崑 山 科 技 大 學

電腦與通訊系 四技部

專 題 製 作 報 告

隨身型生理訊號偵測

學生： 陳 鈺 文（4940D011）

指導老師： 劉 崇 汎 教授

中 華 民 國 九 十 八 年 四 月

目 錄

摘要................................................................................................................................ii 第一章 緒 論..............................................................................................................1

1.1 前言................................................................................................................1 1.2 動機................................................................................................................2 1.3 緣由................................................................................................................2 1.4 目的................................................................................................................3

第二章 相關研究..........................................................................................................4 2.1 相關論文的做法............................................................................................4 2.1.1 王筱涵等人之研究 [13]...........................................................................4 2.1.2 張書豪等人之研究 [10]..........................................................................5

第三章 隨身型身理訊號偵測系統架構......................................................................6 3.1 系統架構........................................................................................................6 3.2 PDA規格..........................................................................................................7 3.3 開發軟體........................................................................................................7

3.3.1 IAR 整合發展環境............................................................................7 第四章 Zigbee 晶片介紹............................................................................................8

4.1 ZigBee源起..................................................................................................8 4.1.1 可能應用與市場發展........................................................................9

4.2 晶片介紹......................................................................................................10 4.2.1 CC2430 晶片的主要特點.................................................................10 4.2.2 CC2430 晶片的主要特點如下：.....................................................11 4.2.3 CC2430 晶片的接腳功能.................................................................12 4.2.4 I/O埠線接腳功能............................................................................12 4.2.4 I/O有下面的關鍵特性：................................................................13 4.2.5 電源線接腳功能...............................................................................13 4.2.6 控制線接腳功能...............................................................................15

第五章..........................................................................................................................17 第六章 未來展望........................................................................................................21 參考文獻......................................................................................................................22

誌謝

要感謝的人多，首先特別要對我的指導老師 劉崇汎老師致上深

深的感謝，在專題課程上耐心的指導和幫助，以及資策會的幫忙並指

導，使得本專題能順利完成。再感謝系上老師的關心以及提供了寶貴

意見。

最後以本文獻給我的父母與家人，在我求學期間對我的支持與鼓

勵，並共同分享此榮耀。

摘要

因隨著無限感測的蓬勃發展，更加上國人平均壽命逐漸增長，對

自己的健康也更加重視，若能隨時注意自己的生理狀況，隨時做偵測

為自己的健康多一層把關，故將本系統設計為隨身型的生理訊號偵測

器，利用 Zigbee 把所偵測到的訊號傳送至 PDA 上。

這套系統更能運用在居家照護或保健的利器，隨時監測身體的氧

氣是否不足。尤其是有疾病的中老年患者，長期氧氣不足將導致身體

機能急劇退化。或者是用在運動員身上隨時做偵測以預防運動過度所

造成血氧濃度的不足而造成運動傷害。

第一章

緒 論

1.1 前言

隨著無線通訊技術的進步，無線感測器的相關議題也日益趨於熱

門。藉由簡單的無線通訊與運算能力，再加上低成本的特質，使得我

們更容易的這些裝置佈建在我們的實際生活環境中，這些裝置除了可

以幫我們收集相關的環境資訊，如：光、溫度、聲音、溼度、二氧化

碳…等，也可以藉由無線通訊的特質來幫助我們更加方便的控制環境

中的各種裝置。而這些無線感測器也是藉由 Sensor network 的特質可

以機動的自成網路彼此通訊。當今無線感測網路之感測器或是控制器

雖然朝著體積縮小的趨勢發展迅速，然而其功能並未因此而減弱。

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1.2 動機

隨著無線網路的蓬勃發展，加上醫療衛生的進步，現在國人的平

均壽命，逐漸成長，老年人口比例增加，又由於目前家庭大多屬於雙

薪家庭，對老年人的照護無法妥善照顧，加上醫院人手有限，有些病

患無法及時處理，近年來許多學者結合無線通訊與各種醫療感測技

術，進行居家照護及長期持續性的健康監測，此外隨身健康管理也都

需要利用到此技術，隨時收集入資料以更進一步察覺健康異常的徵

兆，在可預見的未來，個人隨身健康偵測將會是健康與醫療的第一道

防線。

1.3 緣由

目前市面上常見的直讀式生理訊號量測儀器都只能讀取量測後的

數值，而無法擁有紀錄及繪圖的功能，門診醫師也僅能知道當時的狀

況，無法得知前些時間的各種狀況，造成門診之資訊不足。

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1.4 目的

居家看護中所需要的生理訊號量測儀器與系統，體積與可架設範

圍往往受到限制。一套生理量測系統能否與後端資料傳輸有效的結

合，也是一項要考慮的問題。

個人數位助理(PDA)有輕便性、低成本、容易使用及多樣化的功能

等等特點，許多以居家看護或可攜式為目標的生理監測系統都選擇在

PDA 上來發展。由於 PDA 平台能輕易的與目前已趨成熟的無線區域網

路(WLAN)技術結合，滿足資料即時傳輸的需求。PDA 非常適合作為一

整合型生理量測系統之操控與顯示的介面。

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第二章

相關研究

2.1 相關論文的做法

目前已有許多相關研究，利用偵測血氧濃度來進行多種病症研

究，大部分所針對的病症，進行相關的研究，都需要同時利用脈動和

血氧偵測，及多項生理監測儀，記錄同一病患整晚之生理訊號，並嘗

試找出血氧濃度與病症之間的相關性。

2.1.1 王筱涵等人之研究 [13]

王筱涵等人之研究，是將以患者整夜的血氧飽和濃度，利用此生

理訊號且運用訊號處理技巧，並經由特徵萃取與人工智慧計數估測呼

吸障礙指數 RDI。

此論文是利用血氧飽和濃度來估測 RDI，並提出 mRDI 的觀念來替

代原始的 RDI，利用所提出 2個特徵變數，加上研究中常使用之特徵變

數，搭配類神經網路分類器的運用，能夠將一整晚的血氧飽和濃度，

區分 RDI 值大於 30 的重度 OSA 病症，正確率可達 91%。

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2.1.2 張書豪等人之研究 [10]

張書豪等人之研究，是使用血氧飽和度來估測呼吸障礙指數，其

中以記錄血氧飽和度為基礎，借助訊號處理、特徵參數，配合類神經

網路人工智慧的演算規則，建構離線式非即時 RDI 估測系統。

此論文是以脈動式血氧計錄睡眠飽合度，經過訊號前處理和特徵

變數的選取，再配合類神經網路人工智慧的訓練以及演算規則之建

立，搭配委員會機器之概念，建構一套離線式 RDI 之軟體檢測系統。

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第三章

隨身型身理訊號偵測系統架構

3.1 系統架構

Sensor (Spo2)

Zigbee

模組

Zigbee

模組

接收模組

UI

判斷警告

訊號偵測模組 使用者介面模組

Sensor (Spo2)

Zigbee

模組

Sensor

(Spo2)

接收模組:

接收硬體 Sensor 和無線傳輸所發出的訊號。

判斷警告模組:

由接收模組所接收的訊號，來判斷是否偵測到危險訊號。

使用者介面模組:

若判斷警告模組接收到危險訊號，並將訊號傳送至使用者

介面模組通知使用者

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3.2 PDA規格

型號：ASUA P550

處理器：Marvell PXA 270M 520HZ

作業系統：Microsoft Windows Moble 6.0

記憶體：64MB SDRAM、256MB Flash ROM

3.3 開發軟體

開發軟體使用的是 Chipcon IAR IDE

3.3.1 IAR 整合發展環境

IAR 嵌入式工作平台(EW)提供一完全的整合發展方案，包括一專

案管理員，編輯器，編譯工具以及 C-SPY 除錯器等。在一連續的工作

流程，你可以建立原始檔案及專案，編譯相關應用，並可在一軟體模

擬器(Simulator)或硬體上進行除錯。

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第四章

Zigbee 晶片介紹

4.1 ZigBee源起

Zigbee 就如同 PURLnet、RF-Lite、Firefly、HomeRF Lite 等過

去的短距離無線通訊技術一樣，強調低成本、低耗電、雙向傳輸、感

應網路功能等特色，不過 Zigbee 是朝著開放標準的方向發展。一開

始由 Honywell 所發起，目前主要的成員包括 Invensys、Mistubishi

Electric（三菱）、Motorola（摩托羅拉）、Philips Semiconductor

（飛利浦）等 Promoters，以及 20 多家的 IC 設計製造與系統廠商（詳

如下表）。除此之外，該標準使用的 IEEE 802.15.4，IEEE 也將 ZigBee

收納為 IEEE 802.15.4 的標準，與 ZigBee Alliance 共同為此一 WPAN

標準催生。

ZigBee 的傳輸速率介於 20kbps～250kbps 之間，並隨著傳輸距

離的延長而減慢，例如：發射功率在 1mW 的 ZigBee 產品在 10 公尺的

距離內可達 250kbps 的傳輸速率，若將傳輸距離拉長至 20 公尺，則

速度只剩 30kbps，不過藉著提高發射功率，還是可以達到 100 公尺

的傳輸距離內，每秒 250kbps 的傳輸速率。另外，由於具備高鏈結數

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與低耗電的特性，對於 ZigBee 在感應式網路（Sensor Network）上

的使用，就具有相當大的優勢，例如：在工廠內的作業溫度量測、水

電瓦斯計度的記錄、保全防護的監控上，業者不需經常更換電池或佈

建供電網路，而且只需極少的人力與設備，即可取得所需的資訊。

4.1.1 可能應用與市場發展

ZigBee 的出發點是希望能發展一種易佈建的低成本無線網路，

同時其低

耗電性將使產品的電池能維持 6 個月到數年的時間。在產品發展

的初期，將以工業或企業市場的感應式網路為主，提供感應辨識、燈

光與安全控制等功能，再逐漸將目前市場擴展至家庭中的應用。如下

圖，根據 ZigBee Alliance 的觀點，一般家庭可將 ZigBee 應用於以

下裝置：

空調系統的溫度控制器

燈光、窗簾的自動控制

老年人與行動不便者的緊急呼叫器

電視與音響的萬用遙控器

無線鍵盤、滑鼠、搖桿

煙霧偵測器

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智慧型標籤

玩具

目前 ZigBee 標準制定的 Draft 階段已即將完成，預估 2003 年中

旬，晶片業者就可具備量產能力，並可於 2003 年底達到商品化的目

標。而投入 ZigBee 技術研發的業者對於市場的發展都抱持相當樂觀

的看法，根據 Adcon Telemetry AG 觀點，預估全球低速通訊應用市

場將在 2005 年達到 5.7 億台的規模，屆時不論 ZigBee 能取得多大的

市場佔有率，這都代表其可發展的空間的確具有相當大的潛力。

4.2 晶片介紹

CC2430 晶片是 Chipcon 公司生產的首款符合 ZigBee 技術的 2.4

GHz 射頻系統單晶片。以下介紹 CC2430 晶片的主要特點和接腳功能，

以及典型應用電路

4.2.1 CC2430 晶片的主要特點

CC2430 晶片延用了以往 CC2420 晶片的架構，在單個晶片上整合

了 ZigBee 射頻(RF)前端、記憶體和微控制器。它使用 1個 8 位元 MCU

（8051），具有 128 KB 可程式快閃記憶體和 8 KB 的 RAM，還包含類

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比數位轉換器(ADC)、幾個計時器（Timer）、AES128 協同處理器、看

門狗計時器（Watchdog timer）、32 kHz 時脈的休眠模式計時器、電

源開啟從置電路(Power On Reset)、漏電檢測電路(Brown out

detection)，以及 21 個程式 I/O 接腳。

CC2430 晶片採用 0.18 μm CMOS 製程生產，工作時的電流損耗為

27 mA；在接收和發射模式下，電流損耗分別低於 27 mA 或 25 mA。

CC2430 的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合

那些要求電池壽命非常長的應用。

4.2.2 CC2430 晶片的主要特點如下：

◆ 高效能和低功耗的 8051 微處理器。

◆ 集成符合 IEEE802.15.4 標準的 2.4 GHz 的 RF。

◆ 優良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性。

◆ 在休眠模式時僅 0.9 μA 的流耗，外部的中斷或 RTC 能喚醒

系統;在待機模式時少於 0.6 μA 的流耗，外部的中斷能喚醒

系統。

◆ 硬體支援 CSMA/CA 功能。

◆ 較寬的電壓範圍（2.0～3.6 V）。

◆ 數位化的 RSSI/LQI 支援和強大的 DMA 功能。

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◆ 具有電池監測和溫度感測功能。

◆ 集成了 14 位類比數位轉換的 ADC。

◆ 集成 AES 安全輔助運算器。

◆ 帶有 2個強大支援的 USART，以及 1個符合 IEEE 802.15.4

規範的 MAC 計時器，1 個常規的 16 位計時器和 2 個 8位計

時器。

◆ 強大和靈活的開發工具。

4.2.3 CC2430 晶片的接腳功能

CC2430 晶片採用 7 mm×7mm QLP 封裝,共有 48 個接腳。全部接腳

可分為 I/O 埠接腳、電源線接腳和控制線接腳三類。

4.2.4 I/O埠線接腳功能

CC2430 有 21 個可程式的 I/O 接腳，P0、P1 是完全的 8 位，P2 只

有 5 個可使用的腳位。通過軟體設定一組 SFR 寄存器的位元和位元

組，可使這些接腳作為通常的 I/O 或作為連接 ADC、計時器或 USART

部件的週邊設備 I/O 使用

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4.2.4 I/O有下面的關鍵特性：

◆ 可設定為通常的I/O，也可設置為週邊I/O使用。

◆ 在輸入時有上拉和下拉能力。

◆ 全部21個數位I/O接腳都具有回應外部的中斷能力。如果需

要外部設備，可對I/O接腳產生中斷，同時外部的中斷事件

也能被用來喚醒休眠模式。

◆ 相關對應的腳位：

1～6 腳（P1_2～ P1_7）： 具有 4 mA 輸出驅動能力。

8，9 腳（P1_0，P1_1）： 具有 20 mA 的驅動能力。

11～18 腳（P0_0 ～P0_7）： 具有 4 mA 輸出驅動能力。

43，44，45，46，48 腳（P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0）：

具有 4 mA 輸出驅動能力。

4.2.5 電源線接腳功能

7 腳（DVDD）： 為 I/O 提供 2.0～3.6 V 工作電壓。

20 腳（AVDD_SOC）： 為類比電路連接 2.0～3.6 V 的電壓。

23 腳（AVDD_RREG）： 為類比電路連接 2.0～3.6 V 的電壓。

24 腳（RREG_OUT）： 為 25，27～31，35～40 接腳埠提供 1.8 V

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的穩定電壓。

25 腳 (AVDD_IF1 )： 為接收器波段濾波器、模擬測試模模組和

VGA 的第一部分電路提供 1.8 V 電壓。

27 腳（AVDD_CHP）：為環狀濾波器的第一部分電路和充電泵提供

1.8 V 電壓。

28 腳（VCO_GUARD）： VCO 遮罩電路的報警連接埠。

29 腳（AVDD_VCO）: 為 VCO 和 PLL 環濾波器最後部分電路提供

1.8 V 電壓。

30 腳（AVDD_PRE）: 為預定標器、Div　2 和 LO 緩衝器提供 1.8

V 的電壓。

31 腳（AVDD_RF1）: 為 LNA、前置偏置電路和 PA 提供 1.8 V 的

電壓。

33 腳（TXRX_SWITCH）: 為 PA 提供調整電壓。

35 腳（AVDD_SW）: 為 LNA/PA 交換電路提供 1.8 V 電壓。

36 腳（AVDD_RF2）: 為接收和發射混頻器提供 1.8 V 電壓。

37 腳（AVDD_IF2）: 為低通濾波器和 VGA 的最後部分電路提供

1.8 V 電壓。

38 腳（AVDD_ADC）: 為 ADC 和 DAC 的類比電路部分提供 1.8 V

電壓。

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39 腳（DVDD_ADC）: 為 ADC 的數位電路部分提供 1.8 V 電壓。

40 腳（AVDD_DGUARD）: 為隔離數位雜訊電路連接電壓。

41 腳（AVDD_DREG）: 向電壓調節器核心提供 2.0～3.6 V 電壓。

42 腳（DCOUPL）: 提供 1.8 V 的去耦電壓，此電壓不為外電路

所使用。47 腳（DVDD）: 為 I/O 埠提供 2.0～3.6 V 的電壓。

4.2.6 控制線接腳功能

10 腳（RESET_N）:從置接腳，低電平有效。

19 腳（XOSC_Q2）: 32 MHz 的晶振接腳 2。

21 腳（XOSC_Q1）: 32 MHz 的晶振接腳 1，或外部時鐘輸入接腳。

22 腳（RBIAS1）: 為參考電流提供精確的偏置電阻。

26 腳（RBIAS2）: 提供精確電阻，43 kΩ，±1%。

32 腳（RF_P）: 在 RX 期間向 LNA 輸入正向射頻信號；在 TX 期間接

收來自 PA 的輸入正向射頻信號。

34 腳（RF_N）: 在 RX 期間向 LNA 輸入負向射頻信號；在 TX 期間接

收來自 PA 的輸入負向射頻信號。

43 腳 (P2_4/XOSC_Q2): 32.768 kHz XOSC 的 2.3 埠。

44 腳 (P2_4/XOSC_Q1): 32.768 kHz XOSC 的 2.4 埠

圖 CC2430 架構圖

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第五章

5.1 模組的使用

圖 模組樣式

5.2 模擬軟體的說明

一、 硬體連接方式：

透過 RS232 介面連接至 ZiBee 模組,並於軟體介面點選該使用的

通訊埠。

二、 軟體主要功能：

1. 提供讀取及設定 ZiBee 模組參數等功能。

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2. 提供 I/OBinding 功能。

3. 提供 AT Command 發送功能。

4. 提供測式功能。

5.2.1 軟體圖形介面說明：

○1 :選擇與ZiBee模組連接之通訊埠

○2 :設定連接鮑率(預設值:38400)。

○3 :同位元設定(預設值:無)。

○4 :資料位元設定(預設值:8)。

○5 :停止位元設定(預設值:1)。

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○6 :通訊埠連結/關閉按鈕

○1 :AT command下達視窗

○2 :AT command發送按鈕。

○3 :AT command連續發送間隔時間設定視窗(Base Time=1msec ,

欲設定 1sec須設為 1000) 。

○4 :開始AT command連續發送。

○5 :停止AT command連續發送。

○6 ○7 :結束字元發送設定(請使用預設值:○6 點選,○7 不點選)。

○8 :加入AT command下達視窗○1 內容於○12視窗內(可將常用之命令

儲存於○12視窗內)。

○9 :清除○12視窗內所點選的內容。

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○10:清除○11接收視窗所有內容。

○11:顯示Zibee模組接收到的文字訊息(只顯示ASCII碼代表的文

字)。

○12:AT command儲存視窗,可點選使用。

○13:顯示Zibee模組接收到的所有資料,以十六進制表示。

5.3 成品

目前資策會已經有開發出一套偵測系統，雖然是陽春版的但往後

也會陸陸續續的改版功能會更加豐富。

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第六章

未來展望

目前系統已經將許多原件最小化，但是能再將許多功能較多的模

組，或電路最小化，所以若能再縮小體積，重量減輕攜帶也會更方便，

更能讓使用者更加方便。

系統目前的功能，已有血糖濃度和心跳偵測，若未來能將更多的

生理訊號，加入此系統中如：心電圖、血壓、體溫…等等。再加上無

線網路的急救發送警告訊號。未來若構想能夠具體呈現，將能透過無

線網路，把個人生理資訊，做即時監控，為自己的健康把關，能降低

更多的意外。

最大的理想目標是，可以在加上後端的 Database ，可以為病患

或使用者，記錄所偵測到的相關生理訊號，並且可以加上警告系統，

更能透過無線網路連線到醫院或醫療中心，隨時隨地的為自己的健康

做把關。

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參考文獻

[1] APTT亞太健康遠距科技股份有限公司，http://www.aptt.com.tw/。

[2] 陳紹聖，2000，“糖尿病遠距醫療系統監控血糖＂，聯合報

2000-08-02，18 版

[3] 陳建元，2003，“源星開發血壓測量儀可遠距測量血壓及心臟狀

況＂，2003-06-06，經濟日報，12 版

[4] 國科會無線感測器前瞻計畫http://smartkms.ctust.edu.tw/index.php

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重大產業政策”，2006。

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論文，民國 90 年。

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統”，私立中原大學電機工程研究所碩士論文，民國 92 年。

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22

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23

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械與機電工程學系研究所碩士論文，民國 94 年。

[11] 李大昌，“利用藍芽實現無線生理監控系統”，國立中正大學通訊

工程研究所碩士論文，民國 94 年。

[12] 林俊良，“研發無線感測網路用於居家健康照護”，國立交通大學

電機與控制工程學系碩士論文，民國 95 年。

[13] 王筱涵，“以血氧飽和濃度檢測睡眠呼吸中止症”，國立中山大學

機械與機電工程學系碩士論文，民國 95 年。

[14] 嘉宇，“溫度感測器結合 ZigBee 技術應用於護理之家之研究”，

私立亞洲大學資訊工程學系碩士論文，民國 95 年。

專題報告(血氧)誌謝摘要第一章緒 論第二章相關研究2.1 相關論文的做法2.1.1王筱涵等人之研究 [13]2.1.2 張書豪等人之研究 [10]

第三章隨身型身理訊號偵測系統架構3.1 系統架構3.2 PDA規格3.3 開發軟體3.3.1 IAR 整合發展環境

第四章Zigbee 晶片介紹4.1 ZigBee源起4.1.1 可能應用與市場發展

4.2 晶片介紹4.2.1 CC2430晶片的主要特點4.2.2 CC2430晶片的主要特點如下：4.2.3 CC2430晶片的接腳功能4.2.4 I/O埠線接腳功能4.2.4 I/O有下面的關鍵特性：4.2.5電源線接腳功能4.2.6控制線接腳功能

第五章第六章未來展望參考文獻

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