基于ZigBee的無(wú)線病房呼叫系統(tǒng)便攜端設(shè)計(jì)

1 引言

ZigBee 技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，是為了滿足小型廉價(jià)設(shè)備的無(wú)線聯(lián)網(wǎng)和控制而制定的。ZigBee 是一種用于無(wú)線連接的全球標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)建立的重點(diǎn)是可靠性、低成本、長(zhǎng)電池壽命和容易應(yīng)用。不僅是簡(jiǎn)單的線纜互連的替代方案，而且能在不同ZigBee 設(shè)備之間"即連即用"的建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、交換，同時(shí)具有低功耗、較高數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本等特點(diǎn)。利用Zighee 技術(shù)的低功耗無(wú)線傳輸和自組網(wǎng)功能，可以實(shí)現(xiàn)"隔離監(jiān)護(hù)"、"動(dòng)態(tài)監(jiān)護(hù)".ZigBee 技術(shù)與局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，還可以實(shí)現(xiàn)"遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)"、"家庭保健監(jiān)護(hù)",是實(shí)現(xiàn)無(wú)線病房呼叫服務(wù)的理想選擇。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方案是采用的新興的ZigBee 無(wú)線技術(shù)，由于ZigBee 提供免費(fèi)的協(xié)議棧，所以我們?cè)陂_(kāi)發(fā)應(yīng)用程序中使用這些協(xié)議棧提供的底層函數(shù)時(shí)不需要額外付費(fèi)。再加上ZigBee具有網(wǎng)絡(luò)容量大可以支持大量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、安全及時(shí)延短、使用頻段為2.4GHz 的免執(zhí)照頻段等特點(diǎn)，可以很好的滿足設(shè)計(jì)的需要。

本研究方案采用MCU 和RF 收發(fā)器分離的雙芯片方案。其方案優(yōu)點(diǎn)是方案靈活性高，有很好的可擴(kuò)展性。硬件設(shè)計(jì)方案選擇為MSP430F4618+CC2420 的雙芯片解決方案。

MSP430FG4618 是具有100 個(gè)引腳的16 位超低功耗MCU:

在主動(dòng)模式下，工作在1MHz 情況下，耗電為400uA;在待機(jī)模式下，僅為1.3uA;在RAM 保持關(guān)閉模式下，僅為0.22uA.具有5 種節(jié)電模式；從待機(jī)狀態(tài)喚醒的時(shí)間小于6uS.

它還擁有豐富的片上資源：具有116KB 閃存、8KB RAM、12 位ADC、雙DAC、DMA、3 個(gè)OPAMP和16 段LCD,采用外部8MHz 晶振（時(shí)鐘），主要功能是根據(jù)用戶的命令，完成按鍵檢測(cè)、液晶顯示以及數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。它提供兩個(gè)雙工串口UART0、UART1,可實(shí)現(xiàn)與天線控制器和MODEM 的異步數(shù)據(jù)通信，并可用UART 多串口擴(kuò)展芯片（SP2338DP）按需要將其擴(kuò)展至多個(gè)較高波特率的UART 串口，由于界面顯示程序占用較大的RAM 和Flash,并且要求較高的運(yùn)算速率，MSP430FG4618 系列恰能滿足設(shè)計(jì)要求。

CC2420 是Chipcon 公司（現(xiàn)屬于TI公司）推出的首款符合2.4GHz IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器[3].該器件是第一款適用于ZigBee 產(chǎn)品的RF 器件。它基于Chipcon 公司的SmartRF03 技術(shù)，以0.18umCMOS 工藝制成，只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。

CC2420 的選擇性和敏感性指數(shù)超過(guò)了IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開(kāi)發(fā)的無(wú)線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps,可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留了調(diào)試端口。JTAG 接口用來(lái)調(diào)試和下載程序。RS232 串口提供調(diào)試信息輸出并用于與PC 機(jī)交互。RF 插座可以插入功能完好的射頻模塊進(jìn)行調(diào)試，且引出測(cè)試點(diǎn)易于測(cè)量波形。由于射頻電路不易調(diào)試，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)不容易定位錯(cuò)誤點(diǎn)。也要先預(yù)留調(diào)試接口，可以先試用確保功能正確的獨(dú)立RF 模塊調(diào)試電路板基本功能，最后焊接電路板上的RFIC和天線匹配電容、電感，以提高調(diào)試效率。

采用本方案設(shè)計(jì)的好處是硬件平臺(tái)只需要十分少的外部元器件和設(shè)備，相應(yīng)的需要的元器件就成本低，并且該平臺(tái)可以穩(wěn)定的運(yùn)行。

由于便攜終端采用電池供電，同時(shí)低功耗也是ZigBee 系統(tǒng)應(yīng)用成功的關(guān)鍵，所以低功耗自然也是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)所追求的目標(biāo)。為了最大程度地降低系統(tǒng)的功耗，從硬件設(shè)計(jì)角度考慮，我們?cè)谟布矫娌捎靡缘凸亩劽腡I 公司的MSP430 系列處理器，無(wú)線收發(fā)芯片采用毫安級(jí)別的CC2420 芯片，兩者組合的硬件平臺(tái)在功率消耗方面表現(xiàn)十分出色；從軟件設(shè)計(jì)角度考慮，也可以利用好MSP340F4618 芯片的節(jié)電模式，根據(jù)需要采用看門狗、中斷以及定時(shí)器的方式來(lái)喚醒設(shè)備進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，其余的時(shí)間設(shè)備都處在幾乎不消耗電能的睡眠狀態(tài)以降低系統(tǒng)功耗。

3 系統(tǒng)呼叫模塊硬件設(shè)計(jì)

我們根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求設(shè)計(jì)出電路的總體結(jié)構(gòu)，從功能模塊角度劃分可以分為幾個(gè)部分：MSP430 模塊、RS232 模塊、顯示模塊，聲光報(bào)警和鍵盤模塊。其中射頻芯片采用的是Chipon CC2420,微控制器采用的是TI 公司的MSP430FG4618,輸入設(shè)備是按鍵，輸出設(shè)備有LED 和液晶顯示芯片，與外界接口有RS232 和JTAG,上述設(shè)備可以滿足需要并可支持功能擴(kuò)展。CC2420 和MSP430FG4618 都采用電池供電。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1 所示。

MSP430 模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，本文設(shè)計(jì)的呼叫模塊是由MSP430FG4618 和外圍電路構(gòu)成。

圖3-2 給出了MSP430FG4618 的核心電路，包括JATG 接口、復(fù)位電路、電源和時(shí)鐘電路。

同時(shí)，將沒(méi)有用到的芯片引腳引出放置到電路板的邊緣，方便以后需要的時(shí)候進(jìn)行擴(kuò)展。

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為了能夠進(jìn)行串行調(diào)試，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和主機(jī)通過(guò)RS232 接口進(jìn)行連接，RS232 可以提供多種不同速率的低速通信。RS232 采用負(fù)邏輯，即：邏輯"1"為-5V~15V,邏輯"0"為+5V~+15V,噪聲容限為2V.由于RS232 電平與單片機(jī)電平不兼容，需要用到電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232 將RS232 的負(fù)邏輯電平轉(zhuǎn)換成TTL 的正邏輯電平，電路設(shè)計(jì)如圖3-3 所示。

RS232 模塊與MSP430 通過(guò)一組UART 管腳和兩個(gè)I/O 引腳P3.4 和P3.5 連接，UART 的TX 和RX 負(fù)責(zé)RS232 的輸入輸出，P3.4 和P3.5 引腳起控制作用。在設(shè)計(jì)時(shí)在兩個(gè)I/O 引腳各加入了1 個(gè)LED 燈以方便觀察。

本設(shè)計(jì)中的模塊和元件只需要一種電壓的直流電源，MSP430FG4618 和MAX3232 都需要+3.3V 直流電源。ETC 公司的AMSlll7 系列穩(wěn)壓器芯片能夠提供1.5V/1.8V/2.5V/2.85V/3.3V/5.0V 穩(wěn)壓直流電壓輸出，本設(shè)計(jì)選用AMSlll7-3.3 型號(hào)來(lái)得到+3.3V 電壓。

電源電路設(shè)計(jì)如圖3-4 所示，開(kāi)關(guān)的引腳1 接外部的電池組，利用0.1uF 的電容和470uF的電解電容并聯(lián)來(lái)對(duì)電源信號(hào)進(jìn)行退耦濾波處理，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在本設(shè)計(jì)中聲光報(bào)警裝置由蜂鳴器和發(fā)光二極管組成。而鍵盤部分設(shè)計(jì)為一個(gè)3×4 的矩陣鍵盤電路。

4 無(wú)線發(fā)射模塊設(shè)計(jì)

CC2420 內(nèi)部使用1.8V 工作電壓，因而功耗很低，適合于電池供電的設(shè)備；外部數(shù)字I/O接口使用3.3V 電壓，這樣可以保持和3.3V 邏輯期間的兼容性。它在片上集成了一個(gè)直流穩(wěn)壓器，能夠把3.3V 電壓轉(zhuǎn)換成1.8V 電壓。

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圖4-1 給出了CC2420 外圍電路圖。芯片本振信號(hào)既可由外部有源晶體提供，也可由內(nèi)部電路提供。由內(nèi)部電路提供時(shí)需外加晶體振蕩器和兩個(gè)負(fù)載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)。本文采用16MHz 晶振，電容值為22pF.如果使用外部時(shí)鐘，直接從XOSC16_Q1 引腳引入，XOSC16_Q2 引腳保持懸空；如果使用內(nèi)部晶體振蕩器，晶體接在XOSC16_Q1 和XOSC16_Q2 引腳之間。射頻輸入/輸出匹配電路主要用來(lái)匹配芯片的輸入輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為50Ω，同時(shí)為芯片內(nèi)部的PA 及LNA 提供直流偏置。

CC2420 通過(guò)4 線SPI 總線（SI、SO、SCLK、CSn）設(shè)置芯片的工作模式，并實(shí)現(xiàn)讀/寫緩存數(shù)據(jù)，讀/寫狀態(tài)寄存器等。通過(guò)控制FIFO 和FIFOP 管腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射/接收緩存器。CC2420 射頻信號(hào)的收發(fā)采用差分方式進(jìn)行傳輸，其最佳差分負(fù)載是115+j180Ω阻抗匹配電路應(yīng)該根據(jù)這個(gè)數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。

CC2420 具有內(nèi)部發(fā)送接收（T/R）開(kāi)關(guān)電路，這就使得天線接口的匹配極為容易。RF 采用差動(dòng)連接；單集天線需要使用不平衡變壓器。通過(guò)外接直流通路，連接引腳TXRX_SWITCH到RF_P 和RF_N,實(shí)現(xiàn)PA 和LNA 的偏置。

CC2420 是一個(gè)半雙工的RF 芯片，在同一時(shí)刻只處于一種工作狀態(tài)，或者出于發(fā)送狀態(tài)，或者處于接收狀態(tài)；CC2420 有15 個(gè)命令寄存器，每個(gè)寄存器都有一個(gè)固定的地址；CC2420的發(fā)送緩沖與接收緩沖是分開(kāi)的：TXFIFO 為128 字節(jié)，RXFIFO 為128 字節(jié)。

TXFIFO 與RXFIFO 的讀寫可以通過(guò)兩種方式進(jìn)行：

寄存器方式：通過(guò)讀寫TXFIFO 寄存器（0x3E）操作128 字節(jié)的TXFIFO 通過(guò)讀寫RXFIFO寄存器（0x3F）操作128 字節(jié)的RXFIFO.

RAM 方式：直接對(duì)具體RAM 地址的讀寫來(lái)操作指定地址的RAM 數(shù)據(jù)。

TXFIFO 中同一時(shí)刻只能有一個(gè)等待發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，RXFIFO 中同一時(shí)刻可以有多個(gè)接受到的數(shù)據(jù)幀，只要這些數(shù)據(jù)幀的總長(zhǎng)度不超過(guò)128 字節(jié)。CC2420 使用SFD、FIFO、FIFOP 表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)。

5 ZigBee 組網(wǎng)設(shè)計(jì)

ZigBee 無(wú)線病房呼叫系統(tǒng)是為了彌補(bǔ)現(xiàn)有病房呼叫系統(tǒng)的不足、改善病房環(huán)境、減輕醫(yī)生、護(hù)士的工作量、更好的為病人服務(wù)而專門設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一套病房呼叫系統(tǒng)。房間內(nèi)的呼叫節(jié)點(diǎn)采用星型網(wǎng)絡(luò)連接，由其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為ZigBee 路由器，負(fù)責(zé)與中心網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)；所有的ZigBee 路由器組成一個(gè)星型與樹(shù)型結(jié)合的混合網(wǎng)絡(luò)，再與ZigBee中心節(jié)點(diǎn)連接，中心節(jié)點(diǎn)設(shè)置在管理中心，構(gòu)建成一個(gè)完整的ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)病人發(fā)出的服務(wù)請(qǐng)求會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳到中心端，醫(yī)生或護(hù)士可以通過(guò)中心端獲得病人的信息，對(duì)請(qǐng)求作出及時(shí)處理。

我們給出如下具體實(shí)現(xiàn)步驟：第一步：初始化硬件驅(qū)動(dòng)和MAC 層。第二步：掃描信道獲得并處理環(huán)境信息。節(jié)點(diǎn)根據(jù)信道掃描的結(jié)果作出加入網(wǎng)絡(luò)或新建PAN 網(wǎng)絡(luò)的判斷，如果節(jié)點(diǎn)決定新建PAN 網(wǎng)絡(luò)，那么執(zhí)行第三步，否則調(diào)到第五步。第三步：建立PAN 網(wǎng)絡(luò)。其中包括以下過(guò)程：信道能量掃描、短地址信息選取、選擇PAN 網(wǎng)絡(luò)ID、初始化網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。第四步：允許接收節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求。該部分處理關(guān)聯(lián)指示原語(yǔ)，父節(jié)點(diǎn)執(zhí)行完第四步后，節(jié)點(diǎn)己做好數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)備，將不再執(zhí)行第五步到第六步。第五步：加入PAN 網(wǎng)絡(luò)。在這一步中，子節(jié)點(diǎn)先發(fā)布一個(gè)網(wǎng)絡(luò)查找原語(yǔ)currentPrimitive=NLME_NETWORK_DISCOVERY.request,之后子節(jié)點(diǎn)的MAC 層就會(huì)執(zhí)行一次主動(dòng)掃描返回NLME_NETWORK_DISCOVERY.confirm,函數(shù)會(huì)據(jù)此更新鄰接表，子節(jié)點(diǎn)就可以從搜索到的網(wǎng)絡(luò)中選擇一個(gè)父節(jié)點(diǎn)加入。第六步：數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，子節(jié)點(diǎn)和父節(jié)點(diǎn)就可以進(jìn)行通信了。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文從醫(yī)院對(duì)病房呼叫系統(tǒng)的實(shí)際需要出發(fā)，提出了無(wú)線病房呼叫系統(tǒng)便攜端的硬件整體設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)出無(wú)線病房呼叫系統(tǒng)便攜端的總體框圖及硬件設(shè)計(jì)，給出了該系統(tǒng)的組網(wǎng)方案及實(shí)現(xiàn)步驟。該方案具有低成本、低功耗、高可靠性和可擴(kuò)展性等方面的優(yōu)點(diǎn)。