基于ZigBee的无线血氧饱和度采集系统设计

发布时间：2017-08-18 21:02

  本文关键词：基于ZigBee的无线血氧饱和度采集系统设计

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【摘要】：血液中的氧气称为血氧,而血液里面的血红蛋白与氧结合的饱和程度称为血氧饱和度,对于正常人,血氧饱和度为90%左右。人体血氧饱和度并不是越高越好,如果血氧饱和度太高,其结果是机体新陈代谢加快,细胞加速了老化。但是,如果血氧饱和度过低,则机体供氧又会不足,所以,在临床上,血氧饱和度是人体健康护理的一个重要参数。目前,市面上主流的血氧采集仪一般采用有线或者蓝牙无线连接方式。对于有线连接方式,必须要求护士与病人面对面,这样不仅费力,同时加大了医护人员感染病症的风险。对于蓝牙这种无线连接方式,虽然有效的隔离的医护人员和病人,但是,由于蓝牙协议点对点传输机制,导致基于蓝牙无线连接的血氧采集仪在大面积的数据采集的情况下,还是显得费时费力。针对于传统的血氧采集仪的不足,本文致力于将ZigBee技术应用于医疗器械行业,ZigBee技术有别于来蓝牙和WiFi技术,其强大的局域无线网络管理能力让其在众多无线技术中脱颖而出,使其能够在低速率、低功耗的场合被大量应用。本文所提的血氧采集技术正是通过ZigBee技术实现血氧信息的大面积采集、汇总,极大的减轻了医务人员的工作量,从而提高了医务人员的工作效率。本系统由软、硬两部分组成,硬件部分分为模拟采集前端、数据接收处理部分、ZigBee无线通信部分、有线通信部分和后台显示部分。模拟采集前端以美国TI(德州仪器)公司的模拟前端AFE4490芯片为核心,搭载指夹式血氧采集传感器,并通过SPI总线与后端通信。数据处理部分是以ST公司的STM32F103C8T6为处理器的系统,该系统通过将模拟前端采集到的数据进行处理,然后将数据转换成血氧饱和度值,并通过串口将数据传输给无线通信部分。无线通信部分以TI公司的CC2530为核心。在该无线通信系统中,由协调器将多个终端节点的数据集中,然后统一通过RS485总线传输给后台。软件部分,ZigBee采用采用美国德州仪器公司的免费开源协议栈Z-Stack,应用程序编写,通过IAR集成开发工具完成。数据处理部分为了提高系统的实时性和稳定性,通过在STM32F103C8T6芯片上移植免费开源的uCOS II来对系统任务进行管理,应用程序开发通过Keil Vesion5软件完成。为了方便后台查看管理,协调器通过ModBus协议与后台进行通信,上传数据。后台显示部分的应用软件由ModMus-Poll工具暂为代替。本文详细描述了ZigBee协议栈的框架结构,比较了ZigBee技术较当前其他流行的无线技术的优劣势。同时,本文对系统的关键传感器AFE4490做了详细说明。文章阐述了整个系统的工作原理,对系统采集的数据通过一定的算法处理,并对结构进行分析。最后,文章描述了本系统的应用前景。如果能将本系统应用与实际医院病房血氧采集过程中,将极大的减少医生护士的工作量,并减少医护人员对某些疾病二次感染的风险。本系统能够保证数据的实时性及真实性,系统误差小。
【关键词】：ZigBee STM32 血氧饱和度 AFE4490
【学位授予单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN92;R472
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-13
• 1.2.1 血氧饱和度监测技术研究现状11-12
• 1.2.2 ZigBee发展历程及国内外研究现状12-13
• 1.3 论文主要结构13-14
• 1.4 本章小结14-16
• 第二章 关键原理及技术16-26
• 2.1 血氧饱和度采集原理16-17
• 2.2 ZigBee技术概述17-22
• 2.2.1 ZigBee技术简介17-18
• 2.2.2 ZigBee协议栈体系结构18-19
• 2.2.3 ZigBee的设备类型及网络拓扑19-22
• 2.3 几种无线通信技术比较22-24
• 2.3.1 ZigBee与Wi-Fi技术的对比22
• 2.3.2 ZigBee与蓝牙技术对比22-23
• 2.3.3 ZigBee与UWB技术比较23
• 2.3.4 ZigBee与GPRS技术对比23-24
• 2.4 ZigBee在医疗卫生行业的应用研究24
• 2.5 本章小结24-26
• 第三章 系统硬件设计26-42
• 3.1 系统整体结构原理26
• 3.2 模拟前端硬件设计26-33
• 3.2.1 芯片简介26-28
• 3.2.2 AFE4490部分重要寄存器介绍28-32
• 3.2.3 AFE4490典型应用电路32-33
• 3.3 数据处理部分硬件设计33-38
• 3.3.1 芯片简介33-35
• 3.3.2 SPI协议简介35-36
• 3.3.3 STM32电路原理图36-38
• 3.4 ZigBee部分硬件设计38-41
• 3.4.1 CC2530简介38-39
• 3.4.2 终端节点电路原理图39-40
• 3.4.3 协调器电路原理图40-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第四章 系统软件设计42-58
• 4.1 系统软件开发平台42
• 4.2 数据采集部分软件设计42-44
• 4.3 ZigBee无线传输部分软件设计44-53
• 4.3.1 Z-Stack架构44-47
• 4.3.2 Z-Stack的执行流程47-50
• 4.3.3 Z-Stack的预编译及配置50-53
• 4.4 终端节点部分软件设计53-54
• 4.5 协调器部分软件设计54-55
• 4.6 系统软件结果测试55-56
• 4.7 本章小结56-58
• 第五章 总结与展望58-60
• 5.1 总结58
• 5.2 展望58-60
• 参考文献60-64
• 致谢64-66
• 攻读学位期间发表的学术论文目录66-67

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本文编号：696724