脈搏攜帶著豐富的生理、生化和病理信息，具有重要的生理參考、醫學診斷和研究價值。目前，脈搏信息已被廣泛地應用于心血管系統疾病監測、睡眠質量評估、疲勞程度監測及運動機能水平監測等與人類生活息息相關的領域[1-3]。現有的脈搏采集系統主要存在設備價格昂貴、功耗大、體積大、靈活性差、采用有線傳輸方式及不易擴展等問題，不能方便地實現對人體脈搏信息實時、不間斷的測量。因此，本文提出采用集微處理器和RF功能于一體的SOC芯片CC2530作為脈搏感知節點的主控芯片，實現對節點的能量管理和任務調度。

1 感知節點硬件設計
1.1 硬件結構
    考慮到節點的升級、擴展等問題，節點硬件采用模塊化設計方案。節點硬件結構由處理器模塊、傳感器模塊、無線通信模塊和電源模塊四部分構成，其具體結構如圖1所示。處理器模塊負責對整個節點進行控制和管理；傳感器模塊負責采集脈搏信息并做一定的數據轉換；無線通信模塊負責節點之間按一定的通信協議相互通信；電源模塊負責為節點供電，提供各部分運行所需的電量。

1.2 硬件具體設計
1.2.1 處理器模塊設計
    在充分考慮處理芯片的體積、計算能力、功耗情況、存儲空間、集成度、成本及開發環境等因素的情況下，本設計采用TI公司的CC2530作為控制芯片。CC2530集成了微處理器、存儲器和射頻模塊，是一個SoC片上解決方案。它具有高集成度、低功耗、小體積、低成本、外圍電路簡單以及接口豐富等特點；支持點對點、點對多點、多點對多點無線網絡數據傳輸；可外接多種傳感器用于無線數據采集。CC2530的外圍電路如圖2所示。CC2530選用兩個晶振確保電路正常工作，XTAL1是32 kHz的主晶振；XTAL2是32.768 kHz的可選晶振，用于低睡眠電流消耗和精確喚醒時間的應用[4]。部分外部元件取值表如表1所示。

1.2.2 無線通信模塊設計
    無線通信模塊設計需考慮通信協議、數據傳輸速率、調制方式、通信頻段、接收靈敏度、收發功率、省電模式、外圍電路是否簡單、與處理器的接口等因素。使用單極子不平衡天線，配合由分立電感、電容(C252、L252、C262、L261)組成的輸入/輸出匹配電路，滿足阻抗為50 Ω的天線的匹配要求，達到芯片的最優性能。
1.2.3 傳感器模塊設計
    脈搏傳感器是脈搏感知節點的重要組成部分，其穩定性和精度決定了脈搏信息的準確性和有效性。在綜合考慮脈搏傳感器的工作原理、靈敏度、體積、成本等因素的基礎上，本設計采用HKB-2000型集成化脈搏傳感器。它是一種集成度高、軟接觸式的無創型脈搏傳感器，將PVDF壓電膜、靈敏度溫度補償元件、感溫元件、信號調理電路集成在傳感器內。該傳感器采用壓電式原理采集信號，輸出完整的脈搏模擬電壓信號，具有靈敏度高、成本低、抗干擾能力強、性能穩定、使用壽命長等優點，非常適合用于脈搏的無創檢測中[5]。
1.2.4 電源模塊設計[6]
    出于對傳感器節點電氣安全性和便攜性的考慮，本設計采用2節1.5 V蓄電池供電。考慮到處理器芯片和傳感器工作電壓范圍，采用美國MAXIM公司推出的MAX756高集成度電源管理芯片，以解決傳統開關電源設計電路復雜、體積龐大、自身功耗較大的問題。MAX756具有外圍電路簡單、轉換效率高、功耗低、工作電壓范圍廣等特點，且具有電池低壓檢測功能，可方便地提供5 V(HK-2000B型脈搏傳感器典型工作電壓)和3.3 V(CC2530芯片典型工作電壓)電壓供節點正常工作。MAX756典型的工作電路圖如圖3所示。

2.1 軟件平臺[7]
    TinyOS是專為無線傳感器網絡設計的操作系統。它采用組件的架構方式、輕量級線程技術、事件驅動機制、主動消息通信模式和兩級任務調度方式的設計思想，滿足了并發處理的要求，提高了節點的資源利用效率。TinyOS環境下的編程語言為NesC，NesC是對C語言的擴展，擴展的目的是將C的模塊化思想與TinyOS的事件驅動機制結合起來。限于篇幅，本文主要介紹脈搏采集處理和無線發送子程序的設計。
2.2 脈搏采集處理子程序
    脈搏采集處理程序主要負責脈搏信號的采集和QRS檢測。模塊上電后進行初始化操作，啟動A/D，進行A/D轉換；定時到后，讀取數據，進行QRS檢測，并將結果打包發送。具體程序流程如圖5所示。

2.3 無線發送子程序
    復合感知節點采用CC2530作為處理器芯片，其集成了CC2520作為射頻RF模塊。CC2520中RAM有768 B，其中有128 B的發送FIFO緩存區和128 B的接收FIFO緩存區。在發送數據之前，需進行數據幀格式檢驗和空閑信道偵聽。具體流程如圖6所示。
3 感知節點功耗測試
    節點的使用壽命是脈搏感知節點考慮的關鍵問題。本文在完成感知節點設計的基礎上，對脈搏感知節點的功耗進行了初步估算。由于節點的生命周期和各個狀態的功耗密切相關，因此通過對感知節點各個狀態的功耗進行估算來計算單個節點的生命周期。由于CC2520接收和發送信息的過程比較復雜，在不同的網絡拓撲結構以及不同的信息負載時有著不同的工作時間和電量消耗，因此只能對節點功耗進行估算，如表2所示。
    由表2可以計算出節點各部分1小時的功耗電流。處理器1小時的功耗電流：6.5 mA×0.01+10×0.001 mA×0.99=0.074 9 mA；CC2520射頻部分1小時的功耗電流：14 mA×0.007 5+16 mA×0.002 5+20×0.001 mA×0.99=0.164 8 mA；脈搏傳感器板1小時的功耗電流：5 mA×0.01+5×0.001 mA×0.99=0.050 99 mA；節點總的功耗電流：0.074 9 mA+0.164 8 mA+0.050 99 mA=0.290 69 mA。以3 V電池2 000 mAH的存儲電量為例，則系統連續運行時間為286天(2 000 mA/(0.290 69 mA×24天))。

    本文設計的脈搏感知節點采用集微處理器和RF芯片于一體的CC2530作為主控芯片，控制脈搏信號的采集、處理和發送操作，實現功耗管理和任務管理。試驗結果表明，感知節點具有功耗低、精度高、實時性強、穩定可靠、體積小、靈活性高和擴展性強的特點。該脈搏感知節點可廣泛地適用于家庭醫療護理、睡眠質量評估、遠程醫療監控、疲勞監測、運動負荷監控及運動機能判定等領域中的脈搏信號實時監測，有廣闊的應用前景。
參考文獻
[1] 張愛華，趙治月，楊華.基于心電脈搏特征的視覺疲勞狀態識別[J].計算機工程，2011，37(7)：279-280.
[2] 李驥，肖立萍.將RPE作為體育課運動負荷監控指標的理論探討[J].運動，2011(12)：132-133.
[3] 張俊濤，高明星，張開生.嵌入式睡眠監測系統的設計與實現[J].計算機測量與控制，2011，19(10)：2394-2396.
[4] 李新.基于CC2530的Zigbee網絡節點設計[J].PL&FA，2011(3)：97-99.
[5] 郭世富，馬樹元，吳平東，等.基于ZigBee無線傳感器網絡的脈搏信號測試系統[J].計算機應用研究，2007，24(4)：258-260.
[6] 李亭亭.運動員生理信號的采集和數據分析系統的研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2008.
[7] 李羅，楊永明，徐志，等.基于TinyOS 2.X的無線傳感器網絡通信程序開發[J].傳感器與微系統，2010，29(7)：87-89.