（生物医学工程专业论文）基于多生理参数测量的无线传感网络节点的研究.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s | tr a c t r e s e a r c h0 1 1w i r e l e s ss e n s o rn o d ef o rp h y s i o l o g i c a ld a t ame a s u r e m e n t a u t h o r ：z h a n gw e i s u p e r s i v o r ：p r o f l uz u h o n g b i o m e d i c a le n g i n e e r i n g , s o u t h e a s tu n i v e r s i t y w i t ht h ed e v e l o p m e n ti ne m o t i o nr e c o g n i t i o na n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ec u r r e n t l y e d u c a t io na s s e s s m e n tm e t h o dc a 3n o tm e e tt h en e e do ft h eo b je c t iv ea s s e s s m e n to nt h et e a c h in g e f f e c t i no r d e rt om a k i n ge d u c a t i o na s s e s s m e n tm o r es c i e n t i f i c a l l y ，w en e e dt oc o l l e c tr e a l t i m e p h y s io lo g ic a ld a t a , w h ic h d i r e c t lyr e l a t in gt ot h em e n t a ls t a t e t h e r e f o r e , w ed e v e lo pa m u l t i - p h y s i o l o g i c a ld a t ac o l l e c t t i n gn o d eb a s e do nz i g b e ep t o t o c o lu s i n gw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ， w h ic hc a np r o v id et h er e a l - t im e , a c c u r a t ea n ds c ie n t if ice v a lu a t io ns t a n d a r df o re d u c a t io n a s s e s m l e n t t h isp a p e rm a in lys t u d ie s0 1 3t h eb e lo wa s p e c t s ：t h eg e n e r a ld e s ig no ft h ed a t ac o lle c t in gn o d e i nh a r d w a r e , w ed e s i g nt h ed r c u i to ft h ed a t ac o l l e c t i n gp a r t ，t h em i c r o c o n t r o l l e rc o n t r o l l i n gp a r t a n dt h ew ir d e s st r a n s c e i v e rp a r t ins o f t w a r e , w em a k et h eh a r d w a r ed r i v e rp r o g r a m ，w h i c hc a n illu s t r a t eo p e r a t io np r o c e s so ft h ep a r t sint h em ic r o c o n t r o lle r me a n w h ile , t h isp a p e rd o e sr e s e a r c h o nt h ec o m m u n ic a t io np r o g r a mb e t w e e nt h em ic r o c o n t r o lle ra t m e g a l2 8a n dr fc h ipc c 2 4 2 0 ， b a s e do nie e e8 0 2 15 4p r o t o c o la n dz ig b e e s p e c i f ic a t io n t h ed e b u g g in gin d ic a r e st h a tt h isn o d ec a r lc o lle c tt h ep h y s io lo g ic a ld a t a , in c lu d in gc a r d ia c d e c t o p h y s i o l o g i c a l ( e c g ) ，a c c e l e r a t i o na n dt e m p e r a t u r e h u m i d i t yd a t aa l s ot h i sn o d ei sp o r t a b l e a n dd o e sn o td is t u r bt h en o r m a la c t io na n dm e n t a ls t a t eo ft h ee x p e r im e n t e r ，w h ic hc a nb eu t iliz e d ine d u c a t io nf ie lda n dn a t u r a ls t a t et oc o lle c ta n da n a ly z ep h y s io lo g ic a ls ig n a la c c u r a t e lyt op r o v id e an o v e lm e t h o df o re d t j c a t i o na s s e s s m e n t k e y w o r d s ：w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k ，z i g b e ep t o t o c d ，c d l e c t t i n gp h y s i o l o g i c a ld a t a 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 期：哔 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 惮胁p 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 众所周知，抑郁、焦虑、紧张、恐惧等情绪反应，可以严重影响儿童的学习能力和课堂听课的效果。 通过对与情绪相关的生理参数的监测，密切观察被监测对象情绪变化时生理参数的动态变化，及时掌握监 测对象的心理状态和情绪变化，在被监测对象情绪发生波动时能够加以引导和采取及时的措施，从而提升 课堂教学效果。通过对不同发育阶段的婴幼儿的情绪和认知活动进行观察和研究，了解他们的发育水平和 个体差异，帮助他们处理情感交流和智力发育过程中出现的问题，避免情感冷漠、过分自我中心、感情冲 动、思维混乱、以及语言发育和学习过程中的困难，针对不同年龄的儿童，制定不同的教学方案，并根据 他们在学习过程中情绪状态的变化，及时加以引导和教育，从而充分发挥儿童的学习能力，使教育过程达 到最优化【1 】【2 】【羽。 本文旨在建立一个无线传感网络平台上的教学现场生理数据采集系统，以实现无线的、及时的、可视 化的监测功能，为科学的教育评估提供有效的手段。 1 2 无线传感网络 1 2 1 无线传感网络概述 无线传感网络( w s a ) 综合了微型传感器技术通讯技术，嵌入式计算技术，分布式信息处理以及集成电路 技术，使它能够协作地实时监测。感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，传感器节点分 布于网络的各个部分，用于收集数据，并且将数据路由至信息收集节点( s i n k ) 。信息收集节点与信息处理 节点通过广域网络( 如i n t e m e t 网络或者卫星网络) 进行通信，从而对收集到的数据进行处理。 典型的无线传感网络系统结构如图1 1 所示。包括：传感器节点、接收发送器、汇点、英特网、用户端等。 其中传感器节点的典型结构包括4 个部分：传感单元、处理单元、通讯单元和电源单元【4 】【副。 糕鲎蠹 传感牌络传南 传感单元! l 查箩量| l 芦兰罢置、 弋区匿匹岫1 j 勰l 图卜1 无线传感器网络结构图 东南大学硕士学位论文 与传统的无线自组织网络相比，分布式无线传感网络具有网络规模大、节点分布密度高。节点能量和 计算能力及存储能力有限。节点易损和网络拓朴结构频繁变化等新特点。另外无线传感网络系统与应用密 切相关，不同的应用对象，系统的设计可能就有很大的差别甚至完全不同。因此无线传感网络针对不同的 应用对象体现了很强的适应性和灵活性，这也使得无线传感网络能得到广泛的应用。 与其它网络一样，传感器网络的协议栈包括应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。在应用 层采用不同的软件，就可以实现传感器网络不同的应用目的；传输层提供差错控制和流量控制等功能；网 络层主要负责将传输层所提供的数据路由至信息收集节点；数据链路层主要负责节点接入，降低节点间的 传输冲突；物理层进行比特流的传输。但与蜂窝网、无线局域网等其它无线通信网络相比，无线传感器网 络有其自身的显著特点，主要包括节点( 传感器) 的低功率、低功耗和有限处理能力，网络的自组织性和 容错性，网络的可扩展性要求，网络对能量的敏感性，以及以数据为中心的传输等等。针对这些特性，需 要采用适于传感器网络的解决方案。比如，在物理层，可以采用低阶调制技术、超宽带( u l t r a - w i d e b a n d u w b ) 无线通信技术、射标签( r a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n 。r f i d ) 技术等；在媒体接入控制( m e d i a a c c e s s c o n t r o l 频，m a c ) 层可以采用分布式接入控制算法、公平的资源分配算法等；在网络层，针对不同的准则， 可采用各种节省能量的分布式路由算法和协议，以及数据融合的算法【6 】f 7 1 。 无线传感器网络的关键问题包括： ( 1 ) 路由问题 路由协议的目的是在源节点和目的节点之问建立可靠的路由，保证数据的传输。传感器网络由于节点 数量多，为了避免由于节点地址带来的大量的负荷，不可能构造一个全球的地址方案；此外，由于节点能 量受限且大都处于静止状态等特点，使得传感器网络不能采用传统的基于i p 的路由协议，并且a dh o c 网络 中现有的路由协议，如动态源路由协议( d y n a m i cs o u r c er o u t i n g ，d s r ) 和基于距离矢量的按需路e h ( a dh o c o nd e m a n dd i s t a n c e v e c t o r , a o d v ) 协议等，也不完全适用。 为传感器网络设计的路由协议可以分为两类：平面型路由协议和分层路由协议。平面型路由协议中， 各传感器节点在网络中的地位或作用是一样的，最典型的平面型无线传感器网络路由协议是信息协商传感 器协议( s e n s o rp r o t o c o l s f o ri n f o r m a t i o nv i an e g o t i a t i o n ，s p i n ) 和定向扩散( d i r e c t e dd i f f u s i o n ，d d ) 协议， 其它的许多平面型协议都是对这两个协议的某些方面进行的改进。而分层路由协议中，网络中节点的功能 是不完全相同的。一般是将网络中的节点分成很多簇，每个簇有一个簇头( c i u s t e rh e a d e r , c h ) 节点和许 多一般节点。一般节点负责信息的采集和发送，簇头节点对收到的信息进行处理和转发，并可协调簇内一 般节点的发送。低功耗白适应按簇分层( l o we n e r g y a d a p t i v e c i u s t e r i n gh i e r a r c h y ，l e a c h ) 协议就是一种 典型的分层路由协议。 ( 2 ) 能量问题 在多数情况下，传感器网络中的节点都是由电池供电，电池容量有限，使得节点的生存时间也受到限 制。如果网络中节点因为能量耗尽不能工作，则会带来网络拓扑的改变以及路由的重新建立等问题，甚至 可能使得网络分成不连通的部分，造成通信的中断。 如何提高能量效率，是无线传感器网络设计的一个重要问题。首先在功能上，由于无线传感器网络大 2 第一章绪论 都是为某一专用目的而设计的，去掉不必要的功能，可以节省能量，延长节点的生存时间。因此，无线传 感器网络需要考虑两点设计原则：延长网络工作时间、减少不必要的功能，突出专用性。其次，可以设计 专门的提高传感器网络能量效率的协议以及采用专门的技术，这些协议和技术涉及到网络的各个层次，如 物理层可以采用超宽带无线通信技术，m a c 层可以采用适合节点在休眠和工作状态间切换的接入协议，网 络层可以以节点能量作为路由度量等。此外，还可以采用跨层设计的方式，提高网络的能量效率。 前面提到的l e a c h 协议，就考虑到了传感器网络节点的能量问题，该协议作为一种分层路由协议，通 过簇头节点与信息收集节点通信，减少了其它节点的能量消耗。门限敏感能量有效协议( t h r e s h o l d - s e n s i t i v e e n e r g ye f f i d e n tp r o t o c o l s , t e e n ) 通过设定两个门限值，来减少传输节点所采集、传输的数据，从而节省 能量消耗。在该协议中，每个簇头节点向其簇内节点广播其设定的硬门限值和软门限值，使得节点仅传输 采集到的其值在设定范围的数据。具体地说，如果节点采集到第一个超过硬门限的值，则将其发送给簇头， 此后，节点仅传送满足硬门限条件并且与硬门限值之差不小于软门限值的数据。通过改变门限值，可以不 同程度地延长网络的生存时间。 信道自适应能量管理( c h a n n e la d a p t i v ee n e r g ym a n a g e m e n t 。c a e m ) 协议是一种结合物理层和m a c 层的跨层自适应能量管理协议。在该协议中，每个节点具有信令信道和数据信道，簇头通过信令信道发送 周期脉冲，簇内的节点根据收到的脉冲判断当前信道质量以及数据信道是否空闲。簇中节点分为监测信道、 休眠、传输以及回退状态。由于在休眠状态节点耗能非常少，且节点处于监测状态时仅工作于耗能少的信 令信道，从而可以大量节约能量。节点有数据需要发送时，首先根据信令信道监测无线链路的信道质量， 当信道空闲且信道质量优于门限时，节点发送数据，并且节点可以根据信道质量的不同，在物理层采用不 同的调制方式，以提高信道的利用率。节点发送完数据后，将进入休眠状态，直至有数据需要发送才进入 监测信道状态，准备发送数据。仿真表明该协议有效地减少了能量的消耗。 ( 3 ) 跨层设计问题 设计一个传感器网络，使其在不同应用下都能保持最优的性能是非常困难的。目前，研究者在网络协 议栈的各层( 包括m a c 层、网络层、应用层等) 都对能量约束、不同应用要求、网络的差异性等进行了相 当的研究，但这些研究往往都局限于网络的某一层，而忽略了各层之间的相互联系。分层的设计方法使设 计简化，使互联网稳定、兼容性好，但在无线传感器网络中，却带来了灵活性差、效率不高等缺点。因此， 在传感器网络中，需要采用自适应的跨层优化协议，从而可以在能量受限的情况下，满足应用的高吞吐量、 低延迟等要求。在跨层设计中，各层协议相互联系，统一设计，如协议的自适应性就要求各层相互协作来 完成。网络中的各种变化时间跨度各不相同，比如信噪比的变化很快，用户数的变化较慢等。这就需要首 先在不同的层自适应地处理与之相应时间跨度的网络变化，处理不了的，再由其它层来处理。再如网络的 能耗方面，也需要各层统一考虑。在物理层降低信息传输速率即可降低能耗，但会对上层应用产生影响； 最优的路由方式也有可能因为很快消耗完某些节点的能量，而不能被采用。因此，在跨层协议设计中，需 要在能量、业务要求的约束条件下，对各层进行统一的优化，同时，还需要在各层之间适当地传递和共享 信息，为最优化设计提供条件。 3 东南大学硕士学位论文 ( 4 ) 安全问题 同其它无线网络一样，安全问题是无线传感器网络的一个重要问题。由于采用的是无线传输信道，传 感器网络存在窃听、恶意路由、消息篡改等安全问题。同时，无线传感器网络的两个特点使安全问题的解 决更为复杂化了，这两个特点是数据在网络中的整合和节点的有限能量和有限处理、存储能力。 数据在网络中的整合可以有效地压缩网络中传输的数据量，节省网络资源，但同时将数据的内容暴露 给了进行整合的节点。因此，需要对进行数据整合的节点进行认证，仅让通过认证的节点进行数据整合， 这就带来了节省网络资源和提高网络安全性的折中，需要根据不同应用的要求进行不同的选择。传感器网 络保密协议( s e c u r e n e t w o r ke n c r y p t i o np r o t o c o l 。s n e p ) 对节点设立不同安全等级并在通信节点间采用数 据鉴权、加密技术等，防止了数据被截获后造成的信息泄露。 无线传感器网络中的节点通常只有有限的能量，同时处理、存储能力较小，使得一些在一般网络中采 用的算法无法执行。比如，在s p i n 中使用的r c 5 算法，就有可能因为运算过于复杂、占用存储单元过多， 而不适用于某些传感器网络中。在无线传感器网络的安全设计中，可以通过算法选择，将大部分的实现网 络安全的计算量放在信息收集节点或簇头节点处，而减轻一般传感器节点的计算和存储压力，这也可以作 为一种可选的解决方案。 目前，国内外无线传感器网络的应用还处于起步阶段。根据不同应用的需求，人们研究、设计了各种 各样的无线传感器网络，并构造了一些硬件网络实验平台，在小范围内进行研究和应用。但较大规模、较 成熟的无线传感器网络的应用，还不多见。无线传感网络的研究热点主要集中在组网协议、安全性、地成 本、低功耗以及鲁棒性等方面。本文将主要探讨生理数据采集应用中，无线传感网络的应用【8 】【9 1 。 1 2 - 2 无线传感网络在生理监护的应用 生理参数监护技术就是把被监测者的各种生理参数及时、准确地体缺出来进行处理、分析，帮助医护 人员对患者病情进行监测和防护的技术。在现有医疗监护系统中，患者身上佩戴的传感器采集的数据多通 过串口电缆( r s 2 3 2 4 8 5 ) 传送到p c 上或通过串口联网服务器传到局域网上。由于所检测的信号大多是人体信 号，而人体处于自然状态时的信号才能够真实地反映其生理状况。因此将检测设备通过有线方式连到人体 上进行监测的传统方法会使患者感觉受到束缚，无法放松心情，从而导致所检测到的数据不准确。特别在 病房里，各种连线不仅使病人感到不适，而且还使病房显得杂乱无章，影响医护人员的工作效率。因此医 疗单位希望以一种底成本、高可靠性的无线传输方案来代替传统的有线方式。无线局域网具有微功率、抗 干扰能力强、组网灵活等特点，是实现无线医疗监护系统的理想选择【1 0 】【1 1 1 。 目前无线技术在医疗监护领域运用比较广泛，但大多是具有基站的星形拓扑结构的应用，并不是真正 意义上的无线传感器网络。传感器网络在医疗领域的成功实例有：s s ! m ( s r n a r ts e n s o r sa n di n t e g r a t 副 m i c r o w s t e r n s ) 项目中，1 0 0 个微型传感器被植入病人眼中，从而帮助盲人获得了一定程度的视觉。借助于 各种医疗传感器网络，人们可以享受到更方便更舒适的医疗服务，比如：传统的有线监护设备体积比较大， 耗电量高，成本比较高，大大限制了康复期病人和需要监护的中老年患者的活动，也无法实现对处于正常 生活和工作条件下的患者进行长时间的连续监测。为了达到与病房监护一样的效果，在家中安装带有无线 接收模块的接收器，使病人随身携带的监护医疗设备通过无线发送模块将病人的数据传送到接收器，接收 4 第一章绪论 器与in t e m d 网连接，通过网络将数据传送到医院和社区医疗中心，达到远程医疗监护的目的【1 2 】【1 3 】【1 4 l 。 1 - 2 - 3 无线传感网络的体系结构 典型的传感器网路有三种类型：星形结构、网格状结构和簇状结构。其中网格状结构和簇状结构属于 点对点的结构。在8 0 2 1 5 4 网络中，根据设备所具有的通信能力可以分为全功能设备( f f d ) 和精简功能设 备( r f d ) 。f f d 设备之间以及f f d 设备与r f d 设备之间可以直接通信。即d 之间不能直接通信。在i e e e 8 0 2 巧4 网络中，有一个称为p a n 网络协调器的f f d 设备，是传感器网络中的主控制器。每个网络仅有一个主 控制器。网络协调器除了直接参与应用以外，还要完成成员的身份管理、链路状态信息管理以及分组转发 等功能。星形网络中所有节点都与中心协调器通信，节点间不能直接通信，中心节点的能量消耗大。适合 于网络节点较少、网络结构简单、小范围的网络应用。而点对点网络中只要通信双方都在其辐射范围之内， 任何两个设备之间都可以通信。点对点网络中的协调器主要负责实现管理链路状态信息，认证设备身份等 功能。点对点网络支持a d h o c 网络，且可以构造更复杂的网络结构。在家庭监护系统中，被监护对象可能 在多个房间内活动，为了能随时扩大覆盖范围，且方便以后功能扩展，选用簇状网络拓扑结构。在与互联 网的连接方面，建立z i g b e e 无线网络与以太网的网桥，将监护信息传送到监控服务器，实现监护信息的共 享【1 5 】【1 6 】【1 7 1 。 1 2 4 国内外研究现状及趋势 无线传感网络的研究起步于9 0 年代末期的美国军方。从2 0 0 0 年起，无线传感网络引起了学术界、军 界和工业界的极大关注，国际上开始出现一些有关无线传感网络研究结果的报道。美国国防预先研究计划 局( d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ，d a r p a ) 于2 0 0 1 年在。网络嵌入式软件技术”( n e t w o r k e m b e d d e ds o f t w a r e t e c h n o l o g y ，n e s t ) 项目的支持下，资助加州伯克利大学开发了名为“s m a r td u s t ”( 智 能灰尘) 或“m o t e 的无线传感节点开发系统，从那时期起到现在，d a r p a 每年都投入几千万美元进行无 线传感网络技术的预研。2 0 0 2 年8 月初，美国国家科学基金委( n s f ) 、d a r p a 、航空航天局( n a s a ) 等1 2 个重要研究机构在加州伯克利大学联合召开了“未来传感系统”国家研讨会，旨在探讨未来传感器系统 及其在工程应用中的前沿发展方向。会议讨论认为无线传感网络的实现及其传感数据的传输、分析及决策 技术的研究同基于微机械、纳米技术的新型传感技术一样，代表着未来传感器研究的前沿方向，并且对于 战场信息感知、国土安全与反恐战争、结构健康监测等工程应用领域具其重要的研究意义。在随后的几年 里，加州大学伯克利分校有多个实验室开始了关于无线传感网络及其相关的工作，如：n e s t 、 w e b s ( w i r e l e s se m b e d d e ds y s t e m ) 、b a 刚悛n ( b a ya r e ar e s e 日c hw i r e l e s s a c c e s sn e t w o r k ) 、b v v r c ( b e r k e l 可 w i r e l e s sr e s e a r c hc e n t e r ) 等实验室，从不同的角度对无线传感网络进行了大量具有开创性的研究【1 8 】【1 引。 美国很多其他大学和研究机构在无线传感网络方面开展了大量工作。如加州大学洛杉矶分校 ( u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i a , l o s a n g e i e s , u c l a ) 的c e n s ( c e n t e rf o re m b e d d e dn e t w o r k e ds e n s i n g ) 实验室、 w i n s ( w i r e l e s si n t e g r 若t e dn e t w o r ks e n s o r s ) 实验室、n e s l ( n e t w o r k e da n de m b e d d e ds y s t e m sl a b o r a t o r y ) 实验室、l e c s ( l a b o r a t o r yf o re m b e d d e dc o l l a b o r a t i v e s y s t e m s ) 实验室、i r l ( i n t e r n e tr e s e a r c hl a b ) 等。 另外，麻省理工学院( m a s s a c h u s e t t si n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ，m i t ) 获得了a r p a 的支持，从事着极低功 5 京镕大学顼学位论文 耗的无线传感网络方面的研究，被业界广泛关注的s r n ( s e n s o r p 嘣o c o l s f o r i n f o r m a t i o nv i a n e g c t i a e o n ) 协议也是出自m i t ：宾汉顿大学( b i n g h e m t o n u n i v 咖) 计算机系统研究实验室在移动白组织网络协议、 传礴网络系统的应用层设计等方面做了很多研究工作；州立克利夫兰大学( 俄囊俄州) ( c l e , e a n ds t a l e u n i v e r d t y o h i o 剁o h i o ) 的移动计算实验室在基于i p 的移动网络和自组织网络方面结合无线传感网 络技术进行了研究。另外，北亚利桑那大学( n o r t h e r n a r i z o n a u n i v 日d t y ) 的无线网络研究实验室( w i r d e s s n d w o c k r e s e 目c hl a b w n r l ) 、莱斯太学( p 3 c e u n i v e r s i t y ) 多媒体通信实验宣的无线个人局域网工作组； 斯坦福( 5 1 m f o r d ) 大学的无线转感网络实验室、新泽西( n e wj e r s e y ) 州立大学的无线传感网络实验室、 伊利诺伊大学厄本那一香槟分校( u i u c ) 的t i m e l y 实验室、南加州大学的r e s l ( t h e r o b o t i c e m b e d d e d 斟s t e m s l 捌o e j ) 实验室、佛蒙特大学( u n i v e r s i t yo f v e r m o n t ) 的无线自组织附络实验室、西密西根大学 ( b 目日nm i c h i 卿u n i v e r a t y ) 的无线传感刚络实验室。此外新加坡国立大学( n a l i o l e lu n i v e r s i t yo f s i n g a p 啊e , n u s ) 的无线传感网络实验室等也有关于无线传感网络方面的研究。目前，美国英特尔公司等 工业界巨头也开始了无线传感网络方面的工作，纷纷设立或启动相应的行动计划。日本、英国、意大利、 巴西等国家也对无线传感网络表现出了极大的兴趣纷纷展开了该顿域的研究工作【州 2 ”。 h a r v a r ds e e , s o tn e t w o r k l a b 的w ir e l e s s s m s o r f o r m e c i c a l 将无线传感网络的技术应用与生理监护领域 ( 如图1 - 2 所示) ，井在哈佛医学院进行了应用3 。 e 1 e rg yr o ! m cc ir c u l t 图卜2h a r v a r dc o d e b u e 无线传感节点 国内在无线传感网络领域的研究也已经在很多研究所和高校展开。中科院上海微系统所凭借其在微系 统和微型机电系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a l i c a l 研s t e m ，m e m s ) 技术方面良好的基础，自从1 9 9 6 年就对无 线传感网络进行了跟踪和研究已经通过系统集成的方式完成了一些终端节点和基站的研发。他们的很多 工作都是与c d m a ( c o d e - d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 和g p s ( g l o b a l p 啪i t i o n i n g 印s t e m ) 技术相关从某种 程度上说已经超越了无线传感网络技术；中科院电子所和沈阳自动化所也分别从传感器技术和控制技术角 度入手开展工作，他们专注于传感或控制执行部分，对上层的通信技术和核心微处理器部分涉及较少；浙 江大学现代控制工程研究所成立了“无线传感网络控制实验室”，联合相关单位专门从事面向传感器阿络 的分布自治系统关键技术及协调控制理论方面的研究可以预计，分布式无线( 自组织) 传感网络的发展和 广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响并产生巨大的推动l 圳。 第一章绪论 1 3 情绪的研究 1 3 1 情绪的定义与特性 情绪包括生理及心理两个特征之本能的反应指标。在意识上，是以强的感情为中心；在身体上，则是 引起内脏机能变化与运动的表现。即情绪是有机体对于紧急的刺激情境或威胁而引起的紧急防御反应，其 基本形式包括：喜悦、愤怒、悲伤、惊奇、焦虑和忧愁等。 ( 1 ) 情绪是由刺激产生的 情绪不会无缘无故的产生，一定有引发的刺激； ( 2 ) 情绪是主观的经验 情绪的发生通常是个人认知判断的结果，因此，情绪的内在或外在反应将会因人而异，具有相当的 个别性与主观性。因此，我们必须学会尊重每个人不同的情绪感受。 ( 3 ) 情绪具有可变性 情绪并非一成不变的，它会随着我们身心的成长与发展、对情境的感知能力以及个人的经验和应变 行为而改变，此外，引发情绪的刺激与情绪的反应也会随之改变。 1 3 2 情绪的生理心理学基础 与情绪外周神经机制关系最为密切的是植物神经系统的活动。交感神经和副交感神经活动水平不同， 情绪活动特性也有所不同。交感神经占优势者易出现情绪紧张，容易产生操作性疲劳。副交感神经活动占 优势者自控能力强，不易激动，有耐心。因此，交感一一副交感神经活动的绝对水平和平衡状态，是评价 情绪活动的重要指标。有专家筛选出评定平衡性最可靠的指标：心率周期；掌心皮肤导电性；脉压差；唾 液量；前臂皮肤导电性；呼吸周期；红痕持续性( 见表1 1 ) 。 情绪活动伴随的生理指标不是单一变化的，因而单一指标在使用时存在很大缺陷，在评定时应全面考 虑诸指标的改变。 情绪活动的主要生理指标有： ( 1 ) 皮肤电反应：其机理是情绪状态在变化时，皮肤内血管的舒张和收缩以及汗腺分泌等变化，能 引起皮肤电阻的变化。皮肤电反应仪就是以此来测量植物神经系统的情绪反应。 ( 2 ) 循环系统指标( 如心电、血管容积、血压等) ：心电( 脉搏) 是情绪反应的良好生理指标之一， 在满意和愉快时，- t , f l t 正常；而处于紧张、恐惧或暴怒状态时，心跳加速。血管容积的变化是由自主神经 系统控制动脉壁平滑肌收缩和舒张所造成的，即是由局部血管收缩和舒张引起的。人的某些情绪状态如紧 张的脑力工作、生气、害怕、新异刺激等，都可以引起皮肤血管的收缩：当人感到为难或羞耻时，会引起 皮肤血管的舒张。血压变化是和血管容积相关联的，都反映了循环系统的活动情况有着近似的生理机制。 ( 3 ) 呼吸：随着情绪状态的变化，呼吸系统的活动在速度和深度上会有所改变。对剧痛的情绪反应 往往会使呼吸加深加快；突然惊恐时，呼吸会发生临时中断；狂喜或悲痛时，会发生呼吸痉挛现象。 ( 4 ) 语音：其原理是人的发音器官在气流通过时，因气流对发声管道的碰撞而发出轻微的颤动。人 处于紧张情绪状态时，发音器官的正常颤动被抑制。人说话时，其发音的颤动不能人为地随意加以控制( 能 够捕捉真实的情绪变化) 。但是这种方法目前已渐渐被淘汰，取而代之的是一种更先进的计算机识别模式。 7 东南大学硕士学位论文 它运用混合高斯模型法( g m m ) 、主元分析方法( p c a ) 和人工神经网络方法( a n n ) 进行语音情感的分析和识 别，主要是通过分析语音信号中的语速、基音的均值、基音的变化范围、强度、基音的平均变化率与第一 共振峰的均值和变化范围等参数来识别情感。 ( 5 ) 脑电波：通过采集事件相关电位( e r p s ) ，从而获取与情绪相关的脑电波的变化。 ( 6 ) 其他生理指标( 如体温、血氧等) 目前，研究人员在进行情绪状态识别时，基本上都是综合多项生理指标以提高识别率，一般都包括心 率、血压、呼吸和皮肤电阻这几个主要指标。 表1 1 与情绪相关的生理参数 生理心理学指标指标生理学含义 循环系统心率变异性反映控制心脏的交感神经和副交感神经活动状态 心率反映控制心脏的交感神经和副交感神经均衡性 血管容积反映控制动脉壁的自主神经系统活动 呼吸系统 呼吸频率反映支配呼吸系统自主神经活动 呼吸幅度 呼吸比 皮肤电位 皮肤汗腺仅有交感神经支配。交感神经兴奋，汗腺活动加强， 皮肤 皮肤电阻 分泌汗液增多，引起导电能力增高。 皮肤温度 反映支配皮肤血管的自主神经活动 皮肤血流 脑电 自发电位 反映自主神经系统中枢、情绪中枢与皮层的关系 反映与事件相关的皮层电位变化 诱发电位 其大小与支配瞳孔的自主神经活动有关 瞳孔 反映肌肉紧张程度 肌电 8 第一章绪论 1 3 3 情绪稳定性研究的背景及意义 情绪稳定性是人格特质之一，也是情绪维度的组成部分。近年来，对个体情绪稳定性需求较高的领域 越来越注重这一心理品质的界定与研究，例如学习过程，对从事该项行为的个体的情绪稳定性有很高的要 求，认为情绪稳定性是基本心理品质，是能高质量完成该项活动的前提和条件。对每一个个体来说。情绪 稳定性或情绪控制力是相对稳定的。这种稳定性既有心理学基础，也有生理学基础。 ( 1 ) 情绪稳定性的一般概念： 情绪稳定性是一种个性特征； ( 2 ) 情绪稳定性是个体在应激条件下情绪自我调节能力，或个体在不同环境和时间条件下表现出的情绪 适应能力： ( 3 ) 情绪稳定性包括认知成熟和个性成熟； 情绪稳定性存在个体差异。这种差异与先天遗传和后天环境作用影响均有关。 情绪稳定性是一种人格特质，有明显的个体差异，其差异性表现出很定性：情绪稳定性的差异是指对 情境控制储备能量的差异和对情境认知水平的差异；在生理活动方面，紧张情境能使能量储备低的个体表 现出交感活动亢进，交感一一付交感活动失平衡；情感认知障碍的个体，在同等情境刺激水平下表现出明 显的情绪紊乱。 通过对不同发育阶段的婴幼儿的情绪和认知活动进行观察和研究，了解他们的发育水平和个体差异， 帮助他们处理情感交流和智力发育过程中出现的问题，避免情感冷漠、过分自我中心、感情冲动、思维混 乱、以及语言发育和学习过程中的困难。帮助他们在生理、心理和智力上作好准备，以便能更好的融入未 来充满机遇和挑战的社会。 1 4 本课题的主要研究内容 本文通过对无线传感网络的背景、意义和现状的研究，针对学习能力评测的研究要求，建立了基于无 线传感网络的教育现场生理采集系统。 本文的无线传感网络系统采用a t m e g a l 2 8 嵌入式处理器，搭载兼容i e e e 8 0 2 1 5 。4 标准的无线通信芯片 c c 2 4 2 0 ，建立了监测平台，可测量心电、脉搏、加速度、体温等生理指标。 本文的主要框架具体如下： 第一章介绍了情绪心理学的相关概念，情绪稳定性的生理学基础及其意义，并介绍了无线传感网络络 的背景，主要技术以及最新研究进展。 第二章介绍了系统主要框架，无线传感器节点设计的基本要求，以及简要介绍了z i g b e e 的背景和其 关键技术。 第三章主要描述了数据采集模块的设计。 第四章主要介绍了数据处理模块的设计。 第五章主要介绍了无线收发模块的设计。 第六章介绍了基于无线传感网络的生理数据采集系统终端部分设计。 第七章描述了系统的调试，并且展示了系统采集数据的结果。 9 东南大学硕士学位论文 第八章对本文建立的系统平台进行了总结和对下一步工作的展望。 1 0 第二章节点的总体框架 第二章节点的总体框架 2 1 生理信号采集节点设计要求 无线传感网络是由部署在监测区域内的大量无线传感节点组成，并通过线通信方式形成的一个多跳和 自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发给监测者。 因此，单个网络节点的设计，不能割离出整个网络环境的制约。无线传感节点的设计，必须在遵从 无线传感网络的特点和需求下进行。 无线传感节点作为一种微型化的嵌入式系统，构成了无线传感网络物理层基础的支撑平台。在无线传 感网络中，网络节点具有端节点和路由的功能，对本身采集的数据和收到其他节点发送的数据进行综合， 转发路由到网关节点，网关节点往往个数有限，通常使用多种方式与外界通信。而传感器节点数目多，通 常采用电池供电；传感器节点能量一旦耗尽，该节点将无法正常工作，直接影响到整个无线传感器网络的 健壮性和生命周期。因此无线传感网络主要研究之一就是无线传感节点。具体应用的不同，节点的设计也 不尽相同，但其基本大单元结构还是一样的。其典型结构包括4 个部分：传感单元、处理单元、通讯单元 和电源单元。作为一个完整的系统，要求其部分的性能必须是协调和高效的，各个单元实现技术的选择需 要根据实际的应用系统的要求而进行权衡。 我们的应用背景对传感器的种类、精度和采样频率提出要求，同时对无线通信使用的频段、传输距离、 数据收发速率提出要求；无线传感网络的电源技术则对传感器技术和通信技术的能耗做出约束，同时要求 处理器本身必须是低功耗，并且支持睡眠模式；传感器的选取、应用背景要求的采样频率以及通信技术的 数据收发速率对处理器的处理能力、数据采样速度和精度以及通用1 0 控制端口的数量提出了具体要求；因 此处理器的选取收到这些技术要求的制约2 5 m 6 m 7 1 。 所以，对于无线传感节点的微处理器芯片和射频芯片，应满足如下要求： 1 低功耗。 生理监测系统往往需要进行长期的监测，因此低功耗的的节点设计，不仅能降低整个 网络的功耗，实现长期稳定监测，更能降低整个网络的成本，并且减少在无线传感网络布置成后 大量节点更换电池带来的繁琐工作。 2 低成本。 低成本是无线传感节点在生理监测中应用的必要条件。同时，节点成本的降低能够使 监测区域的单位面积内安置更多的传感节点，从而增加监测的精度和稳定性。 3 j 体积小。节点应尽量小，尽量不影响被监测者的正常活动。 4 分布式处理。传统有线的集中式处理给生理监测的发展带来了很多不便。而无线传感网络的引入 采用了分布式处理的方式，因此，单个节点必须具备一定的数据独立处理能力。 5 远程监测。这要求节点的通信距离满足一定要求，一般单个节点的通信距离要求l o m ，同时节点 必须支持多跳技术，以满足远程监测的要求。 6 灵活性高。由于生理监测中的监测对象不尽相同，这就要求节点具备良好的灵活性来配接各种传 感器，从而满足生理监测的各种不同的应用。 7 稳定性好。生理监测系统采集的数据需要能够稳定可靠地传送到终端加以处理和判别，因此节点 东南大学硕学垃论文 除了自身具备稳定可靠的性能之外，还要保证数据在经过节点时能够得到准确可靠的处理和传 输。 8 安全性好。特别是在生理监洲中，节点通信应当避免恶意攻击，因此节点需要一定的加密机制来 保护处理和传输的数据不受毁坏和丢失。 z 2 传感器网络协议8 0 2 1 5 , 4 z i g b e e i e e e s 0 21 5 a 满足国际标准组织( i s o ) 开发互连( o 目) 参考模式( 如图2 - 1 所示k 它定义了单一的 m a c 层和多样的物理层，z l g b 联盟制定了m a c 层毗上协议，其协议套件由高层规范、应用会聚层、网 络层、数据链路层和物理层组成【2 8 l 【8 】。 n j c d 鬲撵 图2 - 18 0 21 5 4 z i g b e e 协议架构 物理层：i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了2 4 g h z 物理层和8 6 8 9 1 5 m h z 物理层两个物理层标准，它们都采用了 d s s s ( 直接序列扩额) 。 2 4 g h z 波段为全球统一的无需申请的i s m 频段有助于设备的推广和生产成本的降低。2 4 g h z 物理 层采用高阶调制技术能够提