)無(wú)限傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)建立好之后，就要依靠ZigBee協(xié)議棧來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。本設(shè)計(jì)采用1.4.2版本的ZigBee協(xié)議棧API函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
　　本設(shè)計(jì)對(duì)ZigBee無(wú)線通信協(xié)議在醫(yī)療監(jiān)護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了嘗試性的實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)人體血氧飽和傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)今無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域還有許多熱點(diǎn)問(wèn)題需要去研究，如安全傳輸問(wèn)題、容錯(cuò)機(jī)制問(wèn)題、自組織組網(wǎng)問(wèn)題等。但是，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的靈活性、容錯(cuò)性、高感知能力、低費(fèi)用以及快速布局等特點(diǎn)決定了它的應(yīng)用領(lǐng)域必將極為廣泛，也必然會(huì)對(duì)醫(yī)療監(jiān)護(hù)事業(yè)產(chǎn)生巨大而深遠(yuǎn)的影響。