（光学专业论文）双无线式人体监护系统的探究与设计.pdf

| j1 q 学位论文独创性声明 本人承诺：所呈交的学位论文是本人在导师指导下所取得的研究成果。论文中除特别加以标注 和致谢的地方外，不包含他人和其他机构已经撰写或发表过的研究成果，其他同志的研究成果对本 人的启示和所提供的帮助，均已在论文中做了明确的声明并表示谢意。 学位敝懈虢盎： 学位论文版权的使用授权书 本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定，及学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交复印件或磁盘，允许论文被查阅和借阅。本文授权 辽宁师范大学，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库并进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后使用本授权书。 讹敝储躲血 艚教师签名重壶墨 签名e 1 期：) 矽，年嘲“日 ，j【一， 辽宁师范大学硕士学位论文 摘要 无线人体监护系统种类繁多，特点不一，监护手段和方式多种多样。 目前，我国的无线医疗传感网络的研究尚处于起步阶段和实验室阶段，仅有的少量 远程医疗网络都隶属于医疗机构，其信息传输还是依赖于传统的卫星和电信网络，运行 的成本很高，因而无法走入家庭，更无法适合于个人使用。 因此本文介绍了一种双无线式人体监护系统，整个系统由无线射频传感器系统( 可 由多个终端节点设备e d 构成) 和无线射频接收处理系统组成( 包括一个数据中心a p 和 g p r s 模块) ；无线射频传感器系统对人体生理参数进行采集并通过s i m p li c i t i 网络协议 实现数据的无线传输与通信，无线射频接收处理系统对接收到的数据进行整合处理显示 及存储，并最终通过与g p r s 模块的互联实现远程监护。该系统具有低功耗、低成本、 便携带、多参数和兼容性强等主要的特点。能够实时、连续的监测人体生命的多个体征 参数，而这正顺应了当今医疗监护的对于无线人体监护系统的需求。 总的来说，本文主要做了一下几个方面工作：介绍了s i m p l i c i t i 协议并对比分析 现今几大主流无线通信技术的优缺点，确定了双无线式人体监护系统的前端体征参数检 测的通信协议为s i m p l i c i t i ：确定了该系统的硬件平台组成及相关的电路模块。在此基 础上，研发了一套适合于家庭及个人使用的人体监护系统的实验系统。多次测试的结果 验证了本项目的可行性，完善了整体设计方案。经多次修改，最终确定了整个系统软、 硬件设计。并且根据双无线式人体监护系统的应用特点和设计目标确定网络拓扑结构为 串状拓扑结构，为人体多参数的测定提供扩展基础：并通过g p r s 实现远程监护。 关键字：s i m p l i c i t i ，e c o s 操作系统，g p r s 远程监护 双无线式人体监护系统的探究与设计 t h ed e v e l o p m e n to f d u a l - - r a d i o - - s t y l eb o d ym o n i t o r i n gs y s t e m a b s tr a c t t h r o u g h o u to u rw i r e l e s sm e d i c a ls e n s o rn e t w o r k sr e s e a r c h i ti ss t i l li nt h el a b o r a t o r y r e s e a r c hs t a g e s ot h e r ei s s t i l l l o n gw a yt o t oi ni t s p r o m o t i o na n dp o p u l a r i z a t i o ni n l a r g e s c a l e a n dm o s to ft h et e l e m e d i c i n en e t w o r k sa r eb a s e do nt h ee x i s t i n gt e l e p h o n e n e t w o r ko rs a t e l l i t en e t w o r k ，s oi ti sn o ts u i t a b l ef o rp e r s o n a lu s e 删sa r t i c l ed e s c r i b e sad u a l - r a d i o s t y l eb o d y m o n i t o r i n gs y s t e m r n l es y s t e mc o n s i s t so f r a d i of r e q u e n c ys e n s o rs y s t e m ( w h i c hm a yc o n s t i t u t em o r et h a no n ee n d d e v i c e s ) a n dr a d i o f r e q u e n c yr e c e i v i n ga n dp r o c e s s i n g s y s t e m ( i n c l u d i n ga na c c e s sp o i n ta n dg p r s m o d u l e ) ；r a d i of r e q u e n c ys e n s o rs y s t e mc o l l e c t sh u m a np h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r sa n dt h e n t r a n s m i t st h ed a t at oa c c e s sp o i n tt h r o u g hs i m p l i c i t in e t w o r kp r o t o c 0 1 a n dt h e nr a d i o f r e q u e n c yr e c e i v i n ga n dp r o c e s s i n gs y s t e mw i ni n t e g r a t et h er e c e i v e dd a t a ，p r o c e s s d i s p l a y a n ds t o r a g e f i n a l l yg p r sm o d u l em a k e st h er e m o t em o n i t o r i n gf o rr e a l 础s s y s t e mh a s m a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sl o wp o w e r , l o wc o s t ，m u l t i - p a r a m e t e r sa n dc o m p a t i b i l i t y i ta l s oc a l l b er e a l - t i m e ，c o n t i n u o u sm o n i t o r i n go ft h eh u m a nb o d y , w h i c hi st h en e e d so fw i r e l e s sb o d y m o n i t o r i n gs y s t e mi nt h e s ed a y s o v e r a l l ，t h i sa r t i c l em a i n l yh a sf o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ：i n t r o d u c es i m p l i c i t in e t w o r k p r o t o c 0 1 a n a l y z et h em a i na d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fp r e s e n tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y e n dd e v i c e sd e t e c th u m a np h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r su s i n gs i m p l i c i t in e t w o r k p r o t o c o la si t sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ；d e t e r m i n et h ed u a l r a d i o s t y l e b o d ym o n i t o t i n g s y s t e m sh a r d w a r es e l e c t i o na n dc i r c u i t ，d e s i g na n dd e v e l o pas e to f e x p e r i m e n t a ls y s t e m s t h e w h o l en e t w o r kc h o o s e ss t r i n g - l i k en e t w o r kf o rf u t u r ee x p a n s i o n ，a n dg p r sm o d u l em a k e st h e r e m o t em o n i t o r i n gf o rr e a l k e yw o r d s ：s i m p l i c i t i ；e c o s ；g p r sr e m o t em o n i t o r i n g i i 一 ，1，互 辽宁师范大学硕上学位论文 1 绪论1 1 1 课题背景及研究意义l 1 2 国内外发展状况2 1 2 1 国外相关研究2 1 2 2 国内相关研究2 1 3 本文主要工作及章节安排3 2s i m p l i c i t i 技术5 2 1s i m p l i c i t i 网络协议概述5 2 2s i m p l i c i t i 网络协议结构5 2 2 1 网络应用层8 2 2 2 对等层面结构的特点8 2 2 3 设备8 2 2 4 网络结构9 “ 2 2 5 地址1 0 2 2 6 网络连接1 0 2 2 7 数据帧格式。1 0 2 3i s m 单片射频通信和s i m p l i c i t i 网络协议的特点与优势1 0 2 3 1z i g b e e 技术1 l 2 3 2w i _ f i 技术1 1 2 3 3 蓝牙技术1 l 2 3 4 超宽频技术1 2 2 3 5n f c 技术1 2 2 3 6s i m p li c i t i 无线网络技术的特点与优势1 3 3 双无线式人体监护系统总体设计1 5 3 1 系统组成1 5 3 2 系统工作原理1 5 4 系统硬件设计：1 6 4 1 无线射频传感器系统1 6 4 1 1 数据采集模块选择1 6 4 1 2 无线通信及处理模块设计1 7 i ii 录 目 一 一 双无线式人体i 艋护系统的探究与设计 4 2 无线射频接收处理系统2 1 4 2 1 核心处理控制模块设计。2 1 4 2 2 g p r s 模块设计2 6 5 系统软件设计2 9 5 1 系统软件总体设计方案2 9 5 2 基于c c l l l 0 的无线节点软件设计3 0 5 2 1 软件开发平台介绍及建立3 0 5 2 2 无线节点配置3 1 5 2 3 数据中心软件设计3 3 5 2 4 终端节点设备软件设计3 4 5 3 基于s p c e 3 2 0 0 的控制端的软件设计3 5 5 3 1 e c o s 操作系统3 5 5 3 2 w i n d o w s 下e c o s 开发环境的介绍及建立4 3 、 5 3 3 基于s p c e 3 2 0 0 的主控系统的软件设计4 4 结论4 6 参考文献4 7 攻读硕士学位期间发表学术论文情况4 9 致谢5 0 i 、 辽宁师范人学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景及研究意义 从我国国家统计局2 0 1 1 年的最新统计数字上，我们可以看到我国现阶段已经进入 了“老年型 社会：与此同时，现阶段我国的中青年人群中各种慢性病有蔓延发展的趋 势。然而随着科学技术的发展、人们生活水平的不断提高，无形中人们越来越对个人身 体健康有了更高的要求；现今人们已经形成了以预防为主的健康意识，不再是以治疗为 主。因此这也正是促使我国现有医疗模式转变的根本动力。中华人民共和国卫生部疾病 预防控制局中国疾病预防控制中心于2 0 0 6 年5 月发布的中国慢性病报告中指出： 慢性病的死亡和患病率持续上升，并且提出了“控制慢性病，重在预防 的理念。可见， 慢性病已经对我国人民的健康乃至生命造成了不可小视地严重威胁。因此如何能够有效 地去预防控制慢性病已成为我国医疗卫生事业改革的重点任务之一【1 1 。 我们知道慢性病和退化性疾病不是能够短期治愈的疾病，甚至有些慢性病根本不能 彻底根治。治疗慢性病和退化性疾病唯一有效的方式就是长期追踪与跟进式治疗。但是 对于这些患者中的大多数根本不可能留在医院接受长期的观察及治疗。因此大多数治疗 慢性病和退化性疾病的患者必然将时间和金钱浪费于往返医院的过程之中，同时无形中 也增加了患者的精神压力。尤其有一些慢性病的治疗往往需要监测患者发病时的生理参 数，并根据这些数据才能有针对性的对患者进行有效的治疗。但是患者入院检查时很可 能已经恢复，这就影响了诊断的有效性和准确性。此外目前医院的监护方式使得患者被 束缚于病床上、医院中，可是大多数患有慢性病和退化性疾病的患者往往都具有自由活 动的能力，这就给患者带来了极大的不便。 现今我们生活的便利得益于电子技术、计算机技术、通信技术的飞速发展，这些技 术的发展同样也为我国现有医疗体系的发展提供了新的契机。我国医疗卫生事业的现代 化建设正借着这一机遇，力图将信息技术应用于医疗卫生领域的高科技产业之中，优化 医疗保健服务，最终确保更好的服务子我国人民。 鉴于目前存在上述的这种现状，本文提出了双无线式人体监护系统。该系统通过射 频技术、s i m p l i c i t i 网络实现近距离的无线通讯，最终达到数据整合的目的；通过g r p s 实现远距离的无线医疗监护，为患者提供最大的自由空间，使得对处于正常生活和工作 条件下的患者进行长时间的连续监测成为可能。患者和远端监护人员都可以随时随地地 了解身体的状况，做出及时的判断与处理。双无线式人体监护系统在方便监护者的同时， 也给监护者提供生命安全的保障，具有实用价值与临床使用价值。 双无线式人体监护系统的探究与设计 1 2 国内外发展状况 1 2 1 国外相关研究 美国和欧洲在远程医疗监护系统上相对起步较早，同时国家的投入也相当大。因此 必然的是：美国和欧洲远程医疗的支撑技术较为成熟，同时它们的发展水平也领先其它 国家很多。 卫星是美国在发展远程医疗监护体统上拥有的无与可比的优势，因此美国首先采用 的实验平台就是通过卫星来进行远程数据通讯传输的。美国的阿拉斯j j n j l l 是美国最大的 州，全州占地面积1 ，5 2 0 ，0 0 0 平方公里，占美国全国面积五分之一，但是人口只有6 7 6 ， 9 8 7 ( 2 0 0 7 年统计资料) 由于该州地广人稀：因此医疗资源匮乏。采用了远程治疗与监 护之后，该州的医疗水平得到了极大地提高。 相对于美国所具有的卫星优势，欧洲大部分国家采用的则是移动通讯这一平台来实 现远程数据通讯传输的。采用移动通信这一平台主要有两个原因：其一是移动通讯网络 在欧洲本来就很发达，其移动通信技术处于国际领先的地位；其二是欧洲三面临海，以 平原和山地为主的地理环境适合于采用移动通信技术。 目前，国外已经成功使用的远程医疗监护系统有： ( 1 ) 美国乔治亚洲教育医疗系统( g s a m s ) 是目前世界上规模最大的、覆盖范围最广的 远程教育和医疗网络。在整个系统中，乔治亚医学院( m c g ) 设立了远程医疗的中心，该 中心总计5 9 个远程医疗点，可通过双向交互式声像通道进行专门的治疗。 ( 2 ) 美国军方研发了军人随身佩戴的微型个人生理参数监护仪，供战争时期使用。届 时，该仪器可远程监控佩戴者的脉搏、心率、呼吸等生理参数，以确定佩戴者的身体状 况或为战场救护提供依据。 ( 3 ) 希腊、瑞典、意大利和塞浦路斯等国家使用了希腊研制的远程监护系统，该系统 安装在救护车中，经g m s 网络将患者相关的生理参数传输至医院的监护中心，以便在抢 救过程中，得到医院中专家的指导【2 】。， ( 4 ) 日本北海道大学开发了可用于飞机、轮船和救护车等移动条件下的远程监护系 统，该系统可监护移动设施中病人的心电图和血压数据。 1 2 2 国内相关研究 近年来，国内一些单位正积极致力于远程监护方面的研究，也开发了一些产品，如 心电b b 机、心电血压远程监护系统等。目前，相关研究比较好的高校和医院有清华大 学、第三军医大学、台湾的三军总医院、台湾的长庚大学、中国科学院、香港中文大学 垂奎【3 】 寸o ( 1 ) 清华大学生物医学工程系的白净教授于1 9 9 5 年领导研制出了家庭贴心小护士系 一2 一 辽宁师范大学硕上学位论文 列监护系统，该研究成果已经形成产品。该系统由家庭监护仪和医院监控台两大部分组 成，可实时遥测患者的心电图和血压数据，并对获得的数据进行实时病历分析与诊断。 ( 2 ) 解放军第三军医大学研发了多生理参数监护网络系统，该项目是我国“8 6 3 家 庭数字化医疗监控系统立项项目之一。该系统采用了掌上电脑结构，可以进行心电、血 压以及使用者活动情况的检测，采用电话线与医院监控中心进行远程数据传输。 ( 3 ) 台湾长庚大学的徐铭鸿研发了便携式生理信号传输系统，该系统采用了p d a 结构 和w i n d o w s - c e 操作系统，采用g s m 手机进行数据的传输。 ( 4 ) 中科院计算技术研究所的赵泽和崔莉等人提出了可扩展的多层次网络式体系结 构，将无线传感器网络技术层次化，可应用于远程医疗监护系统。 ( 5 ) 台湾三军总医院将p d a 与固定的护理工作站连接，进行数据传输。将患者的提问、 血压以及老年人跌倒危险因子等纪录评估。 ( 6 ) 香港中文大学生物医学工程联合研究中心张元亭主任领导的团队提出了一种用 于移动医疗系统的b s n 结构【4 j 。 无线监护系统种类繁多，特点不一，监护手段和方式多种多样。 目前我国的无线医疗传感网络的研究尚处于起步阶段和实验室阶段，仅有的少量远 程医疗网络都隶属于医疗机构，其信息传输还是依赖于传统的卫星和电信网络，运行的 成本很高，因而无法走入家庭，更无法适合于个人使用。 我国疆土辽阔，医疗资源的分布很不均衡。尤其在那些广大的农村以及偏远地区， 人们就医还是很困难，无线医疗网络就是解决他们就医难的最有效的措施。因此，结合 我国的具体国情，开发并推广低成本的、适合于个人、家庭的无线医疗传感器网络应该 是我国医疗体制改革的重点。从上述情况看，在国内外研究的基础上，开发低价位、高 性能的人体监护系统拥有更广阔的应用前景。并且现在我国的科技发展水平保证了我们 完全有能力自主研制适合我国国情的医疗监护系统。多参数、无线性、高准确率、操作 方便等多种优点于一体的无线多参数医疗监护系统将是未来我国监护系统的发展方向， 并且也正是我们努力的方向。 1 3 本文主要工作及章节安排 综上所述，本文现针对传统的医疗监护系统存在的问题，并结合我国的具体国情设 计开发一种新型的双无线式人体监护系统。 论文结构： 第一章介绍无线监护系统的研究背景、研究目的及其意义；在此基础上介绍了国内 外无线监护系统的发展现状。 。 第二章介绍s i m p li c i t i 网络协议及其特点；分析比较当今几种短距离无线传输方 式。 一3 一 双无线式人体监护系统的探究与设计 第三章介绍双无线式人体监护系统的总体设计及本系统各个部分的工作原理。 第四章介绍本系统的硬件设计，包括：前端人体参数采集的o e m 选择；基于c o l1 1 0 的无线传输系统的硬件设计；基于s p c e 3 2 0 0 的主控系统的硬件设计。 第五章介绍本系统的软件设计，主要包括基于c c l l l 0 的s i m p l i c i t i 组网实现， s p c e 3 2 0 0 的可视化界面操作，数据整合、显示、存储，远端数据通信等功能。 第六章对本文的所做的工作进行总结，并对未来的工作进行展望。 辽宁师范大学硕：t 学位论文 2 s im piic ；ti 技术 2 1sim pi citi 网络协议概述 s i m p li c i t i 网络协议是一种简单的低功耗射频网络协议，是由t i 公司针对射频网 络的低功耗发展趋势而提出来的。该网络具有传输速率低、占空比低以及功耗低的特点， 而且可以不需要接入点以及节点范围扩展器。由于该协议是t i 公司提出的，因此能够 在t i 的射频平台，如低功耗的m s p 4 3 0 系列微处理器、c c i x x x c c 2 5 x x 收发器以及 c c l11 0 c c 2 5 1 0 等片上系统( s o c ) 实现“开盒即用”。 通过s i m p li c i t i 网络协议能够 降低微控制器的资源占用率，并且可以使实现网络简单化。 s i m p l i c i t i 网络协议主要具有以下特点： ( 1 ) s i m p l i c i t i 网络协议能够通过范围扩展设备( r a n g ee x t e n d e r ) 来扩大网络覆 盖范围，最大支持4 次网络跳转。 ( 2 ) s i m p li c i t i 网络协议是种专为简单的r f 网络而设计的，对标准化配置的大型 网络例如z i g b e e 是一种很好的补充。 ( 3 ) s i m p l i c i t i 网络协议以免版税、免许可费的源代码形式提供。开发人员可根据 各自的具体应用需求修改该协议。 ( 4 ) s i m p l i c i t i 网络协议支持各种低功耗的应用，如报警与安全( 烟雾探测器、玻 璃破碎检测器、氧化碳探测器、光传感器) ，自动度表( 气表、水表) ，工业控制，家 庭自动化( 家电设备、车库开门器、环境设备) 以及有源r f i d 等。 2 。2sim pi ioiti 网络协议结构 s i m p l i c i t i 网络协议的模块如图2 1 所示，主要由网络管理( n e t w o r km a n a g e m e n t ) 、 跳频( f r e n q u e n c ya g i l i t y ) 、范围扩展( r a n g ee x t e n d e r ) 、加密( e n c r y p t i o n ) 、低功 耗网络( b a t t e r y o n l yn e t w o r k ) 和访问接入( a c c e s sp o i n t ) 等六个模块所组成。 双无线式人体监护系统的探究与设计 图2 1s i m p li c i t i 协议的模块 f i g 2 1 m u d u l e so f t h es i m p l i c i t ip r o t o c o l s i m p l i c i t i 网络协议可以实现应用层同级间的信息交流。而这些同级设备可以是 传感器设备、控制设备，也可以全部都是传感器节点，这在s i m p l i c i t i 网络协议中没 有严格的区分。 s i m p l i c i t i 网络协议主要由应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 、网络层( n e t w o r kl a y e r ) 、 硬件逻辑层( l i t eh a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e r ) 等组成，同时，网络层具有网络加 密的功能。图2 2 所示的是s i m p l i c i t i 网络协议结构。 图2 2s i m p l i c i t i 网络协议结构 f i g 2 2 s t r u c t u r eo f t h es i m p l i c i t in e t w o r kp r o t o c o l s i m p l i c i t i 的硬件逻辑层由射频层( r a d i o ) 、板级支持包( b s p ) 组成，如图2 3 辽宁师范大学硕上学位论文 所示。 黑黑黑畏固-尹 p o r t0 图2 3s i m p l i c i t i 协议的p o r t f i g 2 2 p o r to f t h es i m p li c i t in e t w o r kp r o t o c o l o r t0 x 2 1 s i m p l i c i t i 网络协议中没有物理层( p h y ) 和数据链路层( m a c l l c ) ，设备间数据 势 的传输直接通过射频层来进行传输。 s i m p l i c i t i 网络协议通过应用板级支持包b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ) 来实现 射频层与网络层( n w k ) 之间的连接，板级支持包b s p 能够提供射频层与网络层通信的 s p i 接口。然而板级支持包b s p 并不是传统意义上的硬件网络逻辑层，它仅仅提供一种 射频层与网络层之间通信的服务支持。 s i m p l i c i t i 网络协议中的网络层主要负责如下的管理功能： 一 频段管理 一 跳频管理 一 调制方式、数据传输速率等无线参数管理 一 加密管理 一 数据传输 - c c a ( 清除信道评估) 一 网络i d 一 设备地址 一 加入、连接网络 s i m p l i c i t i 网络协议中的网络层仅指定目的地址并管理射频发送与接收，其中通 过接口号( p o r t ) 来指定目的地址。在s i m p l i c i t i 网络协议的网络层中不进行任何帧 处理。 一7 一 双无线式人体临护系统的探究与设计 在网络层中，接口( p o r t ) 的概念是对地址概念的一种延伸。这一点，与t c p i p 中的p o r t 概念相类似。在s i m p l i c i t i 网络协议中，接口编号范围为o x 0 1 0 x 3 f ，其中 o x o l - o x l f 定义为固定接口，而o x 2 0 - o x 3 f 则由用户来定义。同样在s i m p l i c i t i 网络 协议中，接口仅仅是用于网络层自身对网络的管理不能被用户应用层应用。网络层会在 连接过程中把接口号跟地址关联起来，就像t c p i p 中的i p 与物理地址的关联一样。 2 2 1 网络应用层 网络应用层( n w ka p p l i c a t i o n ) 是用于网络层管理的，该层不仅提供外部p i n g 访 问，而且提供了用户开发的接口，表2 1 中列出了相关的描述。 表2 1p o r t 接口 t a b 2 1i n t e r f a c eo fp o r t 应用层接 口描述 p i n g o x 0 1 与t c p i p 应用欧冠相似，返回已收到的数据到发送端 l i n k0 x 0 2 在两个设备之间的第一次通信 j o i n0 x 0 3 a d 获取节点访问信息时使用 s e c u r i t y o x 0 4 交换密钥，如加密信息 f r e q o x 0 5 管理频偏，提供频率校准 m g m t o x 0 6 一般用于网络应用层，例程中应用于天线中断 2 2 2 对等层面结构的特点 s i m p l i e i t i 网络协议对等层面的特点是只有网络层和应用层，如表2 2 所列。应 用层又分为：网络应用层和用户程序应用层( p e e ra p p l i c a t i o n s ) 。 表2 2s i m p li c i t i 网络协议对等层面的特点 t a b 2 2c h a r a c t e r i s t i co f p e e r a p p l i c a t i o no f s i m p li c i t ln e t w o r kp r o t o c o l 层 连接种类应答信息 网络层 连接 无 网络应用层连接 有 用户应用层双向信息交换 用户控制 2 2 3 设备 s i m p l i c i t i 网络提供终端节点设备e d 、数据中心a p 、范围扩展设备r e 这3 类设 一8 一 辽宁师范大学硕士学位论文 备。s i m p l i c i t i 网络所指的不同种类设备仅仅是指逻辑上的设备而并非硬件设备，即 对于同一个硬件设备它既可以作为e d 终端节点设备，也可以作为a p 数据中心，或作为 r e 范围扩展设备。 ( 1 ) 终端节点设备e d 可以是传感器节点，也可以是控制节点 ( 2 ) 数据中心a p 在同一个网络中可以和多个终端设备共存，组成一个网络。当然同 一个网络中也可以允许有2 个a p 数据中心。 ( 3 ) 范围扩展设备r e 可以有目的的对网络覆盖范围进行扩展，这是一个常开设备。 它的主要功能是接收来自发送设备的数据并且有目的的重复发送让发送设备的影响范 围扩展。 2 2 4 网络结构 s i m p l i c i t i 网络协议支持星状网络拓扑和点对点对等拓扑2 种基本网络拓扑结构。 其中，星状网络拓扑包括一个数据中心a p ( a c c e s sp o i n t ) ，a p 数据中心主要起到网络 管理的功能。a p 数据中心为终端节点e d ( e n dd e v i c e s ) 提供数据存储、转发并管理网 络内设备成员的权限、连接权限以及安全等。 在s i m p l i c i t i 网络中，可以通过a p 或r e 来扩展网络，如图2 4 所示。 逻辑线路 数据线路 网络管理 e d ( e n dd e v i c e s ) ：终端节点设备 a p ( a c e s sp o i n t ) ：数据中心 r e ( r a n g ee x t e n d e r ) ： 范围扩展设备 图2 4 点对点网络示意图 f i g 2 4 s k e t c hm a po fp e e rt op e e rn e t w o r k s i m p l i c i t i 网络协议还支持网络拓扑扩展，在星状网络的基础上使用r e 范围扩展 设备扩展为串状网络拓扑。r e 范围扩展设备在此网络中不对网络进行路由管理，只作 双无线式人体监护系统的探究与设计 为一个数据收发中继站。r e 范围扩展设备将接收到数据包进行分析，识别目的地址， 并立即转发。 2 2 5 地址 在s i m p l i c i t i 网络协议中由物理地址和应用层地址即p o r t2 个部分构成。 在s i m p l i c i t i 网络中每一个设备必须预先分配唯一的、长度限制在4 个无符号字 节以内的硬件物理地址，这个物理地址将会在程序编译时设定。需要注意的是 c c l l l 0 c c 2 5 1 0 第1 个地址字节不能为o x 0 0 或者o x f f 。在s i m p l i c i t i 网络协议中帧格 式已经确定，因此当工作时，第一个字节为o x 0 0 和o x f f 会被认为是广播帧。 在s i m p l i c i t i 网络中应用程序接口地址( p o r t ) 是在设备加入网络并在网络连接 的过程中分配的，其不受用户干涉。 2 2 6 网络连接 协议确定两个设备之间通信会有一个连接过程。连接信息包含一个4 字节的连接标 志，接受连接的设备才能允许该设备加入网络。当然允许设备加入网络的数量受用户随 机读写存储器r a m 区与p o r t 地址的限制。 2 2 7 数据帧格式 数据帧格式如图2 5 所示。 鑫。堡萋? 。 同步 = = 度。目的地址 ，谬搀拱。l 。熙照。 设备记录 交换记录l 有效数据，校验二 一“，1 一c t“ n j i 4 414 4 i 111 | n2 荔么施盔盆幽翻施如刁 图2 5 数据帧格式- f i g 2 5 f o r m a to fd a t af r a m e s ， k 数据帧最小可为2 2 个字节，最大可为7 4 个字节，有限数据载荷在0 - 5 2 字节范围 内变化。在s i m p l i c i t i 网络通讯过程中将会对其数据长度、目的地址、源地址、p o r t ( 端口) 、设备信息、交换记录、有效数据等进行c r c 校验判断。 2 3 ls m 单片射频通信和sim pl iciti 网络协议的特点与优势 我们知道家庭个人用户的远程医疗监护与在医院实施的医疗监护是有很大区别与 不同的。在医院实施的医疗监护系统，由于患者被局限在病床上，因此人体各种体征信 辽宁师范大学硕上学位论文 息参数的传输都可以通过有线的方式进行传输；但是对于个人用户的远程医疗监护系统 而言，由于患者( 即被监护的对象) 具有很强的移动性，因此远程医疗监护系统人体各 种体征信息参数的传输就必须采用无线的通讯方式来实现，这样才不会给患者带来不 便。下面就将会简要介绍现今较为成熟的几种短距离无线网络通信技术，通过这些比较 和分析，以确定一种适合于远程医疗监护系统的短距离无线网络通讯技术。 2 3 1z ig b e e 技术 z i g b e e 技术是无线网络通讯技术之一，近年来才兴起。其特点是短距离、低速率， 该技术介于无线标记技术和蓝牙技术之间【5 1 。最初的z i g b e e 无线通讯技术被称作 h o m e r fl i t e 或f i r e f l y 无线技术，主要用于实现近距离无线通讯。z i g b e e 无线通讯技 术的基础是i e e e 8 0 2 1 5 4 ，这是i e e e 无线个人区域网( p e r s o n a la r e an e t w o r k ，p a n ) 工作组的一项标准，被称作i e e e 8 0 2 1 5 4 技术标准。 z i g b e e 无线通讯技术具有的主要特点： ( 1 ) 省电 ( 2 ) 网络容量大，能够支持多达6 5 0 0 0 个节点 ( 3 ) 时延短，通讯时延和从休眠状态激活的时延都非常短。 ， ( 4 ) 安全，具有数据完整性检查和鉴权的功能，加密算法采用了通用的a e s - 1 2 8 。 ( 5 ) 为了解决发送数据时的竞争和冲突问题，z i g b e e 技术采用了碰撞避免机制。同 时还为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，因此各个节点模块之间具有自动动态 组网的功能。 2 3 2w i f i 技术 w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ) 技术貌似一种通信技术，其实质是一种商业认证一即凡 是具有w i - f i 认证的产品都必须符合i e e e 8 0 2 1 1 b 无线网络规范的标准，从而成为当前 应用最为广泛的w l a n 标准，所采用的波段是2 4 g t z 。在i e e e 8 0 2 1 1 b 无线网络规范中， 传输的带宽最高可达l1 m b p s ，当信号弱或有干扰时带宽可自动调整为5 5 m b p s 、2 m b p s 和1 m b p s 。由于其带宽具有自动调整功能，该技术为网络的稳定性和可靠性提供了有效 的保证。 w i - f i 无线通讯技术具有的主要特点： ( 1 ) 无线电波的覆盖范围广：w i - f i 的半径可达3 0 0 英尺左右约合1 0 0 米。 ( 2 ) 传输速度快：可以达到1 1 m b p s ，符合个人和社会信息化的需求。 ( 3 ) 建网快速、便捷、组网价格较低。 2 3 3 蓝牙技术 蓝牙无线通讯技术爱立信公司于1 9 9 4 年提出的一种短距离、无线通信技术规范。 双无线式人体i 旌护系统的探究与设计 蓝牙采用了国际上无需授权的2 4 g h z 频段，该技术将2 4 g h z 频段划分成7 9 个信 道。每一个信道占1 m h z 带宽、总速率可达1 m b s 。当采用异步非对称连接时，其最高 数据速率可达7 2 3 2 k b i t s 。蓝牙技术属于短距离的无线通信技术，因此其通信距离一 般为l o m ，附加外部功率放大器之后可达l o o m 。 蓝牙技术的应用范围相当广泛，目前已经进入到了许多主流消费性产品( 比如手机、 p d a 、笔记本电脑等) 当中。台式电脑基本都没有现成的蓝牙通信口，如果要实现手机 等具备蓝牙功能的设备和电脑实现无线蓝牙通信，需要在电脑端配备蓝牙适配器使其具 有蓝牙通信功能，从而实现蓝牙无线通信。 蓝牙无线通讯技术具有的主要特点： ( 1 ) 实现方便快捷 ( 2 ) 灵活安全 ( 3 ) 低功耗的数据和语音通信 2 3 4 超宽频技术 。 超宽频技术( u w b ) 很长一段时间内被归类为军事技术，但如今超宽频技术的应用同 样也已逐渐朝着另一个方向发展即一般消费性产品领域。首先超宽频系统的中心频率高 于2 5 g h z ，同时超宽频名称的由来主要是其具备至少5 0 0 m h z 的- l o d b 频宽；对于频率 较低的u w b 系统必须具备至少2 0 的频宽比。这是就是超宽频无线通讯技术与其它无线 通讯技术最主要的区别。 超宽频无线通讯技术具有的主要特点： ( 1 ) 复杂度低 ( 2 ) 发射信号功率谱密度低 ( 3 ) 对信道衰落不敏感 ( 4 ) 低截获能力 ( 5 ) 定位精度高 ( 6 ) 脉冲宽度时间短，超宽带的脉冲宽度能被控制在1 纳秒以下，能够实现高速数据 传输，v 罨? 2 2 3 5n f c 技术 n f c ( n e a rf i e l dc o m m u n i c a t i o n ) 即近距离无线传输技术，该技术是由n o k i a 、s o n y 以及p h i l i p s 等三家公司推出的，该技术类似于非接触式射频识别( r f i d ) 的短距离无 线通信技术标准1 6 。n f c 采用了双向识别的连接方式，这是它和r f i d 之间存在的最大不 同之处。当在2 0 c m 距离内工作时，n f c 的工作频段为1 3 5 6 m h z 。 其实近距离无线传输技术最初仅仅是遥控识别与网络技术的一种合并，然而现在却 已发展成为一种无线连接技术。总而言之，近距离无线传输技术正在改写无线网络设备 辽宁师范大学硕上学位论文 之间连接的传统规则，不是取代而是在不同场合、不同领域起到与其它无线通讯技术相 互补充的一个作用【7 】。 近距离无线传输技术能够快速、自动地建立无线网络，为其它网络设备提供一个“虚 拟连接”，从而使电子设备与电子设备之间能够在短距离范围内进行通信。近距离无线 传输技术的这种短距离交互模式使得整个认证识别过程得到了大大的简化，电子设备与 电子设备之间的互相访问变得更为直接、安全和清楚。 近距离无线传输技术具有主要的特点： ( 1 ) 快速、自动地建立无线网络 ( 2 ) 能够为其它无线网络提供虚拟连接 ( 3 ) 能够辅助其它无线网络通信，加快速度、扩展传输距离 2 3 6s i m p ii c 汀i 无线网络技术的特点与优势 通过前述介绍，我们已经对现今流行的无线网络通讯技术有了一定的基本了解。这 些无线网络通讯技术所具有的共同特点是都能够提供相对可靠的无线通信服务质量，但 是同时这些无线网络通讯技术也存在着各自的局限性及不足。 在此我们以设计开发无线人体监护系统为出发点，来指出上述的这些无线网络通讯 技术存在的一些问题：首先蓝牙技术、w i - f i 技术对于使用者来说存在着一定的应用风 险和相对较高的应用成本；其次近距离无线传输技术的通信距离只有几十厘米，因此对 于近距离无线传输技术只适合相隔较近的可移动手持设备间的无线数据通信；再者 z i g b e e 技术