（生物医学工程专业论文）情绪生理参数无线采集与普适计算的研究.pdf

a b s t r a c t 摘要 情绪生理参数无线采集与普适计算的研究 硕士研究生褚凌生 导师陆祖宏教授 东南大学生物科学与医学工程学院 随着实证科学研究在教育界影响的扩大，目前的问卷调查等教育评估手段不 能满足客观评价教学效果的需要。本文选择情绪生理参数作为客观评价教学效果 的切入点，旨在建立一套可以在教学现场使用的情绪生理参数无线采集系统，通 过给学生佩戴传感器节点采集心电、体温等情绪生理信号，为后续更进一步的研 究提供原始数据。 本文以普适计算的思想来布局系统，这一思想具体体现在无线传感器网络的 构建上，系统以终端的传感器节点，汇聚节点以及后端l a b v i e w 虚拟仪器共同组 建了可以大范围覆盖的无线传感器网络。本文完成了心电、温度传感器的设计与 调试；基于g a i n z 硬件平台的数据采集；基于z i g b e e 技术组建星型网络无线传 输数据；基于l a b v i e w 的p c 端数据显示与存储及通过t c p i p 协议远程数据传输。 经调试及性能测试，系统可以同时采集多个个体的，t h , 电与体温信号，测量结 果准确实时并且系统能够连续长时间稳定工作，完成了预期设计目标。 关键词：情绪生理，普适计算，无线传感器网络，z i g b e e 协议，t c p i p 协议 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho ne m o t i o n a lp h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r s m e a s u r e m e n ta n du b i q u i t o u sc o m p u t i n g a st h ei m p a c to fe m p i r i c a lr e s e a r c hi nt h ee d u c a t i o nf i e l d e x p a n d i n g ，t h e c u r r e n te d u c a t i o n a la s s e s s m e n tt o o l ss u c ha sq u e s t i o n n a i r e sc a nn o tm e e tt h e n e e df o ro b j e c t i v ee v a l u a t i o no ft e a c h i n ge f f e c t i v e n e s s t h i sp a p e ra i m st o e s t a b l i s ha na c q u i s i t i o n s y s t e mf o r t h eo b j e c t i v ee v a l u a t i o no ft e a c h i n g e f f e c t i v e n e s si nt h ev i e wo fe m o t i o n a l p h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r s t h e a c q u i s i t i o ns y s t e mc a np r o v i d et h er a wd a t af o rt h ef u r t h e rr e s e a r c hb y w e a r i n gt h es t u d e n t sw i t ht h es e n s o rn o d e st h a tc a nc o l l e c te c gb o d y t e m p e r a t u r ea n do t h e re m o t i o n a lp h y s i o l o g i c a ls i g n a l s t h ed e s i g no fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ss y s t e mi sb a s e do nt h eu b i q u i t o u s c o m p u t i n g t h es y s t e mt e r m i n a ls e n s o rn o d e s ，t h es i n kn o d ea n dl a b v ie w v i r t u a li n s t r u m e n tc a nb ef o r m e dt o g e t h e rt oc o v e raw i d er a n g eo fw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s t h i sp a p e rc o m p l e t e dt h ed e s i g na n dd e b u go fe c ga n d t e m p e r a t u r es e n s o r s ；t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n ti n c l u d i n gt h ed e s i g no fd a t a c o l l e c t i o na n dt h eb u i l d i n go fas t a r - s h a p e dn e t w o r kb yz i g b e ew i r e l e s s t e c h n o l o g yb a s e do nt h eg a i n zh a r d w a r ep l a t f o r m ；t h ed a t ad i s p l a y , s t o r a g e a n dt c p i pp r o t o c o ic o m m u n i c a t i o nb a s e do nl a b v i e w b yd e b u g g i n ga n dt e s t i n g ，i ts h o w st h es y s t e mi sa b l et oc a p t u r ee c ga n d b o d yt e m p e r a t u r ea c c u r a t e l y , a n dt h es y s t e mc a nw o r kr e l i a b l yi nal o n gt i m e k e yw o r d s ：e m o t i o n a lp h y s i o l o g y , u b i q u i t o u sc o m p u t i n g ，w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，z i g b e ep r o t o c o l ，t c p i pp r o t o c o l i i 目录 目录 摘要i 目勇毛l i i 第一章绪论l 1 1 课题背景及研究意义l 1 2 情绪的定义及其生理基础l 1 2 1 情绪的定义1 1 2 2 情绪反应的生理基础2 1 3 普适计算3 1 3 1 普适计算的定义3 1 3 2 普适计算的特征4 1 3 3 普适计算的研究领域4 1 4 无线传感器网络6 1 4 1 无线传感器网络的基本特征及其应用6 1 4 2 无线传感器网络体系结构8 1 4 3 节点体系结构8 1 5 论文组织结构9 第二章系统总体方案设计1 0 2 1 系统设计方案1 0 2 2 传感器模块的设计1 0 2 2 1 传感器模块的功能1 0 2 2 2 系统检测的情绪生理参数1 0 2 3 数据采集与无线传输模块。1 l 2 3 1 数据采集与无线传输模块的功能1 1 2 3 2 系统采用的无线通信技术。1 1 2 3 38 0 2 15 4 z i g b e e 协议简介1 2 2 4 后台显示存储模块15 2 5 系统流程控制15 2 6 本章小结1 6 第三章传感器模块。17 3 1 心电信号简述。17 3 1 1 心电信号的产生机理1 7 3 1 2 心电图典型波形17 3 1 3 心电信号噪声来源1 8 3 2 心电传感器实现电路。1 9 3 2 1 电压跟随电路2 0 3 2 2 前置放大及右腿驱动电路2 0 3 2 3 滤波器电路2 l 3 2 4 二级放大及电平提升电路2 2 3 3 体温模块2 2 3 4 本章小结。2 3 第四章数据采集与无线传输模块一2 4 4 1g a i n z 硬件开发平台。2 4 4 1 1g a 琳z 平台概述。2 4 4 1 2 微处理器a t m e g a l2 8 l 2 4 4 1 3c c 2 4 2 0 芯片2 5 4 2 数据采集功能的实现2 7 4 2 1 a t m e g a l 2 8 l 的模数转换器2 7 4 2 2a d 数据采集的实现2 8 i i i 东南人学硕士学位论文 ，4 2 3i o 口数据采集的实现。2 9 4 3 无线传输的实现一3 l 4 3 1 a t m e g a l 2 8 l 与c c 2 4 2 0 的接口一3 1 4 3 2 a t m e g a l 2 8 l 与c c 2 4 2 0 的通信3 2 4 3 3c c 2 4 2 0 无线通信的实现3 4 4 3 4 数据帧结构设计一3 5 4 3 5 星型网络拓扑结构3 6 4 4 串口通信。3 7 4 5 本章小结。3 7 第五章后台显示存储模块一3 8 5 1l a b v l e w 简述一3 8 5 1 1 虚拟仪器的概念一3 8 5 1 2l a b v l e w 简介一3 8 5 2t c p i p 简述3 9 5 2 1t c p i p 介绍3 9 5 2 2l a b v i e w 下的t c p f i p 控件3 9 5 3l a b v i e w 功能实现4 0 5 3 1 串口通信实现一4 0 5 3 2 数据分离4 1 5 3 3 波形显示及存储。4 2 5 3 4t c p f l p 通信4 2 5 4 本章小结。4 3 第六章系统性能测试4 4 6 1 系统分模块调试。4 4 6 2 系统级联调试4 5 6 3 系统实物图4 6 6 4 本章小结4 6 第七章总结与展望一4 7 参考文献4 8 至l 谢。4 9 攻读硕士期间发表的论文5 0 i v 第一章绪论弟一早殖t 匕 1 1 课题背景及研究意义 脑科学和i c t 技术( i n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y ) 的飞速发 展，使得教育和教育的科学研究正在经历一次大的变革。如何利用科学技术来解 决教育问题为很多专家学者所关注l ，实证科学研究在教育界的影响逐步扩大， 传统的问卷调查等教育评估手段不能满足客观评价教学效果的需要。本文选择情 绪生理参数作为建立客观评价教学效果体系的切入点，旨在建立一套可以在教学 现场使用的情绪生理参数无线采集系统，为后续更进一步研究提供原始数据。 情绪在人们的日常生活中扮演着重要的角色，不同的情境会诱发人类集体产 生不同的情绪反应，情绪反应外化表现在行为、表情、语言等，内化则表现在人 的感受和各种生理指标的变化上1 2 1 。伴随着情绪反应而变化的生理参数指标只受 人的自主神经系统和内分泌系统支配，不受人的主观控制。因此，特定的生理指 标能够客观地反应情绪状态。 在系统实现上，本文以普适计算( u b i q u i t o u s c o m p u t i n g ) 的思想布局系统， 具体体现在无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w s n ) 的构建。本系统 以终端的传感器节点，汇聚节点以及后台p c 端共同组建了可以大范围覆盖的无 线传感器网络。本文完成了心电传感器的设计与调试；基于g a i n z 硬件平台的 节点数据采集、z i g b e e 技术组建星型网络实现数据无线传输；基于l a b v i e w 的 p c 端数据显示与存储以及通过t c p i p 协议远程数据传输。 1 2 情绪的定义及其生理基础 1 2 1 情绪的定义 1 9 世纪以来，心理学家对情绪的实质提出了各种看法，各大理论流派对情 绪都有其独到的理解，比较有影响的有生物观点口1 、机能主义观点n 1 、认知观点啼1 、 组织观点晦1 和社会文化观n 1 。综合各学派的观点，情绪是人对客观事物的态度体 验及相应的行为反应，情绪是以个体的愿望和需要为中介的一种心理活动阳1 。情 绪体验是脑的感受状态，在意识里组成相对独立于认知的过程。尽管我们有时候 很难说出这种感受是什么，但当某种情绪发生的时候，我们确实能够感受到。这 些体验和感受给行为提供动机，对认知和行为起着组织和瓦解作用。 东南大学硕七学位论文 1 2 2 情绪反应的生理基础 ， 情绪反应包括主观感受、表情行为，生理反应三个主要成分。主观感受是脑 的一种状态，每种具体情绪会给人以不同的感受，正是情绪过程的体验感受给行 为提供动机，对认知和行为起着组织或瓦解的作用。情绪有着特殊的外显表现， 如表情、语言、行为等，每种具体情绪的外部表现，特别是面部表情，都是特异 的。通过情绪的外显表情，情绪的通讯传递作用才成为可能。 同时，情绪发生在一定的生理激活水平上。神经系统一定部位的激活为情绪 的发生和活动提供能量。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- n 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。 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。影响皮肤电基础水平的主要因素有三个：觉醒水平、温 度以及活动。研究表明皮肤电水平在早晨较低，到中午达到顶点，在晚上又降低。 皮肤电主要反映身体的温度调节机制，当气温很高身体需要散热时，皮肤因出汗， 皮肤电水平就高；而气温较低，皮肤电水平就低。另外，当被试正准备某项任务 时，皮肤电水平会逐渐上升；开始从事某一活动时，皮肤电水平就相应地升高到 一个较高水平；而在休息时皮肤电水平降低。 ( 2 ) 循环系统指标( 如脉搏、血管容积、血压等) ：心率( 脉搏率) 是情绪 反应的良好生理指标之一，在满意或愉快时，心跳正常；而处于紧张、恐惧或暴 怒状态时，心跳就加速。血管容积的变化是由自主神经系统控制动脉壁平滑肌收 缩和舒张造成的，即由局部血管收缩和舒张引起。人的某些情绪状态如生气、害 怕、新异刺激等，由于升压中枢的作用，可以引起皮肤血管的收缩；当人感到为 难或羞耻时，降压中枢的反射作用会引起皮肤血管的舒张。血压变化和血管容积 2 第一章绪论 相关联，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) 。 ( 5 ) 脑电波：在情绪发生变化时，不仅有外周的变化，而且也会有中枢的 变化，所以我们可以通过脑电活动的变化来测定中枢的变化。利用脑电波记录技 术就可以测定出在一定情绪状态下所引起的大脑不同部位电位差的变化。 ( 6 ) 体温及其他 目前，我们对自己情绪的了解极其有限，这主要是由于情绪研究中缺乏可靠 的、能据以建立理论体系的实验资料。生理信号是伴随着情感变化由人体内部器 官产生的一种生物电信号，更能客观真实的反映出当时的情感状态。通过分析生 理信号，可以识别出内在真实情感和情绪。 1 3 普适计算 1 3 1 普适计算的定义 随着计算机及相关技术的发展，计算机、通信和数字媒体技术互相渗透和结 合，各种新形态的传感器、计算联网设备蓬勃发展，计算机在计算能力和存储 容量提高的同时体积也越来越小，计算模式( c o m p u t i n gp a r a d i g m ) 在经历了主机 计算( m a i n f r a m ec o m p u t i n g ) 至t 桌面计算( d e s k t o pc o m p u t i n g ) 之后，计算模式正朝 着以人为中心的普适计算( u b i q u i t o u sc o m p u t i n g ) 模式发展。 普适计算是m a r kw e i s e r 于1 9 9 1 年提出的关于未来计算模式的构想【9 1 ，普适 计算的目的是在日常生活的各种环境和场景中广泛部署微型化且具备一定计算 能力的普适设备，并与已有的互联网技术结合，实现移动、无缝、透明和泛在的 计算支持和服务。普适计算是信息空间与物理空间的融合，在这个融合的空间中 人们可以随时随地、透明地获得数字化的服务n 们。它是人们摆脱计算设备对人类 活动的束缚，将互联网推广到物理世界，实现随时、随地、无困难地享用计算能 力和信息服务，真正实现“以人为本 的计算的初步尝试。 东南大学硕士学位论文 1 3 2 普适计算的特征 ， 普适计算的思想从2 0 世纪9 0 年代后期开始得到广泛关注和接受，许多相关 的研究计划纷纷启动，如美国麻省理工( m i t ) 的o x y g e n i 1 、卡内基梅隆大学 ( c m u ) 的a u r a t l 2 1 、斯坦福( s t a n d f o r d ) 大学的i n t e r a c t i v ew o r k s p a c e t l 3 1 、清华 大学的s m a r tc l a s s r o o m t l 4 1 、m i c r o s o f t 的e a s y l i v i n g t ”1 等。这些项目都反映着普 适计算的两个本质，信息空间与物理空间的融合以及计算对用户的透明，这两个 特性也正是普适计算与桌面计算最本质的区别。 ( 1 ) 信息空间与物理空间融合。在桌面计算模式下，信息空间和物理空间是 隔离的，两者唯一的绑定点是计算机；它们之间的交互由人驱动，人先察觉物理 空间的改变然后用一定的方式输入到信息空间。而普适计算模式下，通过将传感 器、微型计算机嵌入到物理环境的各种普适设备中，计算机可以采集到大批量的 终端信息，这些信息在很大程度上能够提供物理环境的信息，通过计算机的数据 分析处理可以使信息空间与物理空间更好的融合。这种融合可以体现在智能教室 等智能空间，智能空间能识别和感知用户及其动作和目的，提供丰富的信息，并 最终理解用户的意图和协同完成工作。 ( 2 ) 计算对用户透明。在普适计算模式下，计算机作为一种工具，应该消失 在人们的视野中，这里指的消失是指心理层面上的消失，即计算机不会分散用户 的注意力，用户不必关心嵌入式设备的工作过程和原理，在无意识或不经意中就 能享受到各种优质服务。如c m ua u r a n 2 1 计划强调的，人的注意力是一个稀缺资 源，研究尽量少需要人注意力的计算机制，使人可以集中精力处理其所擅长的推 理、综合、分析等工作，而不是如何操作计算机。透明是普适计算更本质的要求， 它使得用户专注于任务而非工具，同时，计算机应有主动提供服务的能力而不只 是被动等待命令。 1 3 3 普适计算的研究领域 普适计算的研究体系自底向上主要包括普适计算设备、普适网络、系统软件 和人机交互等多个层次，同时研究侧重点和目标的不同，形成了可穿戴计算机、 上下文感知计算、智能空间和无线传感器网络等多个热门研究领域。 ( 1 ) 可穿戴计算机 可穿戴计算1 1 6 1 是普适计算设备研究的一个重要方面，通过把计算和交互设备 穿戴在身上，方便人们随时随地获取计算和信息服务，典型的可穿戴计算设备如 4 第一章绪论 可穿戴式战场电脑、智能衣服、智能手套、智能手表等。这种随身携带的系统可 以用来帮助人们做很多事情，比如当您注视一个物体时，计算机可以把与这个物 体相关的信息显示在头戴显示器上；当您与别人对话时，计算机可以自动为您做 记录等。可穿戴计算机的特点是：随时随地的帮助，支持部分的人与人交互，提 供的服务基于场景和上下文。 ( 2 ) 上下文感知计算 在普适环境下，人与计算设备不断交互，就需要系统能感知到与交互任务相 关的上下文，并能根据上下文做出判断，自动地提供相应的服务。这里，上下文 是指用来记录人、物体及其变化相关的位置和标识。常见的上下文包括位置、温 度、速度、时间、湿度、光线、噪声的情况等环境上下文；人的行为、习惯、个 人爱好、人的情绪状态、个性化需求以及社会关系等用户上下文；c p u 占有率、 网络带宽、屏幕尺度、通信开销等计算上下文。 上下文信息可以通过感知器捕获，从已有的信息中抽取( 如日程表、天气预 报等) ，由用户直接设定等多种方式获取。其中感知器除包括用于感知声光电等 物理信息的传感器外，还包括r f i d 标签、摄像头、g p s 系统等多种感知设备， 甚至还可以包括统计分析网络流量与特征的网络监视器等。 ( 3 ) 智能空间 智能空间是一个嵌入了计算、信息设备和多模态的传感器的工作空间，其目 的是使用户能够方便地访问信息和获得计算机的服务，进而高效地实现个人目标 和与他人协同工作【1 7 】。智能空间是普适计算在房间、建筑尺度上的集中体现。大 量的计算设备、多模态交互技术模块、情景感知模块被嵌入并隐藏在实际的物理 环境中，这些模块互相协作并主动为用户提供服务，使得智能空间拥有立体、连 续的交互通道。例如在一个智能教室中，老师说一些简单的话语和手势，在电脑 的理解下这些动作就能自动得到实施。当教师讲完课件中第一页的内容时，他转 向媒体板说“请翻到下一页 ，这时媒体板上的显示会自动切换到下一页。当老 师用语音提示“某某请发言”，这位学生的话筒就会打开，学生准备发言。 ( 4 ) 无线传感器网络 无线传感器网络作为一种普适网络，是一个专门的研究方向，在普适计算的 体系结构中，对它的研究占有非常重要的地位。无线传感器网络是由部署在检测 区域内大量的智能微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自 东南大学硕士学位论文 组织的网络系统引。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通 信技术、分布式信息处理技术等多种领域技术，通过各类微型传感器对目标信息 进行实时监测，由嵌入式计算资源对信息进行处理，并通过无线通信网络将信息 传送至远程用户。这一技术具有十分广阔的应用前景，这一技术已经应用到国防 军事、动物的习性观测、健康监测、交通管理、医疗卫生、灾害监测等领域中。 1 4 无线传感器网络 普适计算的思想在本论文中具体体现在无线传感器网络的构建上，这里对无 线传感器网络的相关研究作更进一步地介绍。 传感器网络的三要素是传感器、观察者和感知对象。传感器由电源、感知部 件、嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件这几部分构成；观察者是传感器网 络的用户，是感知信息的接受和应用者。观察者可以是人、计算机或其他设备； 感知对象是观察者感兴趣的监测目标，可以是湿度、温度、光、压力等。无线传 感器网络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。 1 4 1 无线传感器网络的基本特征及其应用 目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、无线自组织 网络等，与这些网络相比，无线传感器网络具有以下特点： ( 1 ) 大规模网络 一个传感器节点只能测量其所在物理空间狭小领域的数据值，使用更多的节 点可以从不同视角获得物理环境更全面的信息，在实际使用中，传感器节点数量 可能达到成千上万，甚至更多。通过分布式处理采集信息能够提高监测的精确度， 降低对单个传感器的精度要求。大量冗余节点使得系统具有很强的容错性能。 ( 2 ) 自组织网络 由于传感器随机的部署在被监测区域内，传感器节点的位置不能预先精确设 定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道。在这样的情况下，要求传感器节点 具有自组织形成网络的能力，并且能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制 和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在无线传感器网络使用 过程中，当部分传感器节点由于能量耗尽或者其他因素造成节点失效时，要求网 络的拓扑结构能够随之动态地发生变化。无线传感器网络的自组织性要能够实现 这种网络拓扑的动态变化。 6 第一章绪论 ( 3 ) 节点的通信能力有限 无线传感器网络中传感器节点的传输率低、一般只有2 0 0 k b p s 左右，通信距 离短，一般只有几十到几百米。由于无线传感器网络往往部署在室外环境比较恶 劣的地方，要受到高山、建筑物、障碍物等地形地貌以及其他恶劣天气等自然条 件的影响。 ( 4 ) 节点的电源能量有限 传感器节点的体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器网络应 用场景比较复杂，环境一般比较恶劣，传感器部署数量多，通过更换电池来补充 能量是不太现实的。 ( 5 ) 存储和计算能力有限 无线传感器网络中的传感器节点是微型嵌入式设备，一般要求价格低体积小 功耗低，这些限制必然导致其嵌入式处理器计算能力较弱，存储容量小。 ( 6 ) 以数据为中心的网络 无线传感网络是任务型的网络，采集终端节点的数据是其最为关键的任务， 数据分布在所有或部分节点中，整个传感器网络相当于分布式的网络数据库。传 感器网络数据处理技术是传感器网络的核心技术之一，包括感知数据的提炼、压 缩、存储、查询、分析、挖掘、理解以及基于感知数据决策和行为的理论和技术。 随着微电子技术、嵌入式发展、现代网络、无线通信技术的发展，无线传感 器网络的研究也越来越深入，无线传感器网络的应用也越来越普及。无线传感器 网络在军事领域的应用十分重要，军方可以通过飞机空投等方式在预定区域散布 大量微型廉价的传感器节点，通过这些传感器节点实时监测周围环境的变化，并 将监测到的数据通过卫星信道等方式发送回基地，这样就可以方便地监控我军布 防的阵地是否有敌军入侵，也可以将网络布置在敌方阵地上，以隐密的方式监控 敌方阵地和敌军活动情况。 现在无线传感器网络也逐渐进入了民用领域。在民用方面的应用主要有：灾 难预警与救助、环境控制、生物多样化勘测、智能楼宇、设备管理、精细农业、 药品管理、卫生保健、运输、信息通信业务。除此之外，无线传感器网络还可以 应用在其他特殊用途中，如远途岛上鸟类栖息地的观测，将传感器移植到人体内 ( 进行葡萄糖监测或植入人工视网膜) 的应用。随着技术的进步和经济的发展，无 线传感器网络必将会越来越多的应用到社会生活的各个方面。 7 东南人学硕士学位论文 1 4 2 无线传感器网络体系结构 传感器网络结构如图1 - 1 所示，传感器网络系统通常包括终端节点、路由节 点和网关节点。大量终端节点和路由节点随机部署在监测区域内部和附近，能够 通过自组织方式构成网络。终端节点监测的数据沿着路由节点逐跳地进行传输， 在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后到网关节点，最后通过 互联网或者卫星到达管理节点。用户通过监测终端对传感器网络继续配置和管 理，发布监测任务以及收集监测数据。 图1 1 无线传感器网络体系结构 1 4 - 3 节点体系结构 无线传感器网络节点是一个微型的嵌入式系统，一般是由传感器模块、处理 器模块、无线通信模块和能量供应模块组成，如图1 2 所示。传感器模块负责检 测区域内信息的采集以及数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操 作，存储和处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据；无线通信模块负责与 其他节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器 节点提供运行所需的能量。 图1 - 2 节点体系结构 第一章绪论 1 5 论文组织结构 第一章介绍了课题的研究背景及其研究意义，情绪生理、普适计算以及无线 传感器网络的定义、特点及应用，介绍本文组织结构。 第二章论述了系统方案，将系统分成传感器模块、数据采集与无线传输模块 以及后台显示存储三个模块，提出了三个模块分别需要实现的功能。论述了系统 所要检测的情绪生理参数类型以及采用的无线通信技术。 后续的三个章节具体介绍了系统三个模块的功能实现。第三章首先介绍了心 电信号的产生机制及心电信号的噪声来源，在此基础上提出了设计心电传感器需 要考虑的因素并给出具体的设计原理图；简单介绍了温度传感器芯片的特性。第 四章从数据采集与无线传输两个方面分别介绍系统功能实现，数据采集从a d 转换以及i o 单总线时序两方面介绍，而无线传输先实现点对点的通信再组建星 型拓扑网络。第五章先介绍工具平台l a b v i e w ，再结合l a b v i e w 下的控件介绍 系统功能的实现。 第六章测试系统性能，先测试各个模块，再级联测试。 第七章为结束语，总结全文工作及展望未来工作。 9 2 1 系统设 本论文所 绪生理参数的无线采集系统。在教师讲课的同时，通过给学生们佩戴我们所设计 的传感器节点( s e n s o rn o d e ) ，采集学生的心电、体温等情绪生理参数，并无线 组网发送到汇聚节点( s i n kn o d e ) ，汇聚节点通过串口通信再将数据传送到上位 机显示存储以备后续分析处理，各个教室的p c 机通过t c p 1 - p 协议远程通信。 系统结构框图如图2 1 所示。 ； ： lol ；a - 曩 l 仑穆 ：； | 9 ；l i 尖昌 、i ； ；： i 呆童 ；露 !：； ! ： ；i 传感器模块 - 一二l - 一一- 数据采集、无线传输模块 后台显示存储模块 图2 1 系统结构框图 将整个系统按照功能划分成传感器模块、数据采集与无线传输模块以及后台 数据显示存储模块。下面提出各模块需要实现的功能及关键参数的选择，具体的 实现方案将在接下去的三章分别介绍。 2 2 传感器模块的设计 2 2 1 传感器模块的功能 在无线传感器网络中，传感器位于系统最前端，传感器的种类与特性本质上 决定了该系统的功能与性能。传感器针对所要检测的情绪生理参数的参数指标设 计硬件电路，将生理信号转换成电信号，并使输出适合微处理器处理。本小节介 绍系统所要检测的情绪生理参数类型，具体的硬件实现电路将在第三章介绍。 2 2 2 系统检测的情绪生理参数 在第一章已经介绍了对情绪反应敏感的生理指标主要有皮肤电反应、循环系 统指标、呼吸、语音、脑电波、体温等。根据教室教学的具体应用情境选择系统 1 0 第二章系统总体方案设计 所检测的情绪生理参数。脑电波的采集有着严格的实验要求，一方面由于脑电信 号极其微弱，实验人员需要给被试打导电膏，佩戴电极帽，程序繁琐；另一方面， 在脑电采集过程中要求被试尽量保持不动，因为哪怕是轻微的随意运动都会在很 大程度上千扰脑电波信号，所以脑电一般用于专门的实验室研究。人发音的颤动 不能人为地随意加以控制从而可以通过语音捕获真实的情绪变化，这种方法最大 的局限是只有当一个人说话时才有可能识别他的情绪变化，而在教学现场，学生 们通常说话的机会比较少。所以，这两种生理参数不适于教学环境下的采集。 其余的生理参数，原理上都适合在教学环境下测量，在具体的系统设计时， 我们选择心电和体温作为检测对象，除了这两者便于检测之外，更重要的是国内 外有很多相关研究，尤其是对心电各波群的检测，以及对心率变异率的研究，这 将使后续的数据处理过程中有很多可以借鉴的研究方法及成果。系统也为其它的 生理参数留下了可扩展的端口，便于在需要的时候进一步扩展。 2 3 数据采集与无线传输模块 2 3 1 数据采集与无线传输模块的功能 数据采集与无线传输模块是系统功能实现最为核心的部分，微处理器通过 # j d 转换以及i o 口操作采集传感器的输出信号，并通过无线传输模块组网将数 据发送到汇聚节点。汇聚节点经串口通信将数据传送至上位机，同时接收上位机 的指令，控制传感器节点。这一节介绍模块的功能及系统采用的无线通信技术。 2 3 2 系统采用的无线通信技术 无线技术有多种分类方式，从最常见的根据网络覆盖的距离来划分，大体上 可以分为无线广域网、无线城域网、无线局域网和无线个域网。目前，主要的短 距离无线通信技术主要有z i g b e e 、蓝牙、红外、w i f i 和超宽带通信( u w b ) 等。 下表是对这几种常见的无线通信技术各项参数的比较。 表2 1 短距离无线通信技术参数比较 参数z i g b e e蓝牙红外 w i f iu w b 工作频率2 4 g h z2 4 g h z9 8 0 r i m 红外光2 4 g h z2 4 g h z 8 6 8 9 1 5 m h z 有效物理范围 1 0 m - - 一7 5 m1 0 m 定向1 m 7 5 m1 0 m 最人数据传输率 2 5 0 k b p s1 m b p s1 6 m b p s5 4 m b p s 1 0 0 0 m b p s 网络节点数 6 5 5 3 5723 0 电池寿命长较短较短短 协议栈容量 8 6 0 k6 0 - - - 1 5 0 k1 5 3 0 k1 0 0 2 5 0 k 使用权免费需要资格免费许可证使用 东南大学硕士学位论文 从无线通信技术所能容纳的节点数、无线网络有效覆盖范围、数据传输率以 及使用权等角度来选择教学现场应用下采用的技术方案。小班教学下一个教室的 学生数量通常在二十人，选择一个网络节点容纳量多的网络可以方便地构成星形 网络。星形网络拓扑有着控制简单、故障诊断和隔离容易的优点，适合组建教室 教学环境下的小型网络。系统采集的是生理数据，对网络的数据传输率要求不高， 以心电信号采集为例，假设信号的采样率是3 0 0 h z ，1 0 位a d 转换精度，所需数 据传输率为2 * 8 * 3 0 0 = 4 8 k b p s 。为使汇聚节点能接收到分布在教室空间的各个终 端节点的数据，网络的有效传输距离应在1 0 m 以上为宜。从使用权角度考虑，选 择一个免费的通信技术可以减少申请许可证的费用，降低系统成本。 通过比较上述短距离无线通信技术的各项指标，综合考虑在教室教学情境下 对无线网络的需求，系统最终选择z i g b e e 技术来构建无线通信网络。 2 3 38 0 2 15 4 z i g b e e 协议简介 z i g b e e 技术是由z i g b e e 联盟在i e e e8 0 2 1 5 4 网络协议栈的基础上开发的面 向短距离、低速率、低复杂度、低功耗、价格低廉的无线网络技术。i e e e8 0 2 1 5 4 网络协议栈基于开放系统互连模型( o s i ) ，它只定义了物理层和数据链路层的 m a c 子层。z i g b e e 技术在i e e e8 0 2 1 5 4 标准之上，定义了z i g b e e 网络层、应 用支持子层和应用层规范。从总体框架上，z i g b e e 协议可以分为四个基本层次： 物理层、m a c 层、z i g b e e 网络层和应用层。z i g b e e 协议栈模型如图2 2 所示。 二巫垂 丽 j 巫殂 亟二 乃批e 联盟 ：liii5jl；：liil l e e e8 0 2 1 5 4 图2 - 2z i g b e e 协议栈模型 物理层实现数据的编码及调制，负责物理媒介与数据比特的相互转化，以及 数据比特与上层m a c 层数据帧的相互转化；m a c 层负责寻址功能，发送数据 时决定数据发送的目的地址，接收数据时判定数据的源地址，以及数据包或数据 帧的装配以及接收到的数据帧的解析；网络层负责建立网络，加入网络，数据传 输时路由建立，路由等工作；应用层包含网络节点上运行的应用程序，满足一般 1 2 第二章系统总体方案设计 的应用需要，处理用户请求，要求网络层实现相应的任务。 ( 1 ) 物理层 物理层的主要功能是通过射频固件以及射频硬件，在m a c 层与物理射频信 道之间提供接口。物理层主要完成如下任务：无线收发机的激活与关闭；当前信 道的能量检测；接收数据包的链路质量标识；信道频率选择；数据发送和接收。 i e e e8 0 2 1 5 4 协议提供了2 4 g h z 和8 6 8 9 1 5 m h z 两种物理层标准。协议定 义了2 7 个信道，具体包括2 4 g h z 频段的1 6 个信道，9 1 5 m h z 频段的1 0 个信道， 以及8 6 8 m h z 频段的1 个信道。物理层参数如表2 2 所示。 物理层频率调制方式码片速率比特率信道数扩频方式 8 6 8 9 1 5 m h zb p s k3 0 02 01 直接序列 b p s k6 0 04 01 0 扩频d s s s 2 4 g h z o - q p s k 2 0 0 02 5 01 6 物理层通过物理层数据