1、1毕业设计（论文）ANDRIOD手机无线医疗监测系统设计学生姓名学号01110231Y08所在系部电气系专业班级11信工本1班指导教师副教授日期二一五年六月2DESIGNOFWIRELESSMEDICALMONITORINGSYSTEMWITHANDRIODMOBILEPHONEBYJUNE20153学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学院有关保管
2、、使用学位论文的规定，同意学院保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密，在年解密后适用本授权书。2、不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名年月日导师签名年月日4摘要随着心血管疾病患病率的持续攀升，以及现代生活节奏不断加快，用户心电参数等相关身体健康的数据能够的随时随地监测并获得及时的反馈，这种需求已经越来越明显。但是医院的大部分医疗器械具有体积庞大和检测场所受限的缺点，然而市面上已有
3、的一些便携式监护仪是软硬一体的电子设备，需要较强计算能力的处理器、液晶显示器、存储模块，这些也无疑增大了体积且提高了成本，它们都不适合普及到家庭和个人的移动应用中。智能手机的普及可让心电采集设备更加轻巧，在ANDROID和IOS上开发心电数据处理的客户端程序也将带来更加炫酷的视觉体验，还能使用云服务，而新一代蓝牙40协议大大降低了功耗，又是智能手机上的标配，因此本课题的研究具有低成本、低耗能、软件灵活性、网络服务可扩展等创新点，将成为移动医疗产品的设计趋势。本文介绍了国外目前的研究现状，阐述了本课题研究的目的以及意义和低功耗蓝牙的特点，以及相对于传统蓝牙来说低功耗蓝牙的改进和优势。接着给出了无
4、线医疗监测系统硬件设计，对CC2540芯片的介绍，CC2540的电路设计，温度和心电传感器分模块等。第五章讲述了ANDROID客户端应用程序的开发。关键词体域网，蓝牙40，ANDRIOD，温度，BLE协议栈5ABSTRACTWITHTHEPREVALENCEOFCARDIOVASCULARDISEASECONTINUESTORISE,ASWELLASTHEPACEOFMODERNLIFECONTINUESTOACCELERATE,TOUSERECGPARAMETERSRELATEDTOPHYSICALHEALTHDATAANYWHEREMONITORINGANDTIMELYFEEDBACK,T
5、HISDEMANDHASBECOMEMOREANDMOREOBVIOUSBUTTHEHOSPITALMOSTOFTHEMEDICALEQUIPMENTHASTHEDISADVANTAGESOFHUGEVOLUMEANDDETECTIONINRESTRICTEDSPACE,BUTAREAVAILABLEINTHEMARKETSOMEOFTHEPORTABLEMONITORISONEOFTHEHARDANDSOFTELECTRONICEQUIPMENTANDNEEDSTRONGCOMPUTINGCAPABILITYOFPROCESSOR,LCDDISPLAY,MEMORYMODULE,WHICHW
6、ILLUNDOUBTEDLYINCREASETHEVOLUMEANDIMPROVETHECOST,THEYARENOTSUITABLEFORSPREADTOFAMILYANDPERSONALMOBILEAPPLICATIONSTHEPOPULARITYOFSMARTPHONESFORECGACQUISITIONEQUIPMENTMORECOMPACT,ECGDATAPROCESSINGOFCLIENTPROGRAMDEVELOPEDINANDRIODANDIOSWILLALSOBRINGMORECOOLVISUALEXPERIENCE,BUTALSOTHEUSEOFCLOUDSERVICES,
7、ANDANEWGENERATIONOFBLUETOOTH40PROTOCOLGREATLYREDUCESTHEPOWERCONSUMPTION,ANDSTANDARDSMARTPHONEON,SORESEARCHONTHISTOPICHASLOWCOST,LOWENERGYCONSUMPTION,FLEXIBLESOFTWARE,WEBSERVICESCANBEEXTENDEDANDINNOVATION,WILLBECOMETHEDESIGNTRENDOFMOBILEMEDICALPRODUCTSTHISPAPERFIRSTINTRODUCESTHEPRESENTRESEARCHSTATUSO
8、FFOREIGNCOUNTRIES,ANDBRIEFLYEXPOUNDSTHEPURPOSEANDSIGNIFICANCEOFTHISRESEARCH,ANDSHOWSTHEIMPORTANCEANDNECESSITYOFWIRELESSMEDICALMONITORINGAFTERTHEINTRODUCTIONOFTHESE,THISPAPERISFOLLOWEDBYAUNDERSTANDINGOFTHECHARACTERISTICSOFLOWPOWERBLUETOOTH,ASWELLASTHEADVANTAGESOFLOWPOWERBLUETOOTHRELATIVETOTHETRADITIO
9、NALBLUETOOTHPRELIMINARYDESCRIBESTHETEXTINTOTHETOPIC,TOINTRODUCEWIRELESSMEDICALMONITORINGSYSTEMHARDWAREDESIGN,INTHEPLATETHECHIPONCC2540MAKETHEABRIEFINTRODUCTIONANDIMMEDIATELYSHOWTHECC2540CIRCUITDESIGNINAGRAPHICWAYASTHEFUNCTIONOFTHEOBJECTOFTHESUBJECTISABLETOMONITORTHETEMPERATUREANDTHEECGOF6THEHUMANBOD
10、YINREALTIME,THISPAPERALSOINTRODUCESTHETEMPERATUREANDTHEECGSENSORMODULETHELASTTWOCHAPTERSARETHEMAINPARTOFTHESOFTWAREKEYWORDSBODYAREANETWORK,BLUETOOTH4,ANDRIOD,TEMPERATURE,BLEPROTOCOLSTACK7目录1绪论111国内外研究概况112课题研究目的与意义2121课题研究目的2122研究意义32体域网系统构架421体域网简介422无线医疗监护系统网络模型523体域网节点的设计6231汇聚节点的设计6232传感器节点设计724
11、系统实现流程7241传感器节点的采集流程73BLE40技术及其特点931BLE40技术932BLE40技术特点933BLE40与传统蓝牙的比较1034BLE协议栈简介1035BLE协议栈的应用104CC2540和ANDROID手机的蓝牙通信模块1341CC2540蓝牙通信的实现1342CC2540芯片介绍1543CC2540电路设计15431CC2540最小系统15432晶振电路设计16433电源电路设计16434LED电路设计16435五向按键电路设计16436串口电路设计17437开发板扩展接口电路设计21438复位电路设计22439DEBUGGER接口设计2244传感节点设计23441温
12、度传感器模块23442心电传感器模块245ANDROID简介和环境搭建27851ANDROID简介2752客户端界面设计及响应操作276总结与展望3061总结3062展望30致谢31参考文献3211绪论11国内外研究概况心电图主要来源于心脏去极化波在体表生成的微弱电信号,心电设备主要有两种一种是医院传统的心电图机，虽然精度较高，但是目前市场上的体积庞大且价格昂贵另一种是便携式心电设备，这种设备相对于医院的心电图机小得多，除了有微弱信号采集电路外，后端还有嵌入式微处理器和液晶显示器，下位机处理器统一处理心电数据，包括波形显示、存储和本地自动分析，但这种设备相当于一台微型计算机的硬件成本，费用仍然
13、昂贵，目前国内许多小公司生产的便携式心电设备都要数千元，例如迈瑞和益体康，而且设备中的数据要先通过USB接口烤贝到PC上，医生和家属才能通过互联网获取数据记录。国外的便携式心电设备相对先进，例如美国BI公司的BI2000便携式心电仪，就具有无线通信的功能，这样避免了线缆安放的不舒适感，又能进行远距离监护，例如病患在一个房间休息时，家属可以在另一个房实时间监测患者的心电图，只要在无线通信距离范围内，BI2000还拥有WLAN/GPRS/CDMA三种通讯方式，数据可直接二传至互联网，还有短信发送和电话呼叫功能，让医院和家属能及时接收到患者的求救信号。虽然国外产品的功能非常全面，但价格比国内产品高得
14、多，而且仍然是一个完全封闭的平台，只有厂商能在自己的平台上开发和升级心电自动诊断软件。智能手机的普及和平台的统一和开放性，以及ANDROIDMARKET和APPSTORE的商业模式，相比厂商才能开发软件，激发了程序员去学习和应用医疗领域算法的积极性，为移动医疗行业注入了强大的动力。在移动终端领域，I0S平台已经产生了一些医疗严品如美国的WITHING公司推出了IPHONE/IPAD/IPODTOUCH上的血压仪，但数据传输需要有线连接LIGHTNING接口，价格在112美元左右。但无论IOS平台和ANDROID平台都有没有推出一款无线心电监护仪。2另外从无线数据采集方面，主要有ZIGBEE/W
15、LAN/RFID/BLUETOOTH这几种采集方式，国内有采用ZIGBEE传输的心电产品，但ZIGBEE主要面向长距离组网，且智能手机不预配ZISBEE和RFID,WLAN点对点传输又需要借助路由器，最新的WIFIDIRECT又没有普及，且功耗较大。目前蓝牙协议还没有心电产品采纳，但蓝牙协议天生就是用于建立无线个域网的，IEEE80215规定无线个域网的工作范围是10米之内，正好可以建立完整的个人生理监护局域网，另外蓝牙比WLAN更早成为智能手机的标配，最新版本的蓝牙40协议将传统蓝牙、低功耗蓝牙BLE、高速蓝牙三种规格合为一体，因为超低功耗ULP技术BLE往物理层和链路层加入了睡眠和懒惰机制
16、，使得BLE非常适合电池供电的低耗能需求场合，一粒纽扣电池可供BLE处理器运行数年之久。考虑到智能手机操作系统市场主要由ANDROID垄断，2012年ANDROID市场份额占据724，将近苹果IOS的139的5倍，WINDOWS份额仅为个位数，因此本课题致力于开发ANDROID平台上的心电监护系统，在MOTOROLARAZR手机开发APP，还设计了模拟采集和蓝牙通信前端硬件设备，实现了前端心电采集，ANDROID蓝牙传输、数据存储、心电图显示和自动诊断的功能。12课题研究目的与意义121课题研究目的本课题研究致力于利用现有的低功耗蓝牙技术来设计与实现一套无线体域网网络系统，该系统在符合体域网的
17、前提下,具有成本低,功耗低,尺寸小和灵活性强等特点在无线通信技术层面，系统的设计尽可能地符合无线体域网的主要性能标准，并利用市场上较为流行的微处理器和信号处理技术，便于和多数研发人员进行交流和掌握在系统设计与制作层面，尽可能地将系统模块化，方便在不同的平台间进行移植在能耗层面，多考虑系统的能量损耗，便携度等，为以后的普及推广打下良好的基础。3122研究意义本文研究的内容对于无线体域网的理论研究和现实研究仍具有一定的影响，主要体现在以下三个方面。1医疗方面现有的医疗资源严重不足，社会的老龄化人口所占比重逐年增加，传统的集中式治疗体系不仅消费高、时间久，弊端越来越明显，不能满足人们的需求。体域网的
18、实现以及普及，不仅给人们提供了一条新的治疗方式，还可以对医疗资源进行重新分配，提高其利用率。同时，对于大量医疗数据的获取提供了一种简便的方式，有利用对其进行数据统计，研究其规律，对于疾病的预防有着一定的意义。2体域网的理论研究对于任何先进的技术，永远是理论走在实际的前面。无线体域网作为一个新兴的网络，其理论研究的速度远远超过了实际的发展。在这样的前提下，无线体域网的硬件设计与实现，不仅能验证理论研究中的各种结论，还能在实际应用中探索各种可能性，弥足理论上的不足，避免理论和实际的脱节。另外，国内的研究远远落后于国外的速度，如此一来也可以为国内的理论研究尽一点绵薄之力。3与现有的技术比较无线体域网
19、的标准802156只是定义了一些标准，并没有规定它的无线通信方式，这就说明有很多可能性。低功耗蓝牙技术必然也是其中的选择之一，它的实现不仅可以跟其他的无线通信方式进行比较，扬长避短，还可以在比较中选出在不同的场合最适合的无线通信方式，对于体域网的普及推广有着很好的指导作用。42体域网系统构架21体域网简介体域网，英文为BODYAREANETWORKBAN，是附着在人体身上的一种网络，由一套小巧可移动、具有通信功能的传感器和一个身体主站或称BAN协调器组成。每一传感器既可佩戴在身上，也可植入体内。协调器是网络的管理器，也是BAN和外部网络如3G、WIMAX、WIFI等之间的网关，使数据能够得以安
20、全地传送和交换。由于这些传感器通过无线技术进行通信，所以体域网也叫无线体域网WBAN。图21体域网架构体域网是一种可长期监视和记录人体健康信号的基本技术，早期应用主要是用来连续监视和记录慢性病如糖尿病、哮喘病和心脏病等患者的健康参数，提供某种方式的自动疗法控制。比如，糖尿病患者一旦他的胰岛素水平下降，他身5上的BAN马上可以激活一个泵，自动为患者注射胰岛素，使患者不用医生也能把胰岛素控制在正常水平。体域网未来还可广泛应用于消费者电子、娱乐、运动、环境智能、畜牧、泛在计算、军事或安全等领域。不仅如此，眼前仍停留在科幻小说之中的所谓“智慧尘埃”具有处理能力和无线通信能力的显微镜器件将来也完全有可能
21、出现在体域网中。体域网在国际上已经得到了广泛研究，包括医疗技术提供商、医院、保险公司以及工业界的各方人士正在开展战略性合作，但目前仍处在早期阶段，在毫瓦级网络能耗、互操作性、系统设备、安全性、传感器验证、数据一致性等方面面临一系列挑战。这种技术一旦被接纳采用，将在医疗保健方面取得重大突破。体域网虽然是覆盖面最小的网络，但却是惠及面极广的网络，万万不可等闲视之。截至2008年底，我国老年人口已达169亿，占总人口的1279。我国是世界老年人口最多的国家，占全球老年人口总量的五分之一。老年人为国家、为人民作出了巨大贡献。作为一种回报，我们应该让体域网这种先进技术服务于我国老年人的医疗保健。与此同时
22、，在某种程度上BAN的应用还可以缓解医院拥挤看病难的问题以及助推远程医疗等构想的真正实施。从商业角度看，体域网在我国也必定具有广泛的用途和巨大的潜在市场。体域网是以人体周围的设备例如随身携带的手表、传感器以及手机等，以及人体内部（即植入设备）等为对象的无线通信专用系统。目前，体域网所使用的频带尚未确定，但400兆赫兹频带以及600兆赫兹频带已被列入议程。22无线医疗监护系统网络模型本文在对于充分理解无线体域网的基础上，设计了一套合理的无线医疗监护系统的网络模型。如图21所示。按照体域网的原型将系统分为三部分，即传感器节点、汇聚节点和上位机软件或智能手机部分。6图22监护系统网络模型。图23系统
23、模型框图23体域网节点的设计231汇聚节点的设计汇聚节点的结构如图所示，主要由处理器模块、天线模块、串口模块、按键模块、电源模块、电压转换模块、指示灯模块和LCD显示模块组成。CC2540的工作电压为3V33V，串口的电压是12V，所以需要电压转换模块进行电压的转处理器CC2540按键模块串口模块天线电源模块电压转换模块指示灯LED显示模块LCD7换。LED指示灯主要显示网络的状态，如是否组网成功等LCD模块用来显示数据以及功能菜单，确定是哪个传感器发来的数据处理器将收集到的数据通过无线的方式传送至手机或者通过串口发送至电脑上232传感器节点设计传感器节点相比于汇聚节点，少了串口以及电压转换部
24、分，如图24所示，由处理器芯片CC2540，天线，电源，LED状态显示灯以及传感器模块组成，LED由处理器的I/O进行控制，主要用来显示传感器节点的网络状态。电源模块主要给处理器进行供电，当需要采集数据时由PO口选用供电模块就可以进行供电了，传感器模块负责采集生理信息，将采集的数据传送给处理器进行下一步的处理。处理模块先把采集到的模拟信号进行模数转换，然后进行处理，处理后的数据由天线发出。图24传感器节点结构框图24系统实现流程241传感器节点的采集流程传感器节点进行数据的采集，周期性地采集数据并存储到CC2540的蓝牙节采集单元处理器单元CC2540状态显示单元信号处理单元传感器发射|接收单
25、元LED指示灯供电系统8点设备中，其工作流程如图25所示，当采集到的数据不正确时，可以通过通信复位重新采集，此处的传感器节点可以是心电、脉搏、温度等任意传感器节点。图25传感器节点的采集流程NN开始初始化设置采集数据有误通信复位将测量的数据发送给CC2540节点设各延时Y93BLE40技术及其特点31BLE40技术蓝牙技术联盟BLUETOOTHSPECIALINTERESTGROUP,SIG在2010年6月底推出主打的低功耗蓝牙40版本，该版本是三位一体的技术，包括传统蓝牙、高速蓝牙和低功耗蓝牙，这三种技术可以单独使用，也可以进行组合。本文讲述的主要是低功耗蓝牙的单独使用，其主要特点是极低的运
26、行和待机功耗，一颗纽扣电池就可以连续工作一年以上。低功耗蓝牙作为蓝牙技术40规范的一部分，可以将其应用到无线体域网中，一个主设备最多可以接到7个从设备。32BLE40技术特点低功耗蓝牙技术有很多的优点,分别是1高可靠性蓝牙技术联盟在制定蓝牙40规范时将数据传输过程中的链路管理协议、射频、基带协议采用了可靠性措施，包括差错检测和校正、进行数据编解码、差错控制等，极大地提高了无线数据传输的可靠性。另外，使用自适应调频技术，最大程度地减少和其他24GHZISM无线电波频段的串扰。2低成本、低功耗低功耗蓝牙技术支持两种模式双模式和单模式。在双模式中，低功耗蓝牙技术功能可以集成在现有的经典蓝牙控制器中，
27、或在现有经典蓝牙技术芯片上加入低功耗堆栈，整体架构基本不变，可降低成本。与传统蓝牙不同，低功耗蓝牙技术用深度睡眠状态来替换传统蓝牙的空闲状态，在深度睡眠状态下，主机长时间处于超低的负载循环状态，只在需要运作时由控制器来启动，功耗较传统蓝牙低了百分之九十。3低迟延传统蓝牙的启动连接时间需要6S，而低功耗蓝牙仅仅需要3MS即可完成。104传输距离极大提高传统蓝牙的传输距离为2M至LOM，而低功耗蓝牙的有效传输距离可达到60M至100M，传输距离提升了十倍，极大地开拓了蓝牙技术的应用前景。5高安全性为了保证数据传输的安全性，使用AES128加密算法进行数据包加密和认证。6低吞吐量低功耗蓝牙支持1MB
28、PS的空中数据速率，但应用的吞吐量只有256KBPS。33BLE40与传统蓝牙的比较传统蓝牙与低功耗蓝牙同属于蓝牙40版本，两者都属于低成本、可互相操作、短距离的无线技术，但是两者有一个重要的不同之处，低功耗蓝牙技术从一开始就设计为超低功耗的无线技术，而传统蓝牙技术主要则是构成低功耗的无线连接，两者的不同标准如表31所示，最大的不同则是功耗，低功耗蓝牙远远低于传统蓝牙。在耗电量上，传统蓝牙设备采用1632个频道进行广播，而低功耗蓝牙仅采用3个广播通道，且每次广播时射频的开启时间也由传统的22MS减少到06MS12MS，因此大大降低了因为广播数据导致的待机状态所消耗的能量。34BLE协议栈简介B
29、LE协议栈分为三层主机层，控制层，应用层。而我们做项目开发主要修改GAP层和GATT层。结构图见图32。35BLE协议栈的应用在BLE协议栈中，GAP层与GATT层这两个层是与用户开发应用相关的，项目研究主要掌握GAP层与GATT层的原理即可。PROFILE是与开发用户直接联系的层次，又因为仅有GAP层和GATT层才属于PROFILE，因此要进行BLE应用开发必须要理解这两个PROFILE（GAP、GATT）。111GAP层GAP层用于处理设备请求访问时相关事件发现设备、建立链路、断开链路、设备参数配置和设备安全特性初始化。GAP层总共可以扮演四种角色广播、观察、外围、中心角色。两个BLE设备
30、的连接，需要在GAP层进行连接。GAP层的连接链路建立只能先由主机发出连接请求，而从机接受。若想断开连接，任意一方均可随时结束，且不受限制。这一点设计的很巧妙。GAP层链路建立后，两个BLE设备就可以在GATT层传递需要的数据了，但是有一点需要注意，这时数据传递的过程是没有加密的，很有可能造成双方的信息泄漏。这个时候如果想要对数据传递这个过程加密，就需要GAP层开启下方的SM层的功能。2GATT层上文中提到，设备数据交换直接基于GATT层。如果是两个BLE设备进行通信，那么可以分为GATT服务器和GATT客户机两种角色。GATT服务器仅仅能由GATT服务器端提供数据，由GATT客户机读取或修改
31、GATT服务器所提供的数据。GATT客户机由上述可知，GATT客户机不能发送，只能读取或修改GATT服务器上所传递的数据。同样应该知道的是，从机设备或者主机设备都可以成为GATT服务器或者GATT客户机，也就是说GATT服务器和GATT客户机不受BLE链路层的主机从机角色的约束。12表32BLE与传统蓝牙的对比图图33BLE协议栈架构图34BLE协议栈结构图32BLE协议栈构架图32BLE协议栈技术规范传统蓝牙低功耗蓝牙技术规范传统蓝牙低功耗蓝牙无线电频率24GHZ24GHZ延迟时间100MS6MS距离10M/100M30M政府监管全球全球空中数据速率13MB/1MB/S最大电流30MA15M
32、A应用吞吐量0721MB/S02MB/S认证机构蓝牙技术联盟蓝牙技术联盟节点/单元716777184理论最大值232语音能力有没有安全64/128BITAES128BITAES网络拓扑分散网星型总线强健性自动适应快速跳频，FEC,快速ACK自动适应快速跳频耗电量1001至05主机层GAP层GATT层SM层ATT层L2CAP层控制层HCI层LL层PHY层134CC2540和ANDROID手机的蓝牙通信模块41CC2540蓝牙通信的实现OSAL操作系统是TI公司设计的用于管理ZSTACKREMOTETI,BLE等无线通信协议栈的小型操作系统，搭载在CC系列无线单片机上，提供了诸如任务注册、任务间消
33、息交换、任务同步、中断处理、定时器管理、存储管理等基本的操作系统构件，同时针对不同功能的芯片，将ZIGBEE,BLE协议栈融合到OSAL系统的编程接口中，方便了无线应用程序的开发。该系统按照事件驱动机制工作，系统启动后，需要注册每个任务并给各任务分配触发标志位，以后任务的调度都依赖于该触发标志位是否置位，因此任务的运行是一种被动方式。另外，在每个任务中，允许定义多个事件码，而且这多个事件码都可以置位该任务的触发标志位，因此任务被调度后可以根据事件码以不同的方式处理，给每个任务内部的执行内容增加了多样性和灵活性。OSAL系统还提供了硬件抽象层，对常用外设写了驱动程序，这样在单片机中调用串口等外设
34、更加方便，省去了底层配置工作。另外，OSAL系统只用一个硬件定时器，系统会管理一个定时器链表，扩展出任意数量的软件定时器。OSAL任务初始化时建立了13个任务，包括蓝牙40低功耗协议栈任务和用户自定义任务，以下为每个任务主体函数。系统主循环中检测到相应任务标志位触发时，会通过TASKARR任务函数数组索引对应任务代码TYPEDEFSTRUCTATTATTRIBUTE_TGATTATTRTYPETTYPE/属性类型，16位UUIDUINT8PERMISSIONS/属性权限UINTL6HANDLE/属性权限由服务器分配UINT8CONSTPVALUE/属性值GATTATTRIBUTE_T属性表用G
35、ATTATTRIBUTETSIMPLEPROFILEATTRTBLN数组表示，N为属性个数。属性权限包括读、写、通知，当配置为通知权限，在每个连接事件中服务器会自动向客户端发送属性数据通知。CC2540程序初始化流程如图41所示14图41CC2540蓝牙通信程序框图YYNN硬件初始化OSAL系统初始化建立蓝牙协议栈任务心率或温度读取任务开启蓝牙广播进入OSAL主循环，轮询事件收到蓝牙连接请求进入OSAL系统主循环，轮询蓝牙事件是接收到蓝牙请求配置传感器，读取数据更新GATT层属性表，开启数据通知权限推送数据至安卓GATT层客户端从低到高建立LL、HCI、L2CAP、GAP、GATT层连接建立G
36、ATT层属性表，通知安卓客户端提供哪些蓝牙服务1542CC2540芯片介绍TI公司推出的CC2540是一款真正意义上的片上芯片，完全兼容低功耗蓝牙协议，内部资源非常丰富，它不仅集成了低功耗的8051MCU内核，还集成了一个24GHZ的射频收发器和8KBRAM和256KBFLASH存储器，同时还包括2个8位和1个16位通用定时器的、2个DART,12个有效位的ADC模/数转换、21个I/O口、两种晶振、32KHZ体眠定时器，具有5种工作模式，集成AES128安全协处理器、高性能比较器、精确的数据接收信号强度检测RSSI、功能强大的5通道直接内存访问DMA，在发送模式和外部中断模式下，电流损耗分别
37、为24MA和04UA。CC2540与TI的蓝牙低功耗协议栈相配合，己经成为市场上灵活、具有广阔应用前景的蓝牙低功耗解决方案。CC2540相比其蓝牙芯片有着独特的特性及优势1真正意义上的片上系统，显著降低成本和物理尺寸。2支持固件升级，可在片上存储数据，不断地提高灵活性。3具有基本的软件、协议栈以及完整的解决方案。4功耗极低，不但可以延长电池的使用寿命，而且还可以使用纽扣电池或者碱性电池。43CC2540电路设计431CC2540最小系统CC2540芯片是一款真正的片上系统，只需要很少的外设系统就可以正常工作，该系统的最小系统图如图42所示CC2540的最小系统由五部分组成两个晶振输入源、一个复
38、位电路、一个供电电路和一个天线系统。最小系统图中其他元件的功能与相应取值如表43所示。射频部分射频的输入输出引脚是RFP和RFN，为高阻抗差分式，内部有发射/接收开关，用于电路的切换，这种切换大约需要150微秒，系统采用单极天线，为了获得较好的通信性能，需要使用不平衡转换器，同时提供50欧姆的16匹配阻抗。巴伦匹配电路的作用是不平衡转换器，将单极天线接收到的信号变为双路的差分信号，以便维持天线的辐射效率，接上滤波电路和单端天线，形成一个射频收发机。天线可以使用PCB天线，如螺旋天线或者倒F天线，也可以使用SMA天线，可根据不同的应用来选择。天线及巴伦电路设计如图44所示。432晶振电路设计CC
39、2540需要2个大小为32MHZ和32768K的晶振，晶振电路如图45所示。特别注意的是如果不需要休眠，32768K外部晶振可以不用。433电源电路设计本次使用的开发板所使用的USB转串口的USB供电如46图所示。除了USB供电，还可以外接纽扣电池供电（排针P8），其供电接口电路如图47所示434LED电路设计本文开发板有4个不同颜色的LED，分别在电路板上，是D1D4，其中D4是与按键S1公用的，如图48所示。435五向按键电路设计几乎每个协议栈的DEMO都会用到五向按键，所以五向按键对于项目开发很重要。五向按键的原理很简单当按键按下时首先产生一个高电平，触发一个GPIO中断，然后通过放大器
40、输出不同的电压值，当CC2540收到中断请求,就开始读五向按键的电压值，五个方向所输出的电压值不同，这样就实现了分类。有关电路图如图49所示。17436串口电路设计开发板采用PL2303芯片将UART直接转USB，现在电脑上RS232接口用的比较少，采用USB接口，方便笔记本等无串口电脑使用。USB转串口使用注意事项当使用USB转串口为开发板供电，如果PC端有软件打开了开发板虚拟出来的串口时，不能直接拔掉USB线或者直接关闭开发板电源开关，需要先关闭PC上已经打开的虚拟串口，然后在断开开发板，否则会造成PC上程序异常或死机（尤其适用串口调试助手，务必先关闭已打开的串口）开发阶段若需要重启，直接
41、按RESET按键即可复位芯片。电路设计如图410所示。图42CC2540最小系统18表43最小系统的元件取值元器件属性值元器件属性值C22132KHZ晶振负载电容12PFL252RF匹配网络部分LNHC23132KHZ晶振负载电容12PFL253RF匹配网络部分3NHC251RF匹配网络部分18PFL261RF匹配网络部分2NHC252RF匹配网络部分1PFC32132KHZ晶振负载电容15PFC253RF匹配网络部分1PFC32332KHZ晶振负载电容15PFC261RF匹配网络部分18PFC401内部数字稳压器的去藕电容1UFC262RF匹配网络部分1PFR301内部偏置电阻56KL251
42、RF匹配网络部分2NH图44天线及巴伦电路设计图19图45晶振电路图46电源USB供电图47电源纽扣电池20图48LED灯图49五向按键电路21图410USB转串口电路437开发板扩展接口电路设计开发板将CC2540的GPIO全部通过254间距的双排针引出。接口电路如图411所示。22图411扩展接口电路438复位电路设计CC2540内部已经集成了上电复位电路，由于在调试程序时，如果直接断电会导致单片机板和电脑异常，因此我们在单片机板子上加了一个实体复位按键，可以在进行程序调试时正常的让系统复位。复位电路图如图412所示。图412复位电路439DEBUGGER接口设计本文所使用的开发板是标准的
43、CC调试器接口，此处将DEBUGGER接口的9脚和2脚短接。CCDEBUGGER的9脚可以对外提供33V、500MA，而第2脚是CCDEBUGGER用来检测目标板的工作电压，以将DEBUGGER接口的信号适配到开发板的工作电压，所以，如果没有给2脚提供合适的电压，CCDEBUGGER将无法识别到芯片。23如图413中所示，简单地短接了调试接口的2和9脚。图413调试接口电路44传感节点设计441温度传感器模块DS18B20是DALLAS公司生产的一种数字温度传感器，只有3个引脚，它最大的特点就是“一线器件”，即采用一条线连接微处理器，就能够实现传感器与单片机的双向通讯，使用方便。在使用时无需接
44、任何的外围电路，测量范围较宽，从55摄氏度到125摄氏度都可以精确测量，精度可达到050C，抗干扰能力强，经济性好，同时供电方式多样，既可以通过外部供电，也可以通过内部寄生电路从数据线供电，只要满足一定的时序要求，可靠性较好。但值得注意的是，在连接电路时如果将传感器的正负极插反的话，温度计会特别烫，甚至达到85度左右。其电路图以及实物图分别如图414，415,416所示。DS18B20的内部结构如图所示，主要包括4个部分非挥发的温度报警触发器TH和TL,64位的ROM,温度传感器和配置寄存器。24图414温度传感器内部框图图415温度传感器电路图图416温度传感器实物图如图415所示，其中，D
45、Q为数字信号输入输出端，GND为电源地，VCC为外接供电电源输入端。442心电传感器模块心电属于生物电，心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，随着生物电的变化，无数心肌细胞动作电位变化的总和可以传导并反映到体表。在体表多点之间存在着电位差，这些生物电的变化称为心电。BMD101芯片是一款面积为3MM3MM的极小的芯片，能准确检测及处理25生物信号的单芯片解决方案，该芯片是由神念科技推出的第三代生物信号检测处理设备，该芯片具有强大的数字信号处理能力，能够检测微伏到毫伏范围内的生物信号。它的特点是系统噪声较低，具有16位高精度ADC模拟数字转换器，将信号准确地转化成数字信号，同时模拟
46、前端有一个检测感应脱落的电路，被广泛应用在卫生保健中心/临床心电检测和分析、移动心电监测和专家系统、便携式心率监测、长期护理中，其应用电路图和实物图如图419和图420所示。其内部框图如图417所示，主要包括模拟部分、数字部分以及管理部分三个部分。图417心电传感器内部框图芯片的外围设计的各元器件的大小如表418所示表418元器件描述表元器件描述属性L1LOUH组成滤波器元器件C1,C2LOUF组成滤波器元器件D1,D2无ESD二极管R3,C31K欧姆LOUF外部高通滤波器26图419心电传感器与CC2540连接图图420心电传感器实物图275ANDROID简介和环境搭建51ANDROID简介
47、ANDROID是一种基于LINUX的自由及开放源代码的操作系统，主要使用于移动设备，如智能手机和平板电脑，由GOOGLE公司和开放手机联盟领导及开发。尚未有统一中文名称，中国大陆地区较多人使用“安卓”或“安致”。ANDROID操作系统最初由ANDYRUBIN开发，主要支持手机。2005年8月由GOOGLE收购注资。2007年11月，GOOGLE与84家硬件制造商、软件开发商及电信营运商组建开放手机联盟共同研发改良ANDROID系统。随后GOOGLE以APACHE开源许可证的授权方式，发布了ANDROID的源代码。第一部ANDROID智能手机发布于2008年10月。ANDROID逐渐扩展到平板电
48、脑及其他领域上，如电视、数码相机、游戏机等。2011年第一季度，ANDROID在全球的市场份额首次超过塞班系统，跃居全球第一。2013年的第四季度，ANDROID平台手机的全球市场份额已经达到781。2013年09月24日谷歌开发的操作系统ANDROID在迎来了5岁生日，全世界采用这款系统的设备数量已经达到10亿台。52客户端界面设计及响应操作在华为P7手机上，先打开设计好的APP客户端，首先进入系统用户登录界面如图51，用户可以登录自己的帐号。用户登录完成后，手机自动开启蓝牙开关，再点击CONNECT键扫描CC2540设备并与之完成配对确认CC2540已经进入广播模式，配对之后即可进行体温的
49、实时监测了如图52、图53所示。当温度处于正常人体温度是，显示正常。当温度低于32度时系统会提示异常。28图51用户登录界面图52手机获取体温数据29图53体温不正常报警306总结与展望61总结本文设计了体温、心率采集和蓝牙40低功耗传输的硬件设备，并开发了相应的ANDROID客户端，建立在华为P7手机上进行了真机测试。本文主要完成了以下工作1完成了监护终端节点的设计体温采集芯片DS18B20外围电路、心率采集芯片PULSESENSOR外围电路、CC2540低功耗蓝牙40处理器外围电路、24GHZPCB天线，实现了体温、心率数据的采集。2完成了CC2540软件设计。其中OSAL系统主要完成SPI数据读取工作与蓝牙40协议栈的事件处理，利用OSAL的事件驱动机制实现蓝牙通信工作与传感器数据采集多任务调度。3完成ANDROID客户端的开发。设计了比较完整的ANDRIODAPP程序，并将生理数据处理重写为客户端上的JAVA语言。62展望本文基本上搭建了一个基于ANDRIOD智能手机的无线医疗监护系统平台，取得了一定的成效，但系统在有一些方面还需要继续改进1目前所开发的APP客户端只是将用户单一的生理数据结果上传到手机客户端进行显示，还未经过一些算法将一段时间内的均衡的数据进行整理，这样处理之后的数据更具有参考性和可靠性。2手机上的界面设计可进一步提高视觉效果和提供更
