（生物医学工程专业论文）基于无线传感器网络的远程监护系统研制.pdf

a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) i si n t e g r a t i o no fs e n s o rt e c h n i q u e s ， n e s t e dc o m p u t a t i o nt e c h n i q u e s ，d i s t r i b u t e dc o m p u t a t i o nt e c h n i q u e sa n d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e s w h i c hi san e wk i n do fi n f o r m a t i o n a c c e s s i n ga n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a tp r e s e n t ，w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k si nt h ef i e l do fm e d i c a la n dh e a l t ha p p l i c a t i o n s ，e s p e c i a l l yi n t e l e - m o n i t o r i n ga p p l i c a t i o n s ，h a sa ni m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et o o u rc o u n t r ye n t e r e do l da g e ，w h i c hc a nm i t i g a t e st h ei m b a l a n c eb e t w e e n s u p p l ya n dd e m a n do fm e d i c a lr e s o u r c e s ，m e e tt h ep e o p l e sg r o w i n g n e e d so fm e d i c a l ，a n dp r o m o t ep e o p l e sh e a l t ha n di m p r o v et h eq u a l i t yo f 1 i f e ，n l i sp a p e rd e v e l o p sar e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k ，w h i c hd e t a i l e d l yd e s c r i b et h eh a r d w a r ed e s i g no fn o d e s ， c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa n dt h ed e v e l o p m e n to fg u a r d i a n s h i ps o f t w a r e t h en e wt y p eo fs t r u c t u r e ，u s i n ga v r - sa t m e g al6 la sm i c r o p r o c e s s o r a n dn o r d i c sm 强2 4 01a st r a n s c e i v e r , i su s e di nt h en o d e s ，w h i c hc a n e n s u r et h en e e d so fd a t aa c q u i s i t i o na n dd e l i v e r ya n da c h i e v el o w c o s t o nt h eb a s i so ft h en o d e ，c o o r d i n a t o ru s e dt h es e r i a ld a t ac o m m u n i c a t i o n m o d u l et oe x c h a n g ed a t aw i t ht h ep c t 0t h es t a rn e t w o r k so fz i g b e e ，t h e p a p e rd e v e l o p e das i m p l ea n ds t a b l ep r o t o c o l ，w h i c h a c h i e v e dr a p i d c o m m u n i c a t i o no fd a t ab e t w e e nn o d e sa n dc o o r d i n a t o r u s i n g o b j e c t o r i e n t e d a n dv i s u a l i z a t i o no ft h ev c + + 6 ot od e v e l o pa g u a r d i a n s h i ps o f t w a r e ，w h i c h c a na c h i e v ead y n a m i cd i s p l a ya n d r e a l t i m es t o r a g ea b o u tg u a r d i a n s h i pp a r a m e t e r sa n dt h en e e dt os e a r c h f o rac e r t a i np e r i o do ft i m ei na c c o r d a n c ew i t ht h es c o p eo ft h ed a t a r e c o r d st of a c i l i t a t em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i so fh e a l t hc a r e t h ea n a l o gv o l t a g eo ft h et e m p e r a t u r ea r er e g u l a r l yc o l l e c t e db yt h e n o d e ，a f t e ra dc o n v e r s i o n ，w h i c ha r es e n tt ot h ec o o r d i n a t o rn r f 2 4 0 1 t h r o u g ht h e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc h i p ；d a t aa r es e n tt ot h e g u a r d i a n s h i p s o f t w a r e t h r o u g h t h es e r i a li n t e r f a c e b yc o o r d i n a t o r ； g u a r d i a n s h i p s o f t w a r eu p d a t ea n ds t o r ed a t a ，w h i c hw i l lw a mo f a n o m a l i e s ：t h et e l e m o n i t o r i n gi sr e a l i z a t i o n a f t e rac o m p r e h e n s i v et e s t i i t h es y s t e ma c h i e v e dt h ed e s i r e dr e s u l t st oc a r ef o ran u m b e ro f o b j e c t st o b er e a l t i m ec u s t o d yo ft h eb o d yt e m p e r a t u r e ，w h i c hr e s e r v e de c g a n d o x y g e ni n t e r f a c e t o f a c i l i t a t et h e e x p a n s i o n o f m u l t i - p a r a m e t e r m o n i t o r i n gs y s t e m k e yw o r d sw s n ，n o d e ， n i 冲2 4 0 1 t e m p e r a t u r e ，g u a r d i a n s h i ps o f t w a r e ， i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：王焦日期： 学位论文版权使用授权书 钽月等日 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：以导师签名堂窆蜮期： 钍月尹 第一章绪论 1 1 远程医疗的概念 1 9 8 8 年，远程医疗( t e l e m e d i c i n e ) 的概念在美国提出。9 0 年代以来，由于多 媒体通讯技术的发展，远程医疗的应用有了技术保障，发展尤为迅猛。从广义上 讲，远程医疗是指所有使用远程通信技术和计算机技术来实现远距离的疾病诊 断、治疗和健康护理等多种医学功能的医疗模式。它包括远程诊断、远程会诊咨 询及护理、远程教育、远程医疗信息服务等所有医学活动。从狭义上讲，远程医 疗是指远程影像学、远程诊断及会诊、远程护理、远程监护等医疗活动【l 】。 远程医疗以多种数字传输方式，通过计算机网络，多媒体技术和远程医疗软 件系统，建立不同区域的医疗单位之间、医师和患者之间的联系，完成远程咨询、 诊治、教学、学术研究和信息交流任务，形成医学专家之间、及其与患者之间的 一种全新的诊疗模式【2 4 1 。 1 2 远程医疗的研究背景和意义 1 2 1 研究背景 科学技术的突飞猛进和不断发展促进了人们健康水平和生活质量的日益提 高。与此同时，随之而来的人口老龄化也已经成为一个全球性现象。2 0 0 2 年， 在全世界1 8 6 个国家和地区中，有6 8 个已经进入“老年型”社会。人口结构调 查结果显示，我国也已经进入“老年型”社会。预计到2 0 4 0 年，6 5 岁及以上的 老年人口占总人口的比例将超过2 0 。由于老年人大多患有各种慢性疾病，以及 青少年罹患各种“富贵病”的情况也日益严重，导致了医疗需求的快速增长和医 疗费用的急剧上升。据2 0 0 4 年公布的中国居民营养与健康现状显示，我国 慢性非传染性疾病的患者上升迅速，全国1 8 岁及以上居民患高血压病率为 1 8 8 ，估计全国患病人数达1 6 亿多：而1 8 岁及以上居民患糖尿病病率为2 6 ， 估计全国患病人数达2 0 0 0 多万。 人口老年化进程的加快，各种慢性疾病在老年人中的肆虐，人们健康意识和 保健要求的日益增强，正在推动医疗模式从以症状治疗为中心的模式向以预防为 主、早诊断、早治疗的模式转变。此外，基于医院提高工作效率的需求，希望能 够实时地监控有各类慢性或突发性疾病的患者，这一切都使远程医疗监护越来越 受到国际上的关注【5 】。 电子技术、计算机技术、通信技术的飞速发展为我们的生活带来了便利，也 1 亟堂位i 金塞箍二重绪! 金 为医疗体系的发展带来了新的机遇。如何将信息技术应用于医疗，一直是世界各 发达国家的重点发展目标，欧美许多国家正积极推动医疗信息基础建设 ( h e a l t h c a r ei n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ，h c i i ) ，我国也推出了金卫医疗网络工程 等项目，目的在于集成信息科学、计算机技术和通信应用技术于医疗卫生领域的 高科技产业，优化医疗保健服务，加速实施我国医院管理及医疗卫生事业现代化 建设的进程。 1 2 2 研究意义 科学研究和医疗保健的需求、信息技术的飞速发展，都推动着远程医疗监护 技术的进步，发展远程医疗监护技术具有重大的现实意义： 有效的缓解医疗资源的供求矛盾。改革开放以来，我国虽然经历3 0 年的 高速发展，2 0 0 8 年经济总量超过了3 0 万亿元，跃居世界第三，但是医疗资源仍 然缺乏而且分布极不平衡。中心城市和较发达地区的人口占2 0 ，却有8 0 的 医疗资源可以使用，而广大农村和经济落后地区的人口占8 0 ，却仅有2 0 的 医疗资源可以使用。远程医疗会诊系统开辟了广大农村和经济落后地区利用中心 城市的医疗资源的信道，将有效地缓解医疗资源的供求矛盾。 满足人民群众日益增长的医疗需要，缩短医生和患者之间的距离，为患者 提供及时救助，减少患者或医务人员的路途奔波。改革开放以来，广大乡村居民 的生活水平显著提高，即便是经济落后地区也在逐步改善，人民群众在医疗方面 的需要不断增长。由于当地医疗水平低下，一旦有危重或疑难病症，便不惜人力 和财力冒着风险奔向大城市就医。远程医疗监护系统可以使病人在当地就能够及 时得到专家的医疗服务，既节省时间，又避免长途劳顿之苦，“可谓病人不出门， 神医天上来”。对患者的重要生理参数实施远程监护，不仅可以辅助治疗，还能 在患者病情突然恶化时报警。远程医疗监护系统将造福于全国人民。 支持抢险救灾中的卫生工作。我国幅员辽阔，自然灾害和意外事故难以避 免。当发生重大灾害和事故时，环境恶化，交通不便，抢救伤病员的任务极为艰 巨。如果现场装备远程医疗会诊系统，可以让各地专家进一步观察现场，更有效 地指导现场的医疗救护和防疫工作。在抢险救灾的卫生工作中，远程医疗会诊必 将发挥重要作用。 对自理能力较差的老年人和残疾人的日常生活状态实施远程监护，不仅能 提高医护人员的护理水平和患者的生活质量，还可以评估监护对象的独立生活能 力和健康状况。 远程监护可以在患者熟悉的环境中进行，减少了患者的心理压力，提高了 诊断的准确性。对健康状况进行监护，可以发现疾病的早期症状，从而达到保健 和预防疾病的目的。 2 亟堂僮论塞 一 箍= 童绪! 金 先进的医学支持系统为通信和信息领域中的新技术提供了一个进行评测 的平台，如虚拟环境、智能传感器和辅助医生的决策系统等 6 1 。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 远程医疗的发展水平是不平衡的，美国和欧洲要领先其它国家很多。他们起 步早，国家投入大，远程医疗的支撑技术成熟。国外的发展状况总体上是比较先 进的，主要应用是远程会诊和治疗，其次是战时急救。远程医疗中的一些子系统 发展水平较高，比如医院的信息化系统( h i s ) 和电子病历( e p r ) 以及图片存档及通 信系统( p a c s ) 等技术非常成熟。 美国凭借其雄厚的科技和财力资源，几乎在远程医疗的所有方向上都在进行 探索和尝试，诸如国防部远程医疗试验台远程医疗项目的局部数据调用；俄克拉 荷马大学健康科学中心的心脏病心律不齐咨询系统；比萨大学放射学系的病人图 像和数据通讯系统；佐治亚医学院的儿科远程医疗；国家j e w i s h 免疫学和呼吸 医疗中心和l o s a l a m o s 国家实验室联合远程医疗项目；美国乔治亚洲教育医 学系统( c s a m s ) 等等。除了用于社会发展和社会福利方面以外，美国军方研 制的医学顾问系统用于指导美军的战场救护，人体状态监护仪( p s m ，p e r s o n n e l s t a t u sm o n i t o r ) 用于监护携带者的呼吸、体温、心率及其它生理参数等等【3 】。 新加坡南洋理工大学研制了一个基于无线局域网的无线移动式远程医疗系 统，该系统能够实时传输医学数据、声音和图像，同时还能够实现医生和病人互 动【7 1 。 2 0 0 6 年，瑞典移动设备生产厂商爱立信成功研制出无线网络患者医疗监视 系统，并成功进行了临床测试，该系统使患者全身在各类仪器的严密监控下，脉 搏、呼吸频率、血液中氧的饱和度、肌肉活性、心电图数值以及呼出气体中二氧 化碳的含量等数据不断测出，通过无线通信网传输给手机或掌上电脑，再通过移 动通信网络，立即发送到医疗呼叫中心、诊所或医院。上述网络监控系统已在西 班牙、荷兰和塞浦路斯的医院进行了成功的临床测试【8 】。 1 3 2 国内研究现状 我国远程医疗的发展状况总体上是比较落后的。1 9 8 6 年，广州远洋航运公 司对远洋货轮船员急症患者进行了电报跨海会诊，有人认为这是我国最早的远程 医学活动。1 9 8 8 年解放军总医院通过卫星与德国一家医院进行了神经外科远程 病例讨论。1 9 9 4 年上海医科大学华山医院开展，并于同年9 月与上海交通大学 用电话线进行了会诊演示。1 9 9 5 年上海教育科研网、上海医大远程会诊项目启 3 亟堂位论塞簋二重绪论 动，并成立了远程医疗会诊研究室。该系统在网络上运行，具有较强的逼真的交 互动态图像。2 0 0 1 年8 月，中国首次由远程遥控机器人完成的脑外科手术在中 国海军总医院取得成果。这次手术采用由北京航空航天大学机器人研究所和海军 总医院共同开发得要操作远程医用机器人系统，互联网在其中扮演了举足轻重的 角色。2 0 0 3 年9 月，一名工人因脑出血住进沈阳中心院。9 月5 日海军总医院应 沈阳中心医院的邀请这名患者做了远程外科机器人手术。这是目前国最先进远程 医学会诊，也是第一台远程外科机器手术。手术前通过远程医学网络，沈阳中心 医院大量的医学图像( b 超、心电图、c t 影像、核磁影等) 、文本资料( 各项检查 单，病历等) 传送到海军医院，并通过卫星两方专家组织视频会诊讨论，拟定手 术计划。手术过程中海军总医院使用控制软件沈阳中心医院的机器人发送指令， 由机器人对患者实施手术，全过程都是实时的、互动的【1 , 9 - 1 1 】。 国内从事远程监护技术研究单位主要有：清华大学生物医学工程系，第三军 医大学附属大坪医院野战外科研究所第五研究室，军事医学科学院等。 清华大学白净教授领导的研究小组对家庭护理与远程医疗，社区保健工程进 行了研究，其研制的家庭贴心小护士系统为国内外首创，系统由家庭监护器和医 院控制台构成，监护仪内设智能控制系统，可以实时遥测记录心电图和动态血压， 可对心电图进行实时的病类分析，发现异常心率时，自动经过电话线将心电图发 送到医院监控台进行咨询。医院监控台可同时接收、显示多个家庭用户的心电图、 血压数据，并可立即将诊断意见返回家中使用者。此外该研究组还对基于i n t e m e t 的虚拟医疗数据采集器进行了研列1 2 】。 第三军医大学承担了“8 6 3 ”家庭数字化医疗监护系统研究项目，研制了一 套基于掌上电脑的多生理参数监护网络系统，设计了心电监测、血压监测、活动 监测、老年人活动监测等检测模块以及无线发射接受模块，再利用标准的r s 2 3 2 接口与掌上电脑连接，由掌上电脑可对测量仪器发出各种测量控制命令并接收检 测数据，利用其内置的调制解调器通过电话线与监护中心建立远程通信【1 3 】。 2 0 0 7 年军事医学科学院研制了一种适用于多参数生理信号采集的可穿戴式 低负荷生理监护系统其特征是：主要由可穿戴多参数动态采集衣、病人手持终端 和远程医疗服务中心三部分构成，该采集衣采用短距离无线通信方式与手持终端 无线连接，手持终端与接入i n t e m e t 的远程医疗服务中心采用远程无线通信方式 无线连接。实现了患者在家庭环境、工作和生活状态下的低负荷生理参数f 心电、 呼吸、体温和体动等) 动态采集、存储、分析、诊断和异常报警，并借助短距离 无线通信技术、远距离无线通信技术和定位技术，实现对病人的移动监护、远程 动态监护和实时跟踪监护【14 1 。 4 1 4 论文工作与文章结构 1 4 1 论文工作 本文完成的主要工作如下： 无线传感器网络节点、协调器硬件平台的开发； 无线数据传输传感器网络的研究与构建； 终端( p c 机) 监护软件的开发。 1 4 2 文章结构 第一章，绪论。本章介绍了远程医疗的概念，研究背景和意义，以及国内外 研究现状。 第二章，无线传感器网络技术。本章介绍了无限传感器网路技术的概念和应 用；说明了使用z i g b e e 技术来实现无线通讯，并对其协议栈结构和网络构成进 行了分析。 第三章，传感器节点设计。本章介绍了传感器节点、协调器的设计框架和主 要组成模块；编写了节点、协调器的底层代码及组网协议。 第四章，终端监护软件设计。本章介绍了监护软件的开发过程，对串口数据 收发、数据库和数据动态更新部分程序进行了详细的说明。 第五章，系统调试与分析。本章介绍了系统调试过程，对测试结果从理论和 实际上进行了分析。 第六章，总结与展望。本章对论文中所做的工作进行了总结，并对后续工作 的开展提出了展望。 5 第二章无线传感器网络技术 2 1 无线传感器网络技术概念及其应用 2 1 1 无线传感器网络技术的概念 无线传感器网络是一种无基础设施的网络，其综合了传感器技术、嵌入式计 算技术、分布式信息处理技术和通信技术，可以使人们在任何时间、地点和任何 环境条件下获取大量详实而可靠的信息。因此，这种网络系统可以被广泛地应用 于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、工农业、反恐抗灾等 领域。如果说i n t e r n e t 构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式， 那么无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起， 改变人类与自然界的交互方式。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，从 而极大地扩展了现有网络的功能和人类认识世界的能力。美国商业周刊和m i t 技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为2 1 世纪最 有影响的2 1 项技术和改变世界的1 0 大技术之一1 1 5 - 1 7 。 2 1 2 无线传感器网络技术的应用 无线传感器网络由大量无线传感器网络节点组成，它借助于节点内置的形式 多样的传感器来测量、采集节点所在周边区域的多种信息，并以无线的方式传递 汇聚到中心节点( 或者称网关、接入点、协调器) ，这些信息进一步传到与中心 节点相连的管理计算机，管理计算机通过中心节点管理控制网络，即可实现监测、 采集及控制等功能。微型节点采用不同的传感器采集监测信号，可以使无线传感 器网络具有多种功能完成不同应用【1 8 五6 1 。 1 军事应用 由于无线传感器网络无需架设网络设施、快速展开、抗毁性强等使无线数据 通信的首选技术，是军队在敌对区域中获取情报的能够监控我军兵力、设备和物 资，监视冲突区；侦察敌方地形和目标，评估损失；侦察和探测核、生物和化学 攻击。 2 环境监测 无线自组传感器网络可实现对森林火灾的监测。随机密布在森林协同合作在 很短的时间内将火源的具体地点、火势的大小等信息传感器网络在环境方面的应 用还包括：水土保持、监视农作物灌气情况；牲畜、家禽的环境状况、大面积的 地表监测和行星监测究、洪水监测以及跟踪鸟类、小型动物和昆虫等种群复杂度 6 亟堂僮论塞筮三童玉线佳盛噩圆络拉苤 的研究。 3 紧急和临时场合应对 在遭受地震、水灾、强热带风暴或遭受其它灾难打击的地区，固定通讯设施 可能被全部摧毁或无法正常工作，这时就需要无线传感器网络固定网络设施、能 快速布设的自组织网络技术。边远或偏僻野外破坏的自然保护区，无法采用固定 或预设的网络设施进行通信，传感器网络来进行信号采集与处理。无线传感器网 络的快速展开是这些场合通信的最佳选择。 4 空间探测 借助于无线传感器网络实现对星球表面大范围的、长时期、近索，包括对未 知区域进行探测和对己知区域进行更加详细的探测探测器失效而带来整个探测 任务的失败，是一种经济可行的方案。 5 远程医疗 传感器网络在医疗方面可以远程监控人体状况并提供诊断。每一个病人可以 随身携带若干体积微小的传感器节点，这些节点可对病人的心跳速率、血压等进 行实时检测，如果发现异常医生可尽快抢救。传感器网络还可用于医院里的药品 管理，将传感器节点按药品种类分别放置，计算机系统即可帮助辨认所开的药品， 从而减少病人用错药的可能性。 2 2 短距离无线通讯技术 无线传感器网络节点的通信介质可以是无线、红外或者光介质。常用无线链 路是i s m 频带( 见表2 1 ) ，在大部分国家是公用频带【2 7 ，2 8 1 。i s m 频带通信有免费、 全球通用、频带宽等优点，无线传感器网络利用i s m 频带可以有更好的通用性， 可以更自由地设计能量节省策略而不受特定通信平台的限制。但无线射频通信需 要调制、频带传输、滤波、解调和复杂的电路，这些又使传感器节点更复杂、价 格更贵。 表2 1i s m 频段 国家或地区i s m 频段 中国 欧洲 美国 4 3 3 m h z 、2 4 g h z 4 3 3 m h z 、8 6 6 m h z 、2 4 g h z 2 7 m h z 、2 6 0 4 7 0 m h z ( 有限制) 、9 0 2 9 2 8 m h z 、2 4 g h z 红外通信也是无线传感器网络可能采用的一种通信方式，红外通信不受电子 信号干扰、公用的特性很适合无线传感器网络，而基于红外通信的无线收发器具 有廉价、易于制造的特点，但红外通信需要收发者之间没有其他介质，阻碍了在 7 亟堂僮i 金塞筮三童玉线佳盛墨圆络撞苤 无线传感器的应用。 使用光介质通信是一种应用于无线传感器网络的新的通信方式。典型应用有 u cb e r k e l e y 的s m a r td u s tm o t e ，它可以像尘埃一样悬浮在空中，有效地避免了 障碍物的遮挡，采用光介质进行节点通信。虽然在通信方式上无线传感器网络可 以采用无线、红外和光介质等多种形式，但一般认为短距离的无线低功率通信技 术最适合传感器网络使用。 短距离无线通讯和长距离无线通讯有很多方面的区别，其主要特征如下： 无线发射功率为几微瓦( 1 - tw ) 到1 0 0 1 tw ； 通讯距离范围为几厘米( c m ) 到几百米( m ) ； 主要是房间内使用； 使用全向天线和线路板天线： 不需要申请无线频道； 高频操作； 电池供电的天线发射器和无线接收器。 目前，五种短距离无线网络技术正在成为业界谈论的热点，它们分别是无线 局域网( w i f i ) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、超宽频技术( 1 m 僵) 、近距离无线传输( n f c ) 和z i g b e e 。超宽频技术以前主要应用于军事领域，目前虽然开始应用于民用， 但是成本很高：近距离无线传输类似于非接触式射频识别( r f d ) ，通讯距离不 超过5 0 c m ；其余三种无线网络技术的比较如表2 2 所示。 表2 - 2b l u e t o o t h ， w i - f i 和z i g b e e 的比较 8 亟堂僮途塞箍三重玉线佳感墨圈终拉苤 考虑到远程监护需要小数据量、对适时性要求不高的特征，选用任何无线通 信技术必须考虑以下几点： 低成本：传感器节点和协调器是低成本的； 低功耗：内置电池正常使用时间应不低于一个月，减少因频繁更换电池带 来的麻烦； 性能可靠，无须大量维护：这些产品应该经久耐用： 伸缩性能好：需要联网几百至几千个设备； 要求数据传输可靠性高，安全性高。 通过对几种主要无线通信技术的比较，可以得出：z i g b e e 是目前最适合用于 医疗监护的短距离无线通信技术。 2 3 z i g b e e 技术标准协议体系 2 3 1z i g b e e 协议栈结构 z i g b e e 这个名字来源于蜂群的赖以生存和发展的通信方式：蜜蜂通过跳 z i g z a g 形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。 z i g b e e 协议栈由一组子层构成【2 8 3 0 1 。每层为其上层提供一组特定的服务： 一个数据实体提供数据传输服务，一个管理实体提供全部其他服务。每个服务实 体通过一个服务接入点( s a p ) 为其上层提供服务接口，并且每个s a p 提供一 系列的基本服务指令来完成相应的功能。 j z i g b e e 应用层 涮 餐 g z i g b e e 网络层 耋p n 寸j l i e e e8 0 2 1 5 。4m a c 层 “ 一 一 o 匝e e8 0 2 1 5 4e e8 0 2 1 5 4 o o 叫日 8 6 8 9 1 5m h zp h y 层2 4 g h z p h y 层 【】 h r1 图2 - 1z i g b e e 体系结构模型 z i g b e e 协议栈的体系结构如图2 1 所示。它虽然是基于标准的7 层开放式系 统互联( o s i ) 模型，但仅对那些涉及z i g b e e 的层予以定义。2 0 0 0 年1 2 月i e e e 成立了i e e e s 0 2 1 5 4 工作组，i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 标准定义了最下面的两层：物 理层( p h y ) 与介质接入控制子层( m a c ) ：2 0 0 1 年8 月z i g b e e 联盟成立，提 9 亟堂位途塞 箍三童玉线佳感器圆终拉苤 供了网络层、安全层( a p l ) 框架的设计。其中，应用层的框架包括了应用支持 子层( a p s ) 、z i g b e e 设备对象( z d o ) 及由制造商制定的应用对象。 ( 1 ) i e e e 8 0 2 15 4 物理层规范 物理层的主要功能：激活或者关闭无线收发机、能量检沏i j ( e d ) 、链路质量指 示( l q i ) 、信道频段选择、数据发送和接收。 z i g b e e 使用的无线信道由表2 3 确定，频率和信道如图2 2 所示。可以看出， z i g b e e 使用的3 个频段定义了2 7 个物理信道，其中：8 6 8 m h z 频段定义了1 个 信道；9 1 5 m h z 频段附近定义了1 0 个信道，信道间隔为2 m h z ；2 4 g h z 频段定 义了1 6 个信道，信道间隔为5 m h z 。较大的信道间隔有助于简化收发滤波器的 设计。 表2 - 3z i g b e e 无线信道的组成 8 6 8 m h z 9 1 5 m h z 信道0信道1 1 0 物理层 2 4 g h z 物理层 9 0 2 m h z 信道1 1 - - 2 6 9 2 8 【h z 2 4 g h z 2 4 8 3 5 g h z 图2 - 2 频率和信道分布 i e e e 在物理层还规范了传输数率以及调制方式等相关要求： 在8 6 8 m h z 的物理层的数据传输速率为2 0 k b p s ；接收灵敏度为9 2 d b m 或 更高；最小抗干扰水平：邻近信道抗干扰电平为0 d b ，交替信道抗干扰电平为 3 0d b ；采用带有二进制移相键控( b p s k ) 的直接序列扩频( d s s s ) 技术。 在9 1 5 m h z 的物理层的数据传输速率为4 0 k b p s ；接收灵敏度为9 2 d b m 或 10 l 亟堂焦途塞箍三童玉线佳盛墨圈终撞苤 更高：最小抗干扰水平：邻近信道抗干扰电平为0 d b ，交替信道抗干扰电平为 3 0d b ；采用带有二进制移相键控( b p s k ) 的直接序列扩频( d s s s ) 技术。 在2 4 g h z 的物理层的数据传输速率为2 5 0 k b p s 接收灵敏度为8 5 d b m 或 更高；最小抗干扰水平：邻近信道抗干扰电平为0 d b ，交替信道抗干扰电平为 3 0d b ；采用1 6 相位正交调制技术( 唧p s k ) 。 ( 2 ) l e e e 8 0 2 1 5 4m a c 层规范 i e e e 8 0 2 系列标准把数据链路层分成逻辑链路控制子层l l c ( l o g i c a ll i n k c o n t r 0 1 ) 和介质接入控制子层m a c 两个子层。 l l c 子层的主要功能是进行数据包的分段于重组，以及确保数据包按顺序 传输。 i e e e8 0 2 1 5 4m a c 子层实现包括设备间无线链路的建立、维护与断开，确 认模式的帧传送与接收，信道接入与控制，帧校验与快速自动请求重发( a r q ) ， 预留时隙管理以及广播信息管理等。m a c 子层处理所有物理层无线信道的接入。 主要功能有：网络协调器产生网络信标、网络中设备与网络信标同步、完成p a n 的入网和脱离网络的过程、网络安全控制、利用c s m a _ c a 机制进行信道接入 控制、处理和维持g t s ( g u a r a n t e e dt i m es l o t ) 机制、在两个对等的m a c 实体 间提供可靠的链路连接。 m a c 规范定义了三种数据传输模型：数据从设备到网络协调器、从网络协 调器到设备、点对点对等传输模型。对于每一种传输模型，又分为信标同步模型 和无信标同步模型两种情况。 在数据传输过程中，z i g b e e 采用了c s m a c a 碰撞避免机制和完全确认的 数据传输机制，保证了数据的可靠传输。同时为需要固定带宽的通信业务预留了 专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。 m a c 规范定义了四种帧结构，包括信标帧、数据帧、确认帧和m a c 命令 帧。 2 3 2z i g b e e 网络的构成 传感器网络系统通常由三个部分组成：传感器节点网络、网关、用户应用， 如图2 3 所示。传感器节点网络由大量具有传感、处理、通信部件的节点组成， 每个节点能够采集环境信息( 如温度、湿度、光强、震动、物体移动等数据) ，进 行初步处理，相互之间通过无线方式交换信息。网关( 也称为汇聚节点s i n kn o d e ) ， 将传感器节点网络收集的环境信息汇集后，递交给用户应用。用户应用如果对 物理现象感兴趣，通过网关向网络发布查询和监视命令，传感器网络响应用户的 命令，采集数据或监视事件发生，并将结果通过网关反馈给用户。 ( 1 ) 节点 亟堂僮论塞 笈三童玉线佳感器圆终拉苤 在不同应用中，虽然传感器节点的硬件组成不尽相同，但基本都遵循一个统 一的架构，即由数据采集( 传感器) 、数据处理、数据传输( 无线收发机) 和电源供 给这四个部分组成，如图2 4 所示。此外，根据应用目的和使用环境的不同，节 点上还会配置一些特殊功能单元，例如：电源自供电系统、全球定位系统等等。 图2 - 3 传感器网络系统结构图 传感器节点采用的上述设计架构，是借鉴了传统嵌入式产品开发的许多经 验。但是，这种架构毕竟是基于通用嵌入式电子产品的开发流程而设计的，对于 无线传感器网络这一特定应用背景，该结构并不是最优秀的。目前，设计人员正 在研究新的架构，比如：将处理器模块和无线通信模块合并成一个模块，以降低 功耗和体积；将更多的外围辅助模块集成到各个主要模块中去，以降低开发成本 等等。可以预见，新的设计架构将更加符合传感器节点的应用特点，大幅提升产 品的设计水平，满足各行各业的实际需要。 附加设备1附加设备2 上t 传感器c a d c ，卜_ 叫微处理器c 存储器， 卜叫通讯单元数据收发 t l 电源c 可带电源能量检测， 图2 4 无线传感器节点基本组成 在z i g b e e 网络中，支持两种类型的物理设备：全功能设备和精简功能设备。 全功能设备( f f d ，f u l lf u n c t i o nd e v i e e ) 特点：支持任何拓扑结构；可 以成为网络协调器；能和任何设备通信。 1 2 亟堂僮i 金塞蓥三童五线伎感噩圜终拉苤 半( 精简) 功能设备( r f d ，r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ) 特点：只用在星型拓 扑中；不能成为网络协调器；只能和网络协调器通信；实现非常简单。 z i g b e e 网络要求至少一个全功能设备作为网络协调器，网络协调器要存储 以下的基本信息：节点设备数据、数据转发表、设备关联表。终端设备可以是精 简设备用来降低系统成本。 网络协调器和网络节点有以下的功能： z i g b e e 网络协调器：建立网络；传输网络信标；管理网络节点；存储网 络节点信息；在关联节点之问路由信息。 ( 室) z i g b e e 网络节点：为电池供电和节能设计；搜索可用的网络；按需传输 数据：向网络协调器请求数据。 ( 2 ) 地址分配模式 所有z i g b e e 设备均将有一个6 4 b i t 的i e e e 地址，这是一个全球唯一的设备 地址，需要得到z i g b e e 联盟的许可和分配。在子网内部，可以分配一个1 6 b i t 的地址，作为网内通信地址，以减小数据报的大小。地址模式有两种，如图2 - 4 所示。 星型拓扑：网络号+ 设备标识。 点对点拓t f 直接使用源目的地址。 星状拓扑 n 协调器 、 点对点拓扑 全功能节点( ) 半功能节点 ( ) 全功能节点( )半功能节点 、-1， 图2 4 无线传感器典型的网络拓扑结构 这种地址分配模式，决定了每个z i g b e e 网络协调器可以支持多于6 4 0 0 0 个 设备，而多个协调器可以互连从而可以构成更大规模的网络，逻辑上网络规模取 决于频段的选择，节点设备通信的频率以及该应用对数据丢失和重传的容纳程 度。 1 3 2 4 本章小结 本章介绍了无线传感器网络技术的概念及其应用，通过分析和比较五种目前 常用的短距离无线通讯技术，并结合本文设计的需要，得出了使用z i g b e e 无线 通讯技术来实现短距离通讯。此外，本章还介绍了z i g b e e 技术的协议栈结构及 其网络构成。 1 4 第三章传感器节点设计 3 1 传感器节点总体设计框架 无线传感器网络节点主要功能为采集人体生理指标数据，并且通过射频通讯 的方式，将采集到的数据进过简单处理以后传输给监护基站设备。节点主要包括 四部分：微处理器模块、无线数据通信模块、传感器模块( 带a d c ) 和电源模 块。节点框图如图3 1 所示。 图3 - 1 监护传感器节点框架 ( 1 ) 传感器模块 人体的生理信息包括多种数据，例如体温、血压、心电、脑电、血氧等等， 需要不同的生物传感器来实现。本文主要对体温传感器节点经行了硬件设计。其 余参数的传感器暂时没有使用，但是在传感器节点上面预留了空间和相应的接 口，可以根据需要添加相关的传感器。 由于人体的一些参数是小信号，而且会伴随大量的干扰，所以设计的时候一 定要考虑是否进行信号的放大和相关的滤波，以便达到a d 转换的需要。 ( 2 ) a ，d 转换 传感器采集到的数据，经过一定调整后就能满足a d 转换的需要，a d 转 换电路将其转换成数字信号送给微处理器。如果微处理器内部带有a d 转换电 路，那么可以根据需要直接使用，而不需要外界的a ，d 转换电路。 ( 3 ) 微处理器 处理器模块是无线传感器节点的计算核心，所有的设备控制、任务调度、功 能协调、通信协议、数据收发程序都将在这个模块的支持下完成，所以处理器的 选择在传感器设计中是至关重要的。 无线传感器网络节点适合的处理器需要外形尽量小、集成度高、功耗低且支 持睡眠模式、运行速度足够快、丰富的外部通用1 0 端口和通信接口、成本低、 15 殛堂位i 金塞箍三重佳感噩苴虑遮让 有安全性保证、有足够的技术支持来减少开发周期。 目前使用比较多的是a t m e l 公司的a v r 系列单片机、t i 公司的m s p 4 3 0 超低功耗系列处理器，同时f r e e s c a l e 、m i c r o c h i p 、s t 、s s t 等公司也有类似的 产品。 本设计中根据低功耗、低成本和处理能力的需要，采用a t m e l 公司的 a t m e g a l 6 l 系列单片机。存储器部分主要用于存储传感器所采集的临时数据， 在处理器将数据传输之后，传感器节点内不做大量的存储。 ( 4 ) 电源模块 鉴于监护传感器节点要由病人随身携带，所以其能源不可能来自于现在普遍 使用的工业电能，而只能求助于自身的存储。一般来说，目前使用的大部分都是 自身存储一定能量的化学电池。传统锂电池有循环使用，寿命长能量密度大的优 点，本设计采用一节锂电池供电。 ( 5 ) 无线数据通信模块 在医院应用的医疗监护设备对电磁辐射的要求都很高，对于设备来讲，辐射 的电磁波既不能够干扰其他设备正常工作，同时也应具有一定的抗干扰能力，不 受其他设备辐射出的电磁波干扰。因此，在医院或者使用无限通信的家庭医疗设 备在设计中必须对此方面进行考虑。 在本系统中，采用的通信标准为i e e e8 0 2 1 5 4 ( z i g b e e ) 标准，使用的射 频通信为全球公开的免费2 4 g h z 的i s m ( i n d u s t r i a l 、s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ) 频 段。它是一种低复杂度、低功耗、低成本的无线通信技术，可以在1 0 m - 1 0 0 m 的 范围内，以2 0 k b s 2 5 0 k b s 的传输数率来传输医疗数据。传感器节点通过无线电 波以接力的方式将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非 常高。节点很省能，可以用干电池或锂电池作为电源，一般情况下可以支持6 个月到2 年，大大减少了因频繁更换电池的麻烦。 目前市场有数款基于z i g b e e 技术的平台，其各有特点，主要有以下几种： o ) c h i p c o n 公司( 已经被t i 收购) 推