脉搏携带着丰富的生理、生化和病理信息，具有重要的生理参考、医学诊断和研究价值。目前，脉搏信息已被广泛地应用于心血管系统疾病监测、睡眠质量评估、疲劳程度监测及运动机能水平监测等与人类生活息息相关的领域[1-3]。现有的脉搏采集系统主要存在设备价格昂贵、功耗大、体积大、灵活性差、采用有线传输方式及不易扩展等问题，不能方便地实现对人体脉搏信息实时、不间断的测量。因此，本文提出采用集微处理器和RF功能于一体的SOC芯片CC2530作为脉搏感知节点的主控芯片，实现对节点的能量管理和任务调度。

1 感知节点硬件设计
1.1 硬件结构
    考虑到节点的升级、扩展等问题，节点硬件采用模块化设计方案。节点硬件结构由处理器模块、传感器模块、无线通信模块和电源模块四部分构成，其具体结构如图1所示。处理器模块负责对整个节点进行控制和管理；传感器模块负责采集脉搏信息并做一定的数据转换；无线通信模块负责节点之间按一定的通信协议相互通信；电源模块负责为节点供电，提供各部分运行所需的电量。

1.2 硬件具体设计
1.2.1 处理器模块设计
    在充分考虑处理芯片的体积、计算能力、功耗情况、存储空间、集成度、成本及开发环境等因素的情况下，本设计采用TI公司的CC2530作为控制芯片。CC2530集成了微处理器、存储器和射频模块，是一个SoC片上解决方案。它具有高集成度、低功耗、小体积、低成本、外围电路简单以及接口丰富等特点；支持点对点、点对多点、多点对多点无线网络数据传输；可外接多种传感器用于无线数据采集。CC2530的外围电路如图2所示。CC2530选用两个晶振确保电路正常工作，XTAL1是32 kHz的主晶振；XTAL2是32.768 kHz的可选晶振，用于低睡眠电流消耗和精确唤醒时间的应用[4]。部分外部元件取值表如表1所示。

1.2.2 无线通信模块设计
    无线通信模块设计需考虑通信协议、数据传输速率、调制方式、通信频段、接收灵敏度、收发功率、省电模式、外围电路是否简单、与处理器的接口等因素。使用单极子不平衡天线，配合由分立电感、电容(C252、L252、C262、L261)组成的输入/输出匹配电路，满足阻抗为50 Ω的天线的匹配要求，达到芯片的最优性能。
1.2.3 传感器模块设计
    脉搏传感器是脉搏感知节点的重要组成部分，其稳定性和精度决定了脉搏信息的准确性和有效性。在综合考虑脉搏传感器的工作原理、灵敏度、体积、成本等因素的基础上，本设计采用HKB-2000型集成化脉搏传感器。它是一种集成度高、软接触式的无创型脉搏传感器，将PVDF压电膜、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调理电路集成在传感器内。该传感器采用压电式原理采集信号，输出完整的脉搏模拟电压信号，具有灵敏度高、成本低、抗干扰能力强、性能稳定、使用寿命长等优点，非常适合用于脉搏的无创检测中[5]。
1.2.4 电源模块设计[6]
    出于对传感器节点电气安全性和便携性的考虑，本设计采用2节1.5 V蓄电池供电。考虑到处理器芯片和传感器工作电压范围，采用美国MAXIM公司推出的MAX756高集成度电源管理芯片，以解决传统开关电源设计电路复杂、体积庞大、自身功耗较大的问题。MAX756具有外围电路简单、转换效率高、功耗低、工作电压范围广等特点，且具有电池低压检测功能，可方便地提供5 V(HK-2000B型脉搏传感器典型工作电压)和3.3 V(CC2530芯片典型工作电压)电压供节点正常工作。MAX756典型的工作电路图如图3所示。

2.1 软件平台[7]
    TinyOS是专为无线传感器网络设计的操作系统。它采用组件的架构方式、轻量级线程技术、事件驱动机制、主动消息通信模式和两级任务调度方式的设计思想，满足了并发处理的要求，提高了节点的资源利用效率。TinyOS环境下的编程语言为NesC，NesC是对C语言的扩展，扩展的目的是将C的模块化思想与TinyOS的事件驱动机制结合起来。限于篇幅，本文主要介绍脉搏采集处理和无线发送子程序的设计。
2.2 脉搏采集处理子程序
    脉搏采集处理程序主要负责脉搏信号的采集和QRS检测。模块上电后进行初始化操作，启动A/D，进行A/D转换；定时到后，读取数据，进行QRS检测，并将结果打包发送。具体程序流程如图5所示。

2.3 无线发送子程序
    复合感知节点采用CC2530作为处理器芯片，其集成了CC2520作为射频RF模块。CC2520中RAM有768 B，其中有128 B的发送FIFO缓存区和128 B的接收FIFO缓存区。在发送数据之前，需进行数据帧格式检验和空闲信道侦听。具体流程如图6所示。
3 感知节点功耗测试
    节点的使用寿命是脉搏感知节点考虑的关键问题。本文在完成感知节点设计的基础上，对脉搏感知节点的功耗进行了初步估算。由于节点的生命周期和各个状态的功耗密切相关，因此通过对感知节点各个状态的功耗进行估算来计算单个节点的生命周期。由于CC2520接收和发送信息的过程比较复杂，在不同的网络拓扑结构以及不同的信息负载时有着不同的工作时间和电量消耗，因此只能对节点功耗进行估算，如表2所示。
    由表2可以计算出节点各部分1小时的功耗电流。处理器1小时的功耗电流：6.5 mA×0.01+10×0.001 mA×0.99=0.074 9 mA；CC2520射频部分1小时的功耗电流：14 mA×0.007 5+16 mA×0.002 5+20×0.001 mA×0.99=0.164 8 mA；脉搏传感器板1小时的功耗电流：5 mA×0.01+5×0.001 mA×0.99=0.050 99 mA；节点总的功耗电流：0.074 9 mA+0.164 8 mA+0.050 99 mA=0.290 69 mA。以3 V电池2 000 mAH的存储电量为例，则系统连续运行时间为286天(2 000 mA/(0.290 69 mA×24天))。

    本文设计的脉搏感知节点采用集微处理器和RF芯片于一体的CC2530作为主控芯片，控制脉搏信号的采集、处理和发送操作，实现功耗管理和任务管理。试验结果表明，感知节点具有功耗低、精度高、实时性强、稳定可靠、体积小、灵活性高和扩展性强的特点。该脉搏感知节点可广泛地适用于家庭医疗护理、睡眠质量评估、远程医疗监控、疲劳监测、运动负荷监控及运动机能判定等领域中的脉搏信号实时监测，有广阔的应用前景。
参考文献
[1] 张爱华，赵治月，杨华.基于心电脉搏特征的视觉疲劳状态识别[J].计算机工程，2011，37(7)：279-280.
[2] 李骥，肖立萍.将RPE作为体育课运动负荷监控指标的理论探讨[J].运动，2011(12)：132-133.
[3] 张俊涛，高明星，张开生.嵌入式睡眠监测系统的设计与实现[J].计算机测量与控制，2011，19(10)：2394-2396.
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[6] 李亭亭.运动员生理信号的采集和数据分析系统的研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2008.
[7] 李罗，杨永明，徐志，等.基于TinyOS 2.X的无线传感器网络通信程序开发[J].传感器与微系统，2010，29(7)：87-89.