BSN传感器与无线通讯研究现状

1、BSN传感器与无线通讯研究现状     引言随着人口老龄化问题的日益突出，心血管疾病和脑血管疾病对老年人的健康构成了极大的威胁。在美国每年大约万人死于心血管疾病，万人死于脑血管疾病；在韩国，死于脑血管疾病者占死亡人数的；而在英国因心血管疾病造成的死亡更是达到了。越来越多的国家开始加大对医疗健康系统的资金投入，研究人员开始逐渐着手于远程医疗监控、特殊群体监护和公共社区医疗服务系统。传统的医疗方法大多为病发后治疗，不能很好地进行长期监护、预防和实时诊断治疗，而作为无线传感器网络（，）的一个分支，体域网 （，；，）代表的新技术则能实现对生理参数的采集，以及对信

2、号的实时分析，从而对疾病进行预警，并将平时和发病时采集到的重要生理信息保存下来，通过无线技术发送至服务器以供 后 续 的 诊 断 治 疗。无 线 体 域 网 （，）由于年首次提出，逐渐成为了国际研究的热点。技术不仅可以应用于医疗保健、健康恢复等方面，还可扩展到娱乐领域、体育运动领域，甚至是军事领域和社会公共领域，。虽然有着广阔的应用前景，仍面临诸多关键技术挑战。例如基于传感器节点的数据融合技术；用于提高识别精度和实现环境感知的情景感知技术；通信链路的可靠性和安全性等。这些关键技术都是构建系统所必须涉及到的，不仅有理论研究价值，更有重要的实际应用价值。本文将重点介绍传感器节点、通信技术等方面的技

3、术挑战、最新进展和发展趋势，还就目前国内外的相关研究项目展开讨论。的概念是基于的一种具有特殊应用的网络，它是由体积小、集成度高的穿戴在人体身上或植入到人体内的传感器节点，中心节点，远程服务器等共同形成的一个无线网络。传感器节点负责监控人体的生命体征，连续检测多种生理参数并提供实时反馈，成为诊断过程、慢性疾病患者监护、外科手术后的健康恢复和药物治疗效果监测的一部分。每个传感器节点都能处理各自的任务，并通过网络与中心节点通信。中心节点负责汇聚传感器节点的数据进行初步分析并发送到远程服务器以便进行进一步的分析。整个系统架构如图所示。注重尽早发现对身体构成威胁的慢性疾病和身体的某些异常状态。患者甚至可

4、以在居家日常生活活动情况下长期监护生理状态，提高治疗质量。用于诊断和治疗的植入式医疗方式的普及，可显著提高患者的生活质量，该治疗方式可以用来恢复并控制瘫痪的四肢，控制膀胱和肠道肌肉，保持心律等。是一种新型的疾病监控预防、治疗监护的解决方案，更是物联网的重要组成部分。其目的是提供一个集成硬件监测、软件分析和无线通信技术的应用平台，并为大众的医疗监护系统和未来发展物联网提供必备的条件。传感器网络及传感器虽然是的一个分支，但是两者对传感器节点的要求却存在不少差异。表显示了和网络的差异。图则显示了、和无线局域网（，）的网络特点。由表和图可知，因为应用对象的不同，相比于普通的和，对网络参数的要求较高，特

5、别是在节点类型的多样性和传感器节点的共存性等方面，它强调生物传感器节点的尺寸大小及节点之间的低能耗无线通信等特性。传感器节点负责采集与人体生理状态或者身体活动有关的模拟信号并将它转化为数字信号，并以无线方式发送至中心节点。按照其测量的信号的不同，将其分为三类：生理传感器，主要是测量动态血压、体温、血氧以及其他相关的生理参数，如心电图、脑电图、肌电图；生物动力学传感器，如加速度传感器、角速率传感器和陀螺仪；用来测量外界环境参数的传感器，如湿度、光照度、声压等级、温度等参数。心电监护是中的一个典型应用，心电图可以帮助监测用户的健康状态。近年来人们逐渐开始使用植入衣服的柔性电极进行长期监测。跟传统的

6、氯化银电极相比，柔性电极的形状能适应人体动作，更加柔韧有效，可以避免传统方法中产生的问题。而加速度传感器通过测量振动以及重力加速度，陀螺仪通过测量角动量来获得定位信息，它们已经广泛应用于医疗保健、运动和电子游戏领域。鉴于中传感器类型的不同，其对应节点的数据传输速率也不尽相同。表展示了针对不同人体参数测量的设备的一些平均统计数据。传感技术是整个的重要基础，是连接物理世界和电子系统的桥梁，其技术指标受微电子机械系统、纳米技术等技术影响。中的节点由不同类型的、完成特定感知功能的传感器构成，其主要由以下几个部分组成：传感器模块；信号处理模块；通信模块。由于传感器节点一般放置于体表或者植入到体内用于健康

7、监控、诊断，在体积、功耗、存储能力、计算能力和通信速率方面具有一定的限制，因此设计传感器节点时必须考虑以下几点：体积小，为了便于穿戴在身上或者植入到体内，传感器节点的舒适度、生物兼容性等问题必须考虑在内；低功耗设计；天线和接口设计等问题；另外传感器节点的无线电辐射及其相应能耗必须降低到最小程度，以避免对人体产生潜在的危害。总之，传感器节点设计应综合考虑安全性、可用性和能量消耗的要求，在三者之间取得均衡。针对设计中所面临的技术挑战，新一代传感器节点主要发展趋势为：研究集成度高的传感器（结合传感、信号处理、通信等功能），最大限度地减少节点的功耗、缩小体积、减少通信辐射；研 究 能 量 获 取 技

8、术；完 善 相 应 的标准。通信技术植入式技术的发展使得传感器可以植入到人体内或者放置在体表测量人体的各个生理参数。射频技术的发展使得传感器节点可以与中心节点进行无线通信。根据的结构（见图），将通信技术分成两个部分：体内通信和体外通信。下面描述常见的几种通信技术。体内通信电磁感应在植入式传感器节点增加一个贴近皮肤的耦合线圈，当另外一个线圈靠近植入式的耦合线圈时，植入式传感器节点通过电磁感应获得能量，并通过改变耦合线圈的电阻与外部线圈通信。这种通信有两个特点：植入式传感器节点无需电源；可以持续并长期地通信。这种通信技术已经应用于识别被注入电子标签的动物，其通信频率一般是或者。但这种通信方式也存在

9、以下缺点：线圈位置必须靠近体表；通信速率低；体内的传感器节点不能主动建立通信连接。射频通信相比于电磁感应通信，射频通信具有更宽的通信带宽和双向通信的能力。基于植入式医学通信服务的体内通信频带获得了国际认可，这个频带被分成带宽为的多个频道，其上限功耗为。人体作为一个通信媒介，其产生的阻抗会随着年龄、体重甚至姿态的变化而变化，具有不可预见性。这就给设计植入式传感器节点天线带来了困难，也给无线通信带来了一些挑战。半导体公司推出了第一款可供植入式设备通过射频方式进行通信的芯片。人体耦合通信（，）目前不少科学家也在研究基于人体电容和电耦合的通信方式，其通信频率为。首次向人们展示了基于人体信道的低功耗、无

10、接口的数据通信方式。人体的骨骼肌系统以低功耗、安全、非侵入式的方式来传输数据，可以在人体的各个部位检测到衰减后的信号。电耦合被认为是胸腔和四肢的一种潜在的通信方式，甚至可以通过握手方式将信号传送给另一个人。等在设计传感器节点时使用人体耦合通信和射频通信两种通信方式，采用人体耦合通信方式来识别和唤醒同一个中的传感器节点，提高了的保密性和可靠性，但到目前为止其速率仅达到了。体外通信蓝牙（）蓝牙技术作为一个短距离无线通信技术，能够在设备间实现方便快捷、灵活安全、低成本、低功耗的数据和语音通信。蓝牙技术简单的通信协议、星型网络（没有复杂的路由算法）、注重短距离无线通信等特点迎合了的要求，是目前实现的主

11、流技术之一。蓝牙低功耗技术和蓝牙相比，增加了低功耗和低成本的特性。目前在中使用较多的是支持低功耗和高效能的网络。联盟借助其低功耗和低传输速率的特点，一直致力于解决智能能源、楼宇自动化和工业自动化等问题。它的工作频率分几种：（传输速率为）适用于欧洲；（传输速率为）适用于美国；（传输速率为）全球通用。其网络拓扑结构有三类：星型网络；树簇网络；蜂窝网络。其中树簇网络和蜂窝网络都支持多跳路由协议。超 宽 带 技 术 （，）技术以其抗干扰性能强、传输速率高、系统容量大的特点得到了越来越多的关注。根据美国联邦通讯委 员 会 的 规 定，频 带 宽 度 相 当 大 （直至数），同时在免费许可的的频带中，有着

12、较低的发射功率谱密度，这一特性使得在短距离通信有着巨大的潜力。基于技术的商用芯片的数据传输速率极高，例如“”设备的传输速率高达。技术也是中精确定位系统中的一个理想技术。其他通信技术：是以低功耗、的传输速率、轻量级协议栈的基于时分多址的专属传感器网络技术，工作频率为。其特点是高效、无缝连接、低功耗。这项技术已经被应用到一些产品中，如手表、心率表、体重秤、计算机等。目前具有多个联盟成员的互操作系统实现了运动、健身、健康护理产品的无线连接，制造商可以在运动和健康监护方面选择一种高效、低功 耗 和 无 缝 的 用 户 体 验 的 解 决 方 案。：也称为，使用长磁波信号通信、字节的双向通信、活跃的无线

13、协议。类似于的协议，但它使用的信号作载波。的波特率只有，功耗更低，适用于恶劣环境下的实时库存应用，甚至可以在金属和水的附近以及存在电磁噪音的环境中工作。与射频识别技术类似，它们之间最主要的区别是主要使用磁场中的低频频段，而射频识别技术一般使用电场中的高频率、超高频或超高频率频段；：提供了一个针对人体各种应用的低传输速率的超低功耗（，）平台。它采用星型网络，每个节点周期性地发送数据给中心节点，其他时间处于睡眠模式或者待机模式。：作为一种针对植入式医疗设备的通信技术，使用编码方式并结合校验实现可靠的通信链路，这一功能通过专用低功耗射频发送芯片实现。收发器一般处于休眠状态以减少功耗，能通过基于的特殊

14、编码的无线信号或者处理器唤醒。世界上第一个可吞咽胶囊相机的无线模块便是在基于的射频芯片基础上设计的。目前已经有许多关于健康监测的科研项目利用或者来组网，然而大部分的网络模型是基于特定芯片所做，而没有深层次的利用无线网络特点。等指出网络的数据传输会受到的干扰，的网络的工作频率是，当人体周围存在相近频率的通信时，会严重影响整个的通信质量。而且还指出网络可能在楼宇智能化和工业自动化方面有广阔的前景，至于在方面，如果低功耗蓝牙技术在成本和功耗上能与匹敌的话，则蓝牙技术有更大的潜力。另外网络支持的通信速率上限是，对大型和实时反馈性能产生一定影响。再者网络的功耗、供电问题、通信频率也使不少研究者转向研究新

15、型的通信技术，比如（）。体内通信中的人体耦合通信方式虽然有着广阔的前景，但生物兼容性等问题必须加以考虑。无线通信技术在中的应用仍然存在以下技术难点：低功耗的无线传输技术和协议，传感器节点一般由电池供电，长时间连续监控对电池使用寿命有很高的要求；通信的可靠性和安全性问题，传输的数据涉及到个人生理信息，其可靠性和安全性必须得到保证；网络的服务质量、人体的动作均会对信号检测和通信质量产生影响，高质量的网络服务是完善的要求之一。研究状况目前在世界范围内已经有不少科研小组在研究。和等针对处理的通信问题和多层次的医疗服务器，构建了一个系统模型，传感器节点使用蓝牙或者技术实现单跳通信。他们使用现成的无线传感

16、器模块设计了类似于的模型。比利时研发的工程旨在通过在的无线网络基础上建立一个动态脑电图和心电图系统，构建了一个高度微型化和自动化的便携式系统，并且于年研发了由体温供电的无线脉冲光电血氧仪。此系统能耗较低，使用节电池可以持续工作大概个月。为了保持系统的长期使用，研发者增加了热电发生器来获取能量，还尝试了其他的通信技术（比如）以降低功耗。欧洲的项目开发了一个终端节点到终端节点的平台，通过移动通讯系统和网络对患者施行动态监测。平台通过穿戴在患者身上的不同传感器来持续监测患者的重要生理参数，如血压、心率、心电图等。系统的通信则是通过单跳的蓝牙或者网络来实现。这个项目的主要研究方向是的安全性、通信可靠性和数据高效传输。法国的项目打算在消费电子、运动和医学领域构建一个最优化的无线通信系统，其中包括构建 系 统 框 架、系 统 模 式 和 对 相 关 技 术 的 研究。他们重点研究的无线通信信道、协议和与其他无线网络的共存性问题。德国的项目旨在构建一个完整的平台。英国帝国理工大学对中周围环境感知和情景感知进行研究；美国加州大学和伯克利大学等重点对资源优化、可穿戴性和扩展性等进行研究；中国香港中文大学等探讨了用多种通信方式构建混合的，并对中跟踪技术和能量感知等进行了相关研究，。结论本文围绕的基本概念、传感器节点、无线通信技术等问题给出了较全面的介绍和分析。技术具有