吴睿1，白亚莉2，张光然1
沈阳城市建设学院，沈阳 110167；2.北京师范大学沈阳附属学校，沈阳 110167 ）
摘要：面向中小学生设计一种无线传感器监测系统教具，该教具集中了感知、嵌入式计算、分布式信息处理和无线通信等技术，形成了一种全新的信息获取和处理模式。该教具能测量到体温、心电信号等健康数据。使用者可以在基础模块上组装其他拓展模块实现不同的功能，程序简短易懂，便于初学者掌握基础编程能力。
关键词：教具设计；Zigbee技术；监测系统
随着人工智能的兴起，我国开始注重少儿软件编程、硬件设计教育对青少儿综合能力的培养。青少年的软硬件教学正加快进入公共教育领域。该教具能够培养学生的创造力、团队协作能力和逻辑思维能力，是实施软硬件教育的良好载体。为此设计一款面向中小学生或其他零基础软硬件爱好者的教具，利通过传感器来感知老年人心电信号体温等的变化，根据单臂相关信号的变化与健康人体机能指标进行对比，对老年人身体健康情况做出准确判断，当老年人的身体指标高于或者低于健康指标一定范围时，会通过定位报警装置。
1 系统整体方案研究
1.1系统方案总体构建
随着通信技术、信息技术的飞速发展，很多领域要求建立无线监控网络[1]。针对人体健康指标无线监测系统的实际应用，本文设计了基于STM32处理器的ZigBee无线传感监测网络的网关平台，通过将ZigBee数据包转换为以太网的TCP/IP数据包，实现了数据在两种网络间的传输。系统结构图如图1.1所示。
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综合信息网关在ZigBee无线网络中以协调器的形式存在，由全功能设备FFD 构成。它负责ZigBee无线传感器网络的建立，存储整个网络的节点信息，并分配地址给新加入的节点设备。
1.2 STM32嵌入式以太网网关设计
系统的网关平台是以内部集成以太网MAC的STM32微处理器STM32F103RBT6为核心，以太网控制芯片ENC28J60，网口变压器H1102NC，存储器SD卡和显示模块等模块组成。结构如图1.2所示。
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2 ZigBee协调器的硬件设计
2.1元件设计
（1）晶振设计：CC2430工作需要两个时钟晶振，第一个为32MHz，为无线收发提供时钟；第二个为32.068KHz，为睡眠模式提供时钟[2]。C191和C211为32MHz晶振的负载电容，电容值取决于负载电容的大小[3]，CL=I／(1／C191+1／C211)+Cf，其中CL典型值为16pF，C伪2～5pF，保证晶体振荡器的产生频率的准确和稳定。所以C19l和C211的典型值为27pF。不平衡变压器由电容C341和电感L341、L33l、L321以及PCB微波传输线组成[2]，如图2.1所示。
（2）偏置电阻设计：R261为电流基准发生器的精密电阻[2],其值为43K欧姆。
（3）不平衡变压器：由电容C341和电感L341、L33l、L321以及PCB微波传输线组成，整个结构满足RF输入／输出阻抗匹配(50Q)的要求[4]。
（4）电源的去耦：如去耦电容C421用于电源滤波，以提高芯片工作的稳定性。
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2.2电源模块设计
电源模块采用的是低功耗电源芯片LP2985，通常用于电池供电的场合，能够保证150mA的输出电流，极低的漏电压，输出电压精度为0.01V。输入电压范围为4—10V，输出电压范围2.5—5V。实际应用中选用LP2985-3.3V稳压芯片，电路图见下图2.2。
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2.3调试接口电路设计
在协调器节点电路板上有十芯的下载器接口电路，用于下载程序调试，其中Pin3和Pin4是下载线，Pin1为PWR（3.3V电源），Pin2为GND（接地）,Pin8为RESET（复位）。其余接口是扩展的I/O口。描述见图2.3，对应到CC2430的接口分别为[3]：
Pin5：RXD0-CC2430 P1_5；
Pin6：RXD0-CC2430 P1_4；
Pin7：RXD0-CC2430 P1_6；
Pin9：RXD0-CC2430 P1_7；
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3软件系统设计
3.1 ZigBee协调器的工作流程
ZigBee无线传感网络协调器上电后首先对CC2430进行初始化，然后创建一个无线网络，选定一个PANID作为协调器的网络标识，创建路由表，然后对外发布广播帧，通知传感器节点可以加入该网络。当有子节点申请加入时，为每一个子节点分配地址。当需要进行数据采集时，网络协调器发出数据采集指令，之后等待接收采集到的数据，并将数据通过UART接口传送到STM32处理器，由以太网卡芯片ENC28J60负责将数据发送到以太网上，网络协调器节点软件流程如图3.1所示。
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3.3 ZigBee协调器接收无线数据
当有传感器终端节点数据通过ZigBee无线网络发送到协调器时，协调器的应用层会产生一个AF_INCOMING_MSG_CMD事件。
Case AF_INCOMING_MSG_CMD:
{App_MessageMSGCB(MSGpkt);
break;
}
该事件处理函数表示当AF_INCOMING_MSG_CMD事件发生后将调用事件处理函数App_MessageMSGCB(MSGpkt)，开始接收数据，再通过串口发送函数HalUARTWrite( )将数据发给STM32F103RBT6的串口。
3.4 ZigBee协调器发送数据到传感器节点
当主处理器STM32F103RBT6有控制命令通过串口传输给ZigBee协调器时，协调器的应用层就会产生1个APP_SEND_MSG_EVT事件。
if( event & APP_SEND_MSG_EVT)
{App_SendTheMessage( );
}
协调器将调用App_SendTheMessage( )函数将控制命令发送到相应的无线传感器节点中。
3.5 STM32嵌入式以太网网关的软件设计
网关的初始化包括对STM32处理器的初始化和对ENC28J60的配置。首先设置STM32的系统时钟和引脚输出方式，SPI总线设置为符合ENC28J60的时序要求，即采用主机模式、8位数据格式、时钟极性CPOL为低电平和时钟相位CPHA为上升沿。UART总线的波特率为115200。
对ENC28J60的初始化是由SPI总线对其的寄存器进行配置完成的，主要设置收发缓冲区的大小和起始地址，设置以太网过滤器，配置MAC层、物理层和LED指示灯等。ENC28J60发送数据的硬件底层驱动ENC28J60内的MAC控制器在发送数据时将会自动生成帧的前导符和起始定界符[5]。主控制器必须生成其它帧字段，包括报头、目的地址、源地址、数据长度和实际数据，再将它们写入发送缓冲器，等待发送。
4 结语
本文设计了一种面向中小学或初学者的软硬件教具，该教具设计了ZigBee无线传感器网络的服务器，完成了基于ZigBee网关的硬件原理设计；实现了对人体健康指标存储、管理和分析。让学生通过硬件设计、软件编写实现相关功能的过程，提高对软硬件学习的兴趣，掌握基础知识。
参考文献
[1]覃志松，黄廷磊.Zigbee无线传感器网络安全研究及改进[J].微计算机信息,2010.
[2]苏忠城,尚斐.基于无线传感器网络的心电信号监测系统[J].生命科学仪器,2009.
[3]刘岩.基于无线传感器网络的矿井安全监测系统研究[M].成都理工大学,2009.
[4]李妤薇.基于ZigBee的无线传感器网络协议研究与设计实现[J].南京邮电大学,2014.
[5]郭海琦.基于ZigBee的无线传感器网络定位算法的研究与应用[M].西南交通大学,2010.
[6]王长峰;白帆;罗儒;王柏渊;陈进军,基于ZigBee技术的病人综合信息网关设计[M].贵州大学电气工程学院.2016.04.20