（微电子学与固体电子学专业论文）基于无线传感器网络的输液监测系统设计.pdf

黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h es h a r pi n c r e a s i n gi no u rp o p u l m i o na n dt h er e l a t i v e l y s c a r c ei nm e d i c a lr e s o u r c e s ，t h em e d i c a lb u r d e no ft h es o c i e t yh a ss i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e d m o r et h a n9 5 o ft h eh o s p i t a l i z e dp a t i e n t sw i l la d o p tt h ew a yo ft h e i n f u s i o nt r e a t m e n t h o w e v e r , t h e r ea r em a n yd e f e c t si nt h et r a d i t i o n a lw a yo fi n f u s i o n ： s u c ha st h ei n f u s i o nr a t ei sn o te n o u g ha c c u r a t e ，a n dt h ea b n o r m a ls i t u a t i o ni sd i f f i c u l t t ot i m e l yd e a lw i t h a c c o r d i n gt oa c t u a ld e m a n d s ，at r a n s f u s i o nm o n i t o r i n gs y s t e mi sd e s i g n e db a s e d o nt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s t h es y s t e mi sad i s t r i b u t e d s y s t e m ，w h i c hi s c o n s i s t i n go fp ca n dt h en o d e so fan u m b e ro fd i f f e r e n tf u n c t i o n s e a c hn o d et r a n s m i t s t h ed a t ab yt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w h i c hi sb u i l to nt h ez i g b e et e c h n o l o g y a n d t h ec o o r d i n a t en o d et r a n s m i t st h ed a t at op cb yi n t e m e t t h es y s t e mu s e st h e m e a s u r e m e n to fi n f r a r e do p t o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g yt om e a s u r et h es p e e do fi n f u s i o n ， t r a n s m i t st h et r a n s f u s i o ni n f o r m a t i o no fe a c hm o n i t o r i n gt e r m i n a ln o d et ot h ep c ，a n d m o n i t o r se a c ht e r m i n a ln o d eo nr e a l - t i m e ，w h e na b n o r m a la c c i d e n t sh a p p e n ，p cw i l l n o t i c et h eh e a l t hc a r ew o r k e r st ot i m e l yd e a lw i t ht h r o u g ht h ea l a r ma n ds e n da b n o r m a l i n f o r m a t i o nt ot h et e r m i n a ln o d eo fn u r s e s f i n a l l y , t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es y s t e ma r et e s t e d t h ee x p e r i m e n t s s h o wt h a tt h es y s t e mc a ni m p r o v es t a f fp r o d u c t i v i t y ，r e d u c el a b o ri n t e n s i t yo fh e a l t h c a r ew o r k e r s ，a n dr e d u c et h ew o r k i n gp r e s s u r eo ft h eh e a l t hc a r ew o r k e r s b e s i d e s ，t h e s y s t e m h a sas i m p l e s t r u c t u r e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n d l o wc o s l s t a b l e p e r f o r m a n c e ，e a s yt oe x p a n d ，a n ds o m ep r a c t i c a lv a l u e 一i i 一哪2一舢9哪9咖2 一2一附1洲2 舢y a b s t r a c t k e y w o r d s ：t r a n s f u s i o nm o n i t o r i n gs y s t e m ；w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ；i n f r a r e d o p t o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ；e t h e r n e tc o m m u n i c a t i o n 目录 目录 中文摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 课题研究的主要内容5 第2 章无线传感器网络介绍6 2 1 无线传感器网络介绍6 2 1 1 无线传感器网络概述一6 2 1 2 无线传感器网络的体系结构7 2 1 3 无线传感器网络的特点8 2 2 z i g b e e 技术介绍9 2 2 1 z i g b e e 技术概述9 2 2 2 z i g , b e e 技术的特点1 0 2 2 3 z i g b e e 的网络结构1 0 2 2 4 z i g b e e 协议栈1 l 2 3 本章小结1 3 第3 章系统总体方案设计1 4 3 1 系统需求分析1 4 3 2 系统总体结构1 4 3 3 节点功能分析1 6 一t 黑龙江大学硕士学位论文 i i ii i i i 3 4 无线传感器网络自组网原理1 7 3 5 本章小结2 l 第4 章系统硬件电路设计，2 2 4 1监测终端节点硬件电路设计2 2 4 1 1节点结构设计和微处理器选型一2 2 4 1 2 射频通信模块电路设计2 3 4 13 滴速测量接口电路设计一2 3 4 1 4e d s 8 1 2 液晶接口电路设计2 4 4 - 2 护士终端节点硬件电路设计2 6 4 2 1节点结构设计和微处理器选型一2 6 4 2 2 段式l c d 接口电路设计2 6 4 2 3j t a g 程序下载接口2 7 4 3 路由节点硬件电路设计2 8 4 3 1 路由节点结构设计2 8 4 3 2 路由节点电路设计2 8 4 3 3电源电路设计3 0 4 4 协调器节点硬件电路设计3 1 4 4 1节点结构设计和微处理器选型3l 4 4 2以太网通信接口电路设计31 4 4 3j t a g 接口电路设计3 3 4 4 4 电源电路设计3 4 4 5本章小结3 4 第5 章系统软件设计3 5 5 1 监测终端节点程序设计3 5 一 目录 5 2 护士终端节点程序设计3 6 5 3路由节点程序设计3 7 5 4 协调器节点程序设计3 8 5 4 1以太网通信的实现3 8 5 4 2 协调器节点主程序设计4 2 5 6p c 机应用软件设计4 3 5 7 本章小结4 3 第6 章测试与结果分析4 5 6 1 输液滴速测试4 5 6 - 2 整体测试4 6 6 3 本章小结5 0 结论一5 l 参考文献5 3 附录1射频模块电路原理图一6 l 附录2 监测终端节点电路原理图一6 2 附录3 护士终端节点电路原理图一6 3 附录4 路由节点电路原理图一6 4 附录5 协调器节点电路原理图一6 5 致 射6 6 独创性声明6 7 i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 在我国，人口数目的急剧增加和医疗资源的相对匮乏，使得医院和患者的医 疗负担不断加重。并且随着人们生活水平的改进，人们需要更好的生活质量尤其 是医疗卫生方面的服务质量。网络技术和电子科学技术手段日新月异，近些年来 在各个生产生活领域中都得到了极大发展，尤其是在医疗卫生领域，现代化的医 院的医疗设备不仅具有更加多元化的功能，而且能够便于进行网络化地管理。所 以网络技术与电子技术在医疗卫生领域技术上的结合，能够有效地减轻社会的医 疗负担，改善人们的生活质量0 - 6 。 静脉输液法( 简称输液) ，是一种将人体所需的营养或者药物以液态通过静脉 滴注输入体内的医疗方式。根据调查，采用静脉输液法进行治疗的患者约占患者 总数的9 5 以上。通过静脉输液，可以迅速地补充身体所需的营养和药物，因其 疗效快速确切，得以在临床医学上广泛应用，是一种现代临床医学最重要的治疗、 抢救措施之一。 输液速度是输液过程中的一个重要参数，医护人员需要切实地根据药品的具 体信息、患者病情轻重和患者年龄大小等因素因人而异地选择适合的输液速度， 因为输液的速度的快慢不仅会影响到疗效，而且若是输液速度过快可能造成短时 间内的大量输液导致毒副作用，然而速度过慢可能不能实现治疗效果3 1 。 通过调查得知，目前大多数的医院仍然采用传统的输液方法，即将输液瓶悬 挂在较高的吊钩上，利用液体静压原理与大气压的作用使液滴下落，通过用软管 夹对莫菲滴管夹紧和放松来控制滴速，将人体所需的营养或药物直接滴注输入静 脉内，最终实现了治疗目的。然而，这种方法的局限性也逐步显现出来。首先， 现阶段大多数医院都是由医护人员通过多年临床经验和视觉观察手动调节当前滴 1 一 黑龙江大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i ；i 宣i 宣i i i i i i ；i i ；i i i i i i i i i i ii i i i i 宣i i i i i i i i i i ；i i i i ；i i ；i 宣 速，但是往往实际的滴速并不是很精确。对于病情危重或者身体孱弱的患者，在 输液过程中需要谨慎控制他们的输液速度，输液速度不当可能会导致病情加重， 严重者会危及生命。其次，输液过程完成后，如果不及时更换药物或不及时拔掉 针头，就会导致血液回流，使针孔处皮肤肿胀，给患者带来额外的疼痛。此外， 在整个的输液的过程中，都需要有护理人员的陪护，这就加大了护理人员的工作 强度，消耗了陪护人员的精力，种种的因素使得病区的管理难度增加1 9 1 。 所以，将如今蓬勃发展的网络和短距离无线通信技术相结合，设计一个既能 尽量避免输液过程中可能的医疗隐患；又能有效地提升护理人员的工作效率、减 少护理人员的劳动负担、缓解护理人员工作压力：又能满足目前常规临床输液需 要的输液监测系统，具有很大的实际应用意义。 1 2 国内外研究现状 为了增强输液过程的安全性以及减少护理人员的劳动强度，国内外的专家学 者都对如何实现智能化的输液监测进行了研究和实验1 2 0 - 2 7 】。 1 9 9 8 年，巴西伯南布科联邦大学的e d n ab a r r o s 和m a r c u sv d 等人设计了一 个基于重力原理的输液控制系统。将输液瓶悬挂在弹簧秤的下方，随着输液过程 的进行，瓶体内部的药液会减少、重量变轻，根据重量的变化率来测定滴速，当 超出预设的阈值时会发出警报并进行控制。 2 0 0 4 年，兰州理工大学的张爱华和张克平等人设计了一个电容式的自动检测 系统。将两片电极分别固定在输液瓶体的两侧组成了电容式液位传感器，当输液 瓶内液面变化会引起介电常数的变化，进而导致电容值的变化，通过这种方式实 现了对输液瓶内液面的监测。系统的主从站之间通过c a n 总线进行连接。 2 0 0 8 年，太原理工大学的常晓明和阎晓伟等人：殴计了一个电极式的输液滴速 监控器。将两根电极针插入莫非滴管，当有液滴滴落时会导致电极导通，通过对 电极通断状态的测量，实现对输液滴速的监测。 2 0 0 9 年，合肥工业大学的单巍等人设计了一个有线监控系统。将两个光电传 第1 章绪论 i 感器放置在莫菲滴管的两侧，当有药液滴下时，接收到的光强发生变化，输出的 电压随之变化，以此就可以得出每分钟的输液速度。监测模块通过c a n 总线与p c 机之间组成有线网络。 2 0 0 9 年，兰州大学的郭艾华等人，设计了一个静脉输液无线监控系统。系统 的结构为星型分布式网络，利用光电技术检测滴速，从站之间通过无线模块 n r f 9 0 5 进行通信，最终将数据汇集到无线适配器，该适配器与p c 机之间的通信 通过u s b 接口完成。 2 010 年，阿根廷的h i d e k u n io g a w a 和h i r o m i c h im a k i 等人设计了一个基于 流量检测的新型输液监测系统。将三片铜箔电极分别插入莫菲滴管的项端、中间 和底端，由于药液具有一定的导电性，所以药液与每个电极之间的电容会发生变 化，通过对输出端电容的测定计算出输液滴速。但由于不同药液的电导率相差可 能很大，所以容易出现误报或者漏报等情况。 根据以上对比，在监测方式方面：利用机械式的重力原理测量滴速，设备简 单且成本低廉，但由于在使用过程中与输液瓶材质和药液密度等密切相关，所以 存在的误差就比较大、可靠性低、实用性差；电容式的方案在实际应用中具有一 定的可行性，但是由于输液瓶体积不统一，所以需要考虑多种规格，增加了成本； 电极式的方案结构简单，但是由于电极会和瓶内液体直接接触，所以会增加患者 受到感染的风险，而且都是一次性设备，增加了使用成本；而采用光电式测量方 案，与药液不直接接触，并且与输液器材、不同药品密度等因素无关，从而具备 较好的可行性。 在组网方式方面，早期输液监测设备的网络主要采用有线方式进行数据传输。 通常是通过r s - 2 3 2 、r s 一4 8 5 或者c a n 总线，组成由上位机、逶信模块和多个现 场工作站构成的分布式有线网络 2 8 - 3 5 1 。然而，采用以上几种有线技术组建的网络， 具有不易扩展、布线繁琐、难移动等缺点，同时由于系统都是采用硬线进行连接， 容易发生线路的老化或者腐蚀，增大了故障发生的几率。与之相比，采用短距离 。3 一 黑龙江大学硕士学位论文 无线传输方式构建的无线传感器网络则可以有效地避免上述问题，无线传输的方 式比较灵活，不仅避免了重复布线的麻烦，而且网络的基础设施无需再隐藏在墙 体内部。 当前，常用的几种短距离无线通信技术有：超宽带通信u w b 、红外数据通 信i r d a 、蓝牙、w i f i 和z i g b e e 技术。 超宽带通信u w b ，是一种无线载波通信技术。采用纳秒至微秒级的非正弦 波窄脉冲信号传输数据，工作在3 1 1 0 6g h z 频段中，占用5 0 0m h z 以上的带宽， 其通信速率高达几百m b p s 、功耗低、但是通信距离约为l o 米左右【3 6 1 。 红外数据通信i r d a ，是一种利用红外信号进行点对点通信的无线通技术。具 有体积小、连线简单、功耗低等优点。但是此技术只能同一时间内只能连接两台 设备，而且当前的最长通信距离为3 米，接收角度为3 0 。，易受障碍物影响【3 7 1 。 蓝牙( b l u e t o o t h ) ，是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范。工作 于2 4g h z ，支持点对点及点对多点通信，通信速率可达1m b p s ，无角度限制， 连接距离一般小于1 0 米。但由于这种技术最多只能配置7 个节点，因此制约了它 在大型传感器网络中的应用【3 8 1 。 w i - f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ) 即i e e e 8 0 2 1 1 x 标准。具有较高的几m 至几十m 的传输速率，有效距离约为一百米。但具有较高的功耗、成本、协议开销和必须 要有接入点等缺点【3 9 】。 z i g b e e 技术作为一种新兴的短距离、低速率、低功耗的无线通信技术。具有 三个工作频段：2 4 0 2 - 2 4 8 0g h z 、8 6 8 8 6 8 6g h z 、9 0 2 9 2 8g h z 。传输速率约为 1 0 k b p s 一2 5 0k b p s ，有效传输距离为1 0 1 0 0 米，最多可连接6 55 3 5 个节点。具有 功耗低、应用简单、可靠性高、组网能力强等优点【4 0 1 。 通过对比可以看出，同其他技术相比，z i g b e e 技术具有较多的工作频段，而 2 4g h z 属于免费频段；一般的低功耗模式下，两节普通干电池可以使z i g b e e 设 备工作6 - 2 4 个月；能够形成星形、树形、网状等多种结构；可连接设备数量大、 第1 章绪论 保密措施强、安全性也较高；同时，z i g b e e 技术的组网能力和传输速率能够满足 生理数据传输系统的设计要求1 4 1 , 4 2 。 1 3 课题研究的主要内容 本文提出并设计了一个基于无线传感器网络的输液监测系统。系统利用非接 触式的红外技术对输液滴速进行测量，可以有效减少输液感染的几率；采用 z i g b e e 技术构建无线传感器网络，可以自动地进行网络的自组织。系统可以实现 对各个监测终端节点输液速度的实时采集和显示，出现异常情况可将警报信息通 过无线网络下传到护士终端节点，通知医护人员及时处理。 第一章，阐述了本文的研究背景以及国内外的研究现状，提出了基于无线传 感器网络的输液监测系统的设计方案，并简洁扼要地介绍了论文的内容安排。 第二章，介绍了无线传感器网络和z i g b e e 技术的相关原理、网络结构和特点， 并介绍了z i g b e e 协议栈的结构。 第三章，根据系统的需求分析，首先介绍了本文的总体结构、网络拓扑结构 和设计方案；然后逐次分析了终端节点、路由节点和协调器节点的功能；最后介 绍了基于z i g b e e 技术构建的无线传感器网络的自组网原理。 第四章，分别介绍了终端节点、路由节点、协调器节点的结构设计、主要芯 片的选型以及相关硬件电路设计。 第五章，首先介绍了终端节点、路由节点、协调器节点的工作原理和程序流 程，以及实现以太网通信的原理；最后利用c 抖b u i l d e r 软件设计完成p c 机应用 软件，并根据系统需求，完善软件的设计方案。 第六章，分别测试了系统中各个节点的功能以及整体运行效果，并对测试结 果进行了分析。 最后，总结了本文的研究成果，并对系统的改善提出了展望。 5 黑龙江大学硕士学位论文 第2 章无线传感器网络介绍 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w s n ) ，是由大量的分布于监测 区域内的可移动或不可移动的传感器节点，以自组织和多跳的方式构成的无线网 络。 2 1 无线传感器网络介绍 2 1 1无线传感器网络概述 随着人类社会的发展，各门科学技术也在飞速进步，并不断地影响着人们的 生活环境、改善人们的生活质量。尤其是信息技术的提高，使人类置身于信息时 代，日常生活中信息技术的使用也变得愈来愈普及、愈来愈重要。 在诸多信息获取技术之中，最基础、最重要的传感器技术有了很大进展。现 代传感器技术的日益发展，使得信息的获取技术也从过去的单一化逐渐地走向集 成化、微型化和网络化，这些科学技术在自身发展的同时也促进了无线传感器网 络的发展【4 6 】。 无线传感器网络，将传感器技术、网络技术、嵌入式计算技术、无线通信和 分布式信息处理等多门科学技术融合在一起，在众多集成化的微型传感器的帮助 下，实时地监测、感知和采集各种环境中监测对象的数据信息，并将采集到的数 据以无线传输的方式，通过无线网络传给用户。 传感器网络的发展也经历了一个漫长的过程，如图2 1 所示。出现于2 0 世纪 7 0 年代，利用只能单一地获取信号的传统传感器，结合点对点传输、连接传感控 制器构建了第一代的传感器网络。第二代的传感器网络，将串并口与传感控制器 相连，具有一定的信息综合和处理功能。2 0 世纪9 ( 年代末到2 1 世纪初，出现了 通过现场总线将能够智能地获取多种信号的传感器与传感控制器相连而构建的第 三代智能化传感器网络。目前各国正在研发的第四代传感器网络，可以将大量具 6 一 第2 章无线传感器网络 有多功能多信息信号采集能力的传感器，通过无线自组织的连接方式将众多的、 能够采集多种信号的传感器与传感控制器相连 4 7 1 。 域覆盖 面覆盖 线覆盖 点覆盖 第一代第二代第三代第四代 图2 一】无线传感器网络的发展过程 f i g 2 - 1t h ed e v e l o p i n gp r o c e s s i n go f t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 无线传感器网络技术可以被广泛地应用于军事侦察、医疗护理、环境监测、 智能家居、智能交通、安全保障和工业控制等领域，引起了世界各国对无线传感 器网络技术的重视。 2 1 2无线传感器网络的体系结构 在实际应用中，传感器网络可以将数百个乃至上千的传感器节点或者执行单 元任意放在需要监测的环境中，一定的时间过去后，节点之间依据某种协议自发 地建立起任意两个节点之间的数据传输路径。同时，由于组网过程是自发地进行 的，所以网络结构十分灵活，并具有动态调整的功能【4 s - 5 0 。 无线传感器网络是由多个具有相同功能或不同功能的无线传感器节点组成。 图2 2 是无线传感器网络的典型结构。在一个监测区域内分布着很多的无线传感 器网络节点，各个节点之间通过无线方式传输信息，图中的箭头连线表示可能的 7 黑龙江大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 信息传播路径。通常一个节点都包含信息采集、控制与处理、无线通信、和供电 模块等部分 5 1 - 5 3 。 在网络中，节点按照执行功能的不同可以分为数据采集者( 终端节点) 、数据 中转站( 路由节点) 或者网关节点( s i n kn o d e ) 。终端节点采集周围环境的数据 通过通信路由协议直接或间接的将数据传给网关节点；路由节点接收相邻节点的 数据，并将数据直接发送到网关节点或者转发给距网关更近的相邻节点；网关节 点，负责收集所有节点采集的信息，经过数据处理，通常需要借助其他广域网将 数据发送到用户基站。 或对象 感器节点 图2 2 无线传感器网络的典型结构 f i g 2 - 2t h et y p i c a ls t r u c t u r eo f t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 2 1 3 无线传感器网络的特点 与传统网络相比，无线传感器网络具有一些独有的特点陋6 1 】： 1 大规模网络 为了得到更加精确的数据，人们通常放置成千上万、甚至更多的无线传感器 节点在监测区域内。大规模，一方面是指分布区域范围大；另一方面是指在一定 区域内的大量、密集分布。大规模网络的优点在于：更好的信噪比：更高的数据 精度，并且降低了对单一节点的精度要求；使系统：具有很强的容错性；大面积的 一r 一 第2 章无线传感器网络 空间覆盖使系统的盲区减少。 2 动态性 未工作或者发生故障时，节点可能退出网络；环境因素导致无线通信不稳定； 节点自身具有移动功能；新的节点申请加入。很多因素都会导致网络拓扑处于动 态变化之中。 3 自组织网络 在实际应用中，节点通常会被随机的放置在监测区域内，所以不能预测彼此 之间的关系，因而要求节点要能够自发进行配置和管理，通过某些网络协议可以 自发地进行组网。 4 以数据为中心 传感器网络是一个任务型的网络，传感器节点是网络数据信息的来源，脱离 网络而只谈论节点没有任何的实际意义。 5 面向应用 对于不同的应用，虽然具有一些共性问题，但在开发应用的过程中，只有让 网络更符合实际应用，才能实现更加高效的目标系统。 2 2 z i g , b e e 技术介绍 2 2 1 z i g , b e e 技术概述 z i g b e e 是一种新兴的短距离双向无线网络通信技术，具有低复杂度、低速率、 低功耗、低成本等特点 6 2 , 6 。它的基础是i e e e 无线个人区域网工作组的i e e e 8 0 2 1 5 4 标准。z i g , b e e 协议规范使用了i e e e8 0 2 1 5 4 定义了的媒体控制层( m a c ) 层和物理层协议，此外还定义了网络层( n w k ) 和应用层( a p l ) 。 z i g b e e 是一个无线数据传输网络平台，最多可以容纳6 50 0 0 个无线模块，类 似c d m a 或者g s m 网络。在网络的覆盖范围内，每个无线模块类似于移动网络 的一个基站，彼此之间可以互相通信，节点间的通信距离可由标准的7 5 米扩展到 几百米，甚至几公里。此外，整个z i g b e e 无线网络还可与现有的其它网络链接。 9 黑龙江大学硕士学位论文 不同的是，移动通信是以语音通信为目的，而z i 邸e e 网络是为了实现数据传 输过程的自动化。z i g b e e 网络中的每个节点不仅自身可以与监控对象连接，还可 以自动转发其它节点传来的数据。此外，每个节点还可在自己信号的覆盖范围内 与多个无转发数据任务的孤立子节点连接。 2 2 2 z i g b e e 技术的特点 z i g b e e 是一种低速的无线个域网技术，适用于传输数据量不大、对传输速率 要求不高、分布范围较小，但对成本、功耗和数据安全可靠有一定要求的场合6 5 1 。 它具有以下几个方面的特点： 低功耗：z i g b e e 芯片一般都具有多种电源管理模式，可以有效地配置节点工 作或休眠，系统不工作时可以关闭设备，从而降低系统功耗，节约电量。 低成本：网络协议相对简单，可运行在功能有限的微处理器上，且无专利费。 安全性：无线传输是共享通道的，所以z i i g b e e 在m a c 层和物理层通过 c s m a c s c a 技术和确认、数据检验等手段，提高了数据传输的可靠性。 保密性：采用6 4 位出厂编号，并且支持a e s 1 2 8 加密。 灵活的工作频段：具有3 个免费频段，2 4g h z ( 全球) 、8 6 8g h z ( 欧洲) 、 9 1 5g h z ( 美国) 。 灵活的网络拓扑：具有多种网络拓扑结构，而且网络具有自愈功能。 网络容量大：在一个z i g b e e 网络内，可以容纳多达6 50 0 0 个网络节点。 覆盖范围大：有效通信距离为l o 7 5 米，可以通过功放在低功耗条件下实现 更远距离的通信。 时延短：通信时延以及从休眠状态激活的时延一般在1 5 - 3 0 m s 。 2 2 3 z i g b e e 的网络结构 z i g b e e 将孤立存在的节点，通过无线通信协议组成星型、树型和网状网络等 网络拓扑，如图2 3 所示。为了降低成本，网络中的每个节点的功能并非都相同， 具有部分功能的终端节点，具有数据转发功能的路由节点，和负责网络管理的协 1 n 第2 章无线传感器网络 调器节点 6 6 , 6 7 。 星型结构 树型结构 o 口路由终靖 图2 3 网络拓扑结构 f i g 2 - 3t h es t r u c t u r eo f m e s ht o p o l o g y 星型网络中，所有节点之间禁止通信，所有信息都要通过协调器节点进行转 发，路由节点和终端节点只能与协调器节点进行通信；树型网络中，终端节点的 数据一般要经过路由节点转发才能到达协调器节点；网状网络中，路由节点之间 可以互相通信，终端节点只能与临近的路由节点通信。 2 2 4 z i g b e e 协议栈 z i g b e e 协议栈体系结构如图2 _ 4 所示，其中媒体控制层( m a c ) 层和物理层 协议由i e e e8 0 2 15 4 规范定义，而z i g b e e 联盟定义了网络层( n w k ) 和应用层 ( a p l ) 。 协议栈中的层与层之间通过服务接入点( s a p ) 进行通信，大多数的层都有 数据实体接口和管理实体接口。其中，数据实体向上层提供数据传输服务，管理 实体向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的服务 6 8 - 7 。 黑龙江大学硕士学位论文 zi g b e e 应用层 z i e b e e 网络层 i e e e8 0 2 1 5 4m a c i e e e8 0 2 1 5 4p h y 图2 - - 4z i g b e e 协议栈结构图 f i g 2 - 4t h es t r u c t u r ed i a g r a mo f z i g b e es t a c k 1 物理层( p h y ) 规范 物理层通过射频固件和硬件为m a c 层和物理无线信道之间的连接提供接口。 物理层具有z i g b e e 的激活、信道能量检测、接收链路服务质量信息、信道频率选 择和数据接收等功能。 2 媒体接入控制层( m a c ) 规范 m a c 层定义了特定服务汇聚子层( s s c s ) 和物理层之间的接口。m a c 层具 有网络协调器产生并发送信标、节点与信标同步、支持网络关联和取消网络关联、 提供安全支持、提供可靠通信链路、处理和维护保护时隙机制等功能。 3 网络层( n w k ) 规范 网络层提供了保证i e e e8 0 2 15 4m a c 层的正确工作的能力并且为应用层提 供了合适的服务接口。网络层具有新建网络、配置新节点、加入或离开网络、分 配地址、发现路由和接收控制等功能。 4 应用层( a p l ) 规范 z i g b e e 协议中的应用层是由应用支持子层( a p s ) 、z i g b e e 设备对象( z i g b e e d e v i c eo b j e c t ，z d o ) 、z i g b e e 应用框架( a p p l i c a t i o nf r a m e w o r k ，a f ) 等部分组 成。其中，a p s 层通过一组通用的服务为网络层和应用层之间提供接口；z d o 负 责初始化a p s 、n w k 和安全服务特性( s s s ) 以及根据节点的配置信息确定实现 安全管理、网络管理和绑定管理；a f 为用户自定义的应用对象提供驻留的环境， 一1 2 第2 苹无线传感器网络 在a f 中，应用程序可以通过a p s d e s a p 收发数据，通过z d o 公共接口实现对 应用对象的控制与管理。 2 3 本章小结 本章首先介绍了无线传感器网络，它的网络结构以及区别于传统网络的特点。 然后从z i g b e e 技术的特点、网络结构以及z i g b e e 协议栈的构架等方面介绍了 z i g b e e 技术。 黑龙江大学硕士学位论文 第3 章系统总体方案设计 采用z i g b e e 技术构建的无线传感器网络幺1 1n 灵活、低成本、数据传输安全可 靠、功耗低，应用在医疗场合具有很大优势。 3 1系统需求分析 为了保证本文所设计的输液监测系统的合理性，对实际应用的需求和以往的 输液系统的功能进行调研和分析，确定了本系统需要完成的功能，主要有以下几 项： 监测终端节点能够通过红外技术实现对输液滴速的测量、显示； 发生异常情况能够报警； 协调器节点能够建立并维护整个网络的运行； 网络的覆盖范围要能满足系统需要； 能够与p c 机进行通信； 输液过程中，系统的实时情况可以通过应用软件界面进行显示； 通过p c 机软件，直观显示各个节点的输液状态并能够对患者的相关参数 进行设置； p c 机的应用软件要具有数据存储功能，并能根据一定条件查询输液记录； p c 机应用软件要直观、友好、便于使用； 终端节点要小巧、便于携带； 系统要具有一定的扩展性，将来可以增加其他功能； 应该尽量降低功耗、延长使用时间。 3 2 系统总体结构 根据系统的实际需求，本文设计了一个基于无线传感器网络的输液监测系统， 系统要在医院的病房区建立无线网络，实现对输液状态的实时监测。考虑到一般 1 4 第3 苹系统总体设计方案 医院中的病房彼此之间的距离不会太远，而监护中心需要采集到所有病房中每个 患者的数据，根据z i g b e e 的网络拓扑结构，系统建立如图3 一l 所示的树型网络结 构。在本系统的网络中，终端节点不能直接与协调器节点通信，必须通过路由节 点将数据转发。 协调器口路由。终端 图3 1 系统网络结构 f i g 3 - 1t h em e s hs t r u c t u r eo f t h es y s t e m 基于无线传感器网络的输液监测系统由监测终端节点、护士终端节点、路由 节点、协调器节点和p c 机组成。布局时，将病房区的一层作为一个无线网络； 以护士站到作为监护中心，监护中心的p c 机通过以太网与协调器节点连接、通 信；每个病床放置一个监测终端节点；医护人员随身携带护士终端节点：每个病 房或者楼层走廊中放置路由节点，组成了如图3 - 2 所示的系统总体结构示意图。 各个节点在上电后，由协调器节点发起网络建立，路由节点和终端节点扫描 网络并申请加入网络。工作模式中，监测终端节点利用基于z i g b e e 技术构建的无 线传感器网络，将实时采集的输液滴速数据经路由节点转发数据至协调器节点， 再由协调器节点通过以太网将数据传至p c 机的监测软件，实现输液状态的实时 监测。此外，根据设定的输液滴速阈值，当有异常情况发生时，报警信息将从p c 1 5 黑龙江大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 机通过以太网传至协调器节点，再通过无线传感器网络到达相应的护士终端节点 报警显示，通知医护人员及时处理。 艿房答鑫赫嚣 ，鑫_ 彳i 鑫 卜太嚣八嚣 n r 卜j 吞心嚣鑫叩鑫 ，否、 嚣器慕鑫 图3 2 系统总体结构不蕙图 f i g 3 - 2t h es c h e m a t i cs t r u c t u r ed i a g r a mo ft h es y s t e m 3 - 3 节点功能分析 系统中有三种节点：终端节点、路由节点和协调器节点。 终端节点有两类，即监测终端节点和护士终端节点。监测终端节点具有体积 小、功耗低、便于布置的特点，能够实时地监测患：耆的输液滴速。护士终端节点 具有体积小、功耗低、便于携带的特点。为了降低节点的功耗，延长持续工作时 间，终端节点都不具有数据转发功能，监测终端节点只具有滴速数据的采集和通 一l6 一 第3 章系统总体设计方案 过路由节点将数据上传的功能，而护士终端节点只是接收报警信息和显示出现异 常情况的患者的病房和病床号，以便通知护理人员及时处理。 路由节点负责根据数据包的目的地址，按照路由表将接收到的数据进行转发 到相应节点，它为协调器节点和终端节点之间的通信建立了一条路径，并扩大了 网络的覆盖范围。 协调器节点主要负责整个网络的建立、批准节点加入网络、滴速数据的上传 和p c 机的报警信息的下传等功能，协调器节点与监护中心的p c 机通过以太网接 口完成通信。 3 4 无线传感器网络自组网原理 在设计节点的组网功能时，为了利于开发以及通用性等因素的考虑，移植了 t i 公司的基于一个轮转查询任务式的操作系统z s t a c k 协议栈。该系统在对协 议栈中的各层初始化之后，就会进入低功耗模式。当有事件发生时，系统将被唤 醒，然后进入中断处理事件，事件处理完毕之后再度进入低功耗模式；若有几个 事件同时发生，则按照网络中的优先级逐次处理事件，采用这种软件结构可以尽 可能地减少系统不必要的功耗。 本文所设计的系统网络主要是由一个协调器节点、若干的路由节点和若干的 终端节点这三类设备组成，其中，终端节点( 包括监测终端节点和护士终端节点) 只需要有加入和离开网络的功能；协调器节可以新建一个网络、允许路由和终端 节点加入或者离开网络、分配网络地址给路由和终端节点的功能；此外，路由节 点和协调器节点都具有建立和维护路由表的功能【7 2 ，7 3 1 。 1 新建一个网络 z i g b e e 网络的建立必须由协调器节点发起，具体工作流程如图3 3 所示。当 协调器节点上电后，首先m a c 层扫描可用的信道，然后再搜索可用信道中其他 未使用或者使用最少的信道，若没有可用信道则建网失败，若搜索成功，则协调 器节点确定一个p a ni d 和1 6 位网络地址并设置相关参数，启动新网络的建立。 一1 7 黑龙江大学硕士学位论文 图3 -