摘要
本文重点介绍了一个低功耗传感器节点的设计。本设计基于片上系统（SOC）TICC2541,支持低功耗的无线通信。网络节点集成了用于环境监测的传感器，例如温度记录，三维加速度和环境光测量。记录下来的数据可以通过蓝牙发送到任何远程设备，如智能手机。本文提出了一种心率传感器来演示心率信号处理及其在运动中的应用。在MSP430低功耗微控制器上进行板上信号处理。作为一个示例应用，数据被无线发送到运行Android操作系统的智能手机进行可视化。本文介绍了心率监测系统的软硬件开发，包括信号预处理。已开发的PCB集成到胸部线束与集成纺织电极的心脏率测量。
1.介绍
介绍蓝牙技术作为一种新的无线通信技术的到来带来了市场的新应用领域，如医疗保健，物联网，安全，体育健身器材，家庭娱乐。蓝牙技术有许多好处，如非常低功耗，多连接支持，在一定的时间间隔，更快的初始化时间。除了数据自动传输，蓝牙技术还有很多应用。
BLE的一个主要应用是形成无线传感器网络（WSN）。 WSNs用于各种应用。它们的性能通常基于传感器节点通信带宽，电源，缓冲区大小和处理能力进行评估。为了改进这些参数，已经进行了大量研究，重点是延长单个节点的电池寿命以及整个网络的寿命。 BLE技术部分地改进了WSN的上述参数。
电池供电的网络节点需要节能无线网络。BLE技术被开发以实现延长的电池寿命。比较无线局域网（Wi-Fi），蓝牙BR / DER，蓝牙低功耗和ZigBee的数据速率的平均功耗。与其他可用技术相比，BLE在低数据速率下具有最低的功耗。
而对于大多数WSN应用来说，高达10KHz的数据速率就足够了，BLE支持高达1Mb / s的比特率。除此之外，BLE无线电使用二进制频率调制技术，使收发器复杂性最小化，并使用跳频以避免干扰和衰落。
与其他传输介质的特性比较，其他研究中广泛地使用ZigBee和ANT 技术来形成WSNs，特别是运动和健身应用。然而，BLE具有集成到智能电话设备中的优点。因此，用户不需要购买额外的硬件，也可以访问许多免费应用程序。本文的目的是开发基于蓝牙低能耗（TI CC2541）的无线网络节点，重点是环境监测和心率测量。该节点被开发用于监测室温，环境光和设备加速度。此外，可以测量和监测心率，以支持不同类型的体育活动。该应用需要非常紧凑的设计和复杂的电源管理方案。因此能够使系统在纽扣电池上运行数月至数年的低能量元件。
本文的组织结构如下：第2章介绍硬件设计，包括组件，PCB细节和设计考虑。第3章介绍并提供有关软件结构的详细信息。第4章讨论了器件的集成和设置，本文的最后一章提出了测试结果和得出的结论。
2.传感器硬件设计
已经选择了几种不同的传感器来满足用于运动的移动无线网络节点的要求。传感器必须能够与CC2541 SOC通信。因此，所有实现的传感器应提供由微控制器支持的通信接口。为了减少编程和电路设计工作，I2C总线被认为适合此目的。I2C总线允许与多达112个设备的串行双向通信，同时仅使用两条通信线路。为了实现低功耗，组件的当前需求是主要的选择标准。为了确保正确的心率测量，传感器节点必须连接到胸式安全带上。为简化起见，购买了带有PCB外壳的胸式安全带，因此PCB的最大尺寸由外壳定义。心率测量系统不应该干扰体育活动。因此，应该尽量减少节点的大小和重量。这导致了以下高效但小巧轻便的传感器的选择。
2.1实施传感器
温度由德州仪器TMP102测量。TMP102是I2C支持温度传感器，分辨率为12位，步长为0.0625°C。 由于-40°C至 125°C的指定工作范围，该传感器非常适合环境应用。 该传感器在有源模式下的最大电流消耗为10mu;A，关断模式下的最大电流消耗为1mu;A，并具有1.7 mm x 1.7 mm尺寸的封装。来自欧司朗的SFH5712用于测量环境光。 400nm至680nm的波长表示对人眼敏感性的良好匹配。 数字输出信号的分辨率为1个计数 lx，最大值为65535个计数。一旦传感器被激活，第一次测量在1ms后进行，并且通常在35ms之后，输出数据被提供为8次测量的平均值，然后作为16次测量的平均值作为92ms之后。
ADXL246是Analogue Devices的超低功耗数字加速度计，用于测量网络节点的加速度。 ADXL346是一款3轴加速度计，分辨率高达13位。 它可以测量高达16 g的加速度。 数字输出数据格式为16位二进制补码，可通过串行外设接口（SPI）或I2C总线接口进行访问。 加速度计测量倾斜感应应用中的重力静态加速度，以及运动或冲击引起的动态加速度。
胸部安全带允许测量通过泵送人体内心脏产生的电化学反应。 大约1mV的实际电压电位出现在不同的身体点之间，并且必须被预处理以由微控制器记录。 胸部安全带的两个电极连接到仪器放大器，Texas Instruments INA333，它将差分信号放大到5倍。仪器放大器之后是运算放大器OPA333，放大了输出信号的输出信号 INA333约为200倍。因此，组合放大器的放大系数为1000，输出心率的振幅为1V。 为了降低50Hz线路频率引起的噪声，运算放大器也被用作截止频率为33Hz的初级低通滤波器。
2.2在MSP430微控制器上处理心率信号
2.1节中描述的预处理允许确定心率信号（ECG）。由于ECG波形用于检测心跳的事实，可以分析ECG信号以确定心率。对于此过程，预处理信号必须由ADC连续转换。 CC2541 SOC包括一个外设来处理此任务，但其活动时其电流消耗约为12 mA。为了实现更长的电池寿命，协处理器，TI MSP430FR5738的有源电流为650mu;A，用于分析心电图并确定心率。 MSP430以1MHz采样信号，并用20 Hz的截止频率的10阶FIR滤波器对其进行滤波。通过拍摄浮动平均值产生的阈值来检测心跳。通过对3个检测到的心跳之间的时间求平均值确定的当前心率可以通过I2C总线读取。
2.3。 蓝牙芯片CC2541
CC2541 SOC是为了向外部设备提供无线传输。 德州仪器CC2541是具有蓝牙低能耗支持的功率优化的真正的System-OnChip（SOC）解决方案。 它能够以低成本开发健壮的无线网络节点。 CC2541将业界标准的8051 MCU与优异的射频收发器相结合。 具有各种工作模式，CC2541非常适合需要超低功耗的设备。 操作模式之间的短切换时间可降低总体功耗。 SOC的主要任务是获取的环境数据的无线传输。 为了发送该数据，SOC必须从传感器接收数据以便传送它。 这应该以最小化活动运行时的方式发生。 通过将两个按钮，两个LED和蜂鸣器连接到CC2541来创建简单的人类用户界面。
2.4。电力概念
实现的传感器需要不同的电源电压，因此电压调节器用于向传感器提供这些所需的电压。心率前置放大器需要两个电压电平用于其放大目的。 TI TPS71825-12是支持两个电压电平的合适芯片。该电压调节器可以由采集测量和预处理的ECG信号所需的MSP430激活。 MSP430，温度传感器，环境光传感器以及加速度计支持低功耗模式。没有必要单独关闭它们。传感器由单个电压调节器提供。调节器TI TPS62230具有超低静态电流，可通过焊接跳线禁用。 CC2541支持具有旁路模式的稳压器，因此CC2541本身可以关断和打开稳压器，以便在CC2541处于低功耗模式时将静态电流最小化。图3显示了电压调节器和器件之间的连接。
具有中断和自动睡眠模式的设备也以相互唤醒的方式连接。在我们测量心率的情况下，所有组件都保持睡眠模式，直到加速度计识别运动。加速度计激活MSP430，然后激活心率前置放大器。之后，MSP430发起了心跳的检测。当检测到心脏跳动时，CC2541被激活，并尝试连接到诸如智能手机的设备。如果没有检测到心跳，则传感器切换到省电模式。
2.5。布局
PCB的尺寸由选定的外壳和心率传感器的连接器固定。 PCB的尺寸，用于心率测量的连接器和将PCB安装在外壳中的孔如图4所示。对于BLE通信，需要一个天线。对于电路板，使用PCB天线。在小尺寸和所需天线增益之间是妥协的，以实现良好的通信范围。这种情况下应放置天线的区域较薄（PCB的左下区域）。 PCB的底层由于空间有限而与电池盒的连接不能用于设备的放置。因此，所有传感器，控制器和电压调节器都必须放置在顶层。使用六层PCB允许两个供应层，并简化路由过程。图5显示了设备的布局以及顶层上的布线。
3.软件
该软件在功率概念中起主要作用，因此也有助于延长电池寿命。开发的硬件设计允许通过适应软件来广泛使用网络节点。
3.1。传感器节点的软件
CC2541的主要特点是通过BLE进行无线通信。 CC2541器件保持三种不同状态之一;断电，可连接和连接。如果不需要传输数据，例如在被配置为没有检测到心跳的心率监测器的情况下，则控制器保持不活动以减少电流消耗。在有可用数据传输（移动，心率，温度变化）的情况下，CC2541上电并连接到支持BLE的设备。网络节点保持活动并收集数据，只要设备通过BLE连接到CC2541。随之而来的是连接失败，CC2541将传感器配置为生成应用程序指定的唤醒中断，并在上一个任务中使用的所有组件再次进入省电模式4.设备设置和测试
在制造和组装PCB之后，对所有的板组件进行测试，并将所需的软件编程到设备中。组合板如图6所示。图中放置欧元硬币以表示尺寸。
4.1。整合到胸带，用于运动应用
对于心率测量目的，PCB必须连接到胸罩。图7显示了POLAR公司胸带上安装的PCB。使用MSP 430的ECG信号的样本测量如图8所示。图中可以识别两个心跳
4.2。与智能手机通讯
开发的PCB持有两个用于信号的LED，可用于显示检测到的心跳。要显示所有传感器值，测量信号必须传输到包括显示器的外部设备。在运动期间使用该设备作为心率监测器时，使用Android操作系统的智能手机用于连接到网络节点以读取和显示传感器值。在BLE的一个连接事件中传输所有传感器值。为了实现这一行为，使用了一种不基于标准化BLE协议的特殊协议。因此，传感器节点也可以随意使用支持BLE的运动跟踪应用程序，如内容，运行或运行。
4.3。结果图9显示了在Android设备上运行的开发测试应用程序，而网络节点连接到胸罩。穿着胸式安全带的测试人员站立直立，身体皮肤温度约35°C。由网络节点测量的值如图9所示。加速度在x轴方向为1 g，这是当人员静止时由重力引起的加速度。网络节点由于测试人员的体温而被加热到26℃，测得的心率为75分钟-1。电流测量显示，所有设备都处于活动状态时，网络节点的总电流消耗为11mA。当使用230mAh的CR2032纽扣电池进行操作时，无需使用实现的低功耗概念，因此电池使用寿命为20小时。所有传感器和协处理器停用，有源CC2541的最小电流消耗为1.2mu;A，这导致理论电池寿命约为20年。因此，启用的功能概念导致电池使用时间数周到数月，而CC2541保持与BLE设备的连接。
5。结论
这项工作的目的是开发一种应用于运动的低功耗无线网络节点。该节点能够监测温度，环境光，设备加速度和心率。由于网络节点由硬币电池供电，所以已经使用用于环境数据采集的低功率传感器。网络节点能够基于BLE无线低功耗技术进行通信。这非常适合低数据速率的低功耗无线网络。支持的连接间隔从7.5 ms到42 s不等。关于睡眠模式，可以实现几个月的电池寿命。所开发的网络节点能够与支持BLE的任何设备进行通信。大多数智能手机和平板电脑。总之，一个网络节点已经被成功地开发出来，其节能并且可以使用硬币型电池单元进行操作。运动中的节点应用可以帮助评估一个人的适应度并优化训练。
摘要
生理状态监测技术能够不间断地检测生理信息，无线传输数据，实时处理数据，是可穿戴或便携式健康监测技术的主要部分，已成为目前的研究热点 在保健领域。 在本文中，根据微功耗和小型化的设计要求，在16位微控制器MSP430F4616的基础上，综合设计思路和具体实现方法，结合前向路径，微功率 消费，控制程序和无线通信单元。
引言
近年来，微电子技术和感知技术的飞速发展，大大推动了用于管理人体健康的医疗监护仪器的发展。 相应地，社区医疗和家庭护理人体生理参数监测仪器变得越来越小，省电，无线，成本低，有利于个人健康管理和低生理压力和精神负荷的患者监测。
在本文中，我们制作了生理参数便携式监控仪器的总体设计方案，并列出了设计要求。 结合l6位微控制器MSP430F46l6，我们介绍了前向路径的实现方法，控制程序和无线通信单元，阐述了关于微功耗的设计思路
二， 系统设计
为了监测社区医疗和家庭护理中人体的基本生理状态，生理参数的便携式监测仪器应当现场收集并存储生理参数数据，如心电图，SpO2心率和体温数据 。 此外，监测仪器还应能够实时识别和处理生理参数数据。 例如，当关键生理参数异常时，监控仪器自动报警。 监控仪器应提供人机交互的友好界面，能够方便地操作。 此外，收集的数据应能够通过无线通信传输到远程终端进行后续处理。便携式监护仪的生理参数应符合下列设计要求：
（1）应该能够以适当的精度收集，存储和监测生理参数的数据，而且还可以使用正确的算法处理数据。
（2）可以通过无线通信方式与远程终端共享信息，随后可以通过远程终端对数据进行分析。（3）应该能够提供友好的人机交互界面，易于操作。
（4）重量轻，体积小巧便携。
（5）应该是低功耗，电池供电和充电。
生理参数便携式监测仪的结构流程图如图1所示。监控仪器系统设计中应注意微功率设计和微观设计。特别是微功率设计是系统设计的主要部分。监控仪器的整个系统应围绕最小功耗系统的要求进行设计。我们采用了作为系统中央控制单元的16位微控制器的MSP430F4616芯片。 MSP43
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