基于射頻技術的人體生理數據采集系統設計與研究

摘 要：對以nRF24E1射頻芯片為核心的人體生理壓力、溫度、濕度參數的數據采集系統進行研究。為了精確測量人體的壓力、溫度、濕度系統精心設計了其數據采集部分的硬件電路，并且通過無線射頻收發芯片對采集到的數據進行無線收發，避免信號線長距離傳輸容易產生的干擾。同時開發了相應的軟件系統。

關鍵詞：射頻技術；生理數據；單總線傳感器；無線通信

中圖分類號：TN72 文獻標識碼：A 文章編號：1004-373X(2008)02-019-03

Design and Research of Human Physiological Data Acquisition System Based on RF Technology

RUAN Yuying，XU Jun

(Apparel and Art Design College，Xi′an Polytechnic University，Xi′an，710048，China)

Abstract：NRF24E1 right to the core of radio-frequency chips in human physiological pressure，temperature，humidity parameters of the data acquisition system are studied.In order to accurately measure the body temperature，pressure and humidity are carefully designed its part of the data acquisition hardware circuit，through the wireless RF transceiver chip for the data collection for wireless transceiver，the signal line to avoid long-distance transmission easy interference.Coupled with the development of corresponding software.

Keywords：RF technology;physiological data;single bus sensor;wireless communication

在服裝舒適性研究領域，人體生理參數的精確采集對研究人員設計服裝款式、選取合適服裝材料和服裝面料的設計與開發至關重要，服裝舒適性研究領域中以服裝對人體的壓力、溫度、濕度這3方面參數為典型代表。在實現無線通訊的硬件電路部分，本文選取的nRF24E1是北歐集成電路公司(NORDIC)推出的一款帶2.4 GHz無線收發器nRF2401和增強型8051內核的無線收發模塊。nRF24E1適用于各種無線設備的短距離互連應用場合，其工作于ISM(工業、科學和醫學)頻段。該器件有125個頻點，能夠實現點對點、點對多點的無線通信，同時可采用改頻和跳頻來避免干擾。nRF24E1 最大傳輸速率可達1 Mb/s，其最大發射功率為0 dBm，在比較理想環境中，其室內傳輸距離可達30～40 m，室外傳輸距離可達100～200 m。壓力傳感器采用NPC1210高精度壓力傳感器，壓力傳感器輸出的是0～75 mV微弱電壓信號。傳感器的輸出信號經雙絞屏蔽線傳出，送入放大器進行放大。

溫度傳感器采用美國DALLAS半導體公司推出的應用單總線技術的數字溫度傳感器DS18B20。因為他是數字輸出，而且只占用一個I/O端口，所以他特別適合于微處理器控制的各種溫度測控系統，避免了模擬溫度傳感器與微處理器接口時需要的A/D轉換和較復雜的外圍電路。縮小了系統的體積，提高了系統的可靠性。濕度傳感器采用法國Humirel公司于2002年推出的一種基于硬質封裝的HS1101濕敏電容電壓輸出式集成濕度傳感器HM1500。線性電壓輸出式集成濕度傳感器HM1500的主要特點是采用恒壓供電，內置放大電路，能輸出與相對濕度呈比例關系的伏特級電壓信號，響應速度快、重復性好、抗污染能力強。

1 系統硬件設計

整個硬件以無線射頻收發芯片nRF24E1為核心，包括壓力傳感器，壓力信號放大及濾波電路，A/D轉換器，溫度傳感器，濕度傳感器，存儲器，接口及顯示器組成。

系統的硬件電路部分主要由參數采集部分和接口上傳部分組成。其中參數采集部分由射頻無線收發電路，壓力、溫度和濕度參數采集電路組成；接口上傳部分由接口上傳電路和顯示電路組成。

1.1 參數采集部分

本電路設計主要是采集人體壓力、溫度和濕度參數。其中壓力傳感器NPC1210高精度為模擬信號須經過放大后進行A/D轉換；溫度傳感器DS18B20采用1-wire單總線技術的數字信號傳感器采集人體生理參數；濕度傳感器內置放大電路，能輸出與相對濕度呈比例關系的伏特級電壓信號。

1.1.1 射頻收發芯片主電路

由于硬件電路設計要求PCB板越小越好，若使用電池則有持續時間短、占用面積大和易震動脫落等缺點。nRF24引電源電壓是1.9~3.6 V，且功耗很低。MAX 2323及串口E2PROM25AA32O均可工作在3.0 V。因此在該設計中收發主電路由電池供電較為理想，采用了從串口取電源作為整個電路的供電系統。

1.1.2 壓力傳感器A/D信號轉換電路

壓力傳感器輸出模擬信號，所以需要對其進行A/D轉換，轉換主要是通過AT89S51單片機與ADC0809模數轉換器來實現。

AT89S51內部的硬件資源在很多應用場合不需要外擴RAM或I/O口。例如4 kB閃存，128 B內部RAM，1個串行口和4個8位并行口等，這已經夠用。

當51單片機沒有外擴RAM和I/O口時，他是惟一的，沒有地址編號，也就不需要任何地址線或者地址譯碼線。只要單片機往外部RAM寫入，就是寫到ADC0809的地址寄存器中。所以ADC0809就可以在概念上作為一個特殊惟一的外擴RAM單元 。只要單片機從外部RAM讀取數據，就是讀取ADC0809的轉換結果。

1.2 接口上傳部分

由于nRF24E1芯片的外部接口資源非常有限，本系統選用串行接口的鍵盤顯示模塊。串行顯示方式占用硬件資源少，僅數據鎖存控制端、時鐘端、數據端3個端口需要接到單片機的I/O引腳上，顯示刷新速度較比行顯示方式慢。

2 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括系統軟件流程圖設計和系統軟件程序設計2大部分。

2.1 系統軟件流程圖

本系統軟件按照模塊化設計思想編寫，包括參數采集程序流程圖和接口上傳程序流程圖2大部分。還包括一些定時中斷程序和相應的功能子程序組成。主程序完成微處理器的初始化工作，并將定時中斷程序和各種功能子程序的統一協調在一起，主程序流程圖如圖2、圖3所示。

2.2 系統軟件程序設計

系統軟件程序設計包括主程序的設計和各子程序的設計，以無線收發主芯片應用程序的主要功能函數簡要介紹其功能。無線收發主芯片nRF24E1具有增強型8051內核，利用C51可編出高效優質的代碼的優點，所以用Keil C51開發nRF24E1。

(1) 初始化程序

void Init(void){

//配置I/O口

P0-ALT=0x06；[JY]//P0.1為RXD，P0.2為TXD

P0-DIR=0x09；[JY]//P0.0和P0.3設為輸入

P1-DIR=0x03；[JY]//P1.0和P1.1設為輸入

PWR-UP=1；[JY]//開Radio，讀時不用，寫時為電源

SPICLK=0；[JY]//SPI時鐘為XTAL/8

SPI-CTRL=0x02；[JY]//把SPI與收發通道1(CH1)相連

//串口通訊初始化

[JP2]TH1=0x0F3；[JY]//晶振為16 MHz，波特率為19 200(當T1M=1且SMOD=1時)[JP]

CKCON|=0x10；[JY]//T1M=1(計數器時鐘為CPU時鐘的1/4)

PCON=0x80；[JY]//SMOD=1(雙倍波特率)

SCON=0x52；[JY]//采用串口模式1，使能接收器

TMOD=0x20；[JY]//使用計數器1，8位計數值自動重載

TCON=0x40；[JY]//啟動計數器}

(2) 接收器配置函數

void Init-Receiver(void){

unsigned char b；

CS=1；[JY]//打開配置方式

Delay100us(0)；

for(b=0；b

{

SpiReadWrite(rconf.buf［b］)；[JY]//發送接收器配置字

}

CS=0；[JY]//關配置方式CE=1；//使能收發功能}



(3) 接收函數



void Receiver(void){

unsigned char b；

CS=1；[JY]//打開配置模式[LL]

Delay100us(0)；

for(b=0；b

SpiReadWrite(rconf.buf［b］)；[JY]//發送接收器配置字

}

CS=0；[JY]//關配置模式

for(；；){

b=ReceivePacket()；[JY]//接收數據包

PutChar(b)；[JY]//串口通信函數，將接收到的數據通過串口傳送

}

}

程序除了以上函數外，還有發送函數、串口通訊函數、讀A/D轉換結果函數、接收包處理函數和發送包處理函數等。

3 結 語

本電路設計簡單，易于實現。采集到的人體生理參數精確、可靠。1 Mb/s完全滿足一般無線傳輸的要求。無線傳輸可方便地實現在特殊環境下對人體生理參數的采集工作，不僅對于服裝舒適性研究提供了很大的方便，也為醫療領域對病人的監護具有良好效果。本系統還可連接PC機開發相應的軟件控制系統，可更快捷、直觀地了解人體生理參數。

參 考 文 獻

［1］Nordic VLSI ASA Inc.433/868/915 MHz RF Transceiverwith Embedded 8051 Compatible Microcontroller and 4 Input，10 b ADC.2004.

［2］Nordic VLSI ASA Inc.2.4 CHz RF Transceiver with Embedded 8051 Compatible Microcontroller and 9 Input，10 b ADC.2005.

［3］[JP2]Nordic VLSI ASA.nRF24E1 2.4 GHz Radio Transceiver with Microcontroller.Preliminary Product Specification，2003.[JP]

［4］[JP2]Dallas Semiconductor Corporation.DS18B20 Programmable Resolution 1 Wire Digital Thermometer.ProductDatasheet，2002.[JP]

［5］Humirel.Relative Humidity Module HM1500.Technical Specification，2005.

［6］趙亮.單片機C語言編程與實例\\[M\\].北京:人民郵電出版社，2003.

［7］高廓，田小建，田寧君.基于nRF24E1的多點無線溫濕度測量系統［J］.現代電子技術，2005，28(22):116-117.［8］謝光前，殷凱.基于nRF24E1無線耳機的設計［J］.福建電腦，2006(7):113-114.

［9］Robert Cravotta.32位微處理器致力于8位應用［J］.電子設計技術，2005，12(5):56-57.

［10］李朝青.單片機原理及接口技術［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2004.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。