無線傳感器網絡技術在人體參數(shù)采集中的應用

生理參數(shù)采集是指對人在特定環(huán)境下靜止或活動時的某些生理參數(shù)進行測量、處理和傳送。該技術應用領域廣泛，如醫(yī)療、保健、體育、軍事和服裝舒適性評價等。生理參數(shù)采集的實現(xiàn)方法是將傳感置于人體相應部位，以有線或無線方式將傳感器采集到的數(shù)據傳送到終端進行處理。在使用中有線傳輸?shù)姆绞接袝r會受到限制，所以有必要研究采用無線方式傳輸數(shù)據的方法。如在服裝舒適性評價應用中，主要方法有：在真實環(huán)境下對人體表溫濕度的測量；在模擬環(huán)境（人工氣候室）下對真人或假人體表溫濕度的測量，根據測量值給出主客觀評價。在進行真實環(huán)境下人體穿著動態(tài)實驗時，無線數(shù)據采集傳輸方式會帶來很大方便。無線傳感器網絡技術發(fā)展迅速，將這一技術應用于人體生理參數(shù)采集在國內已有相關應用，如參考文獻[2]提出基于Zigbee技術的無線傳感器網絡在遠程家庭監(jiān)護中的應用，參考文獻[3]提出了無線傳感器技術在醫(yī)療監(jiān)護中的應用。本文將結合具體應用，從無線傳感器網絡節(jié)點軟硬件平臺選擇、網絡體系結構、MAC層協(xié)議、節(jié)點低功耗設計等方面分析和設計人體參數(shù)采集。

　　1 系統(tǒng)設計

　　1.1 網絡體系結構及協(xié)議

　　網絡拓撲結構主要描述網絡節(jié)點的連接模式。人體生理參數(shù)采集范圍小，傳感器節(jié)點集中，各節(jié)點間一般不需要通信。根據這些特點，可以使用星型網絡拓撲結構。在星型拓撲結構中，每個分支節(jié)點以點到點的方式連接到中心節(jié)點上，當在中心節(jié)點與分支節(jié)點間大量通信時，采用星型拓撲結構是最有效的。其優(yōu)點在于能夠將資源集中、網絡易于管理、覆蓋范圍集中、路由算法相對簡單，有問題的節(jié)點很容易在不影響其他節(jié)點性能的情況下被中心節(jié)點隔離掉。

　　在無線傳感器網絡中，MAC（Medium Access Control）協(xié)議決定無線信道的使用方式，在傳感器節(jié)點之間分配有限的無線通信資源，對傳感器網絡的性能有較大影響，是保證無線傳感器網絡低功耗工作的關鍵網絡協(xié)議之一。人體生理參數(shù)采集應用中，傳感器節(jié)點周期性采集數(shù)據，供電常采用小型紐扣電，而中心節(jié)點一般供電充足，所以采用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）控制協(xié)議。中心節(jié)點不關閉射頻模塊，持續(xù)接收。傳感器節(jié)點定時采樣、發(fā)送數(shù)據，在需要發(fā)送數(shù)據時打開射頻模塊，首先對信道進行偵聽，若信道被占用，則退避一段隨機時間后再繼續(xù)偵聽，若此時信道沒有被占用，則發(fā)送數(shù)據，得到確認后關閉射頻模塊，MCU進入睡眠模式，等待下一次定時觸發(fā)。

　　1.2 射頻收發(fā)器件及網絡操作系統(tǒng)

　　傳感器節(jié)點要求體積小、功耗低、能夠進行數(shù)據處理和無線收發(fā)，這里采用TI/Chipcon公司CC2430EM評估板作為無線收發(fā)模塊，傳感器電路根據需要自行設計。CC2430評估板的P0.1~P0.7、P1.0~P1.7及P2.0~P2.2口線，可與傳感器電路連接進行控制。芯片CC2430內嵌CC2420射頻收發(fā)器和8051 MCU,內含12 bit模/數(shù)轉換器、4個定時器、32 kHz晶振的休眠模式定時器，硬件支持CSMA/CA,供電電壓2.0 V~3.6 V,在掉電模式下電流消耗僅0.5 μA,可通過外部中斷或實時時鐘喚醒。無線傳感器網絡可以被視為由多個能量、存儲空間和處理能力有限的CPU組成的計算機系統(tǒng)，這些CPU相互獨立，又協(xié)同工作。為便于軟件開發(fā)與維護，提高軟件開發(fā)效率，采用TinyOS嵌入式操作系統(tǒng)。TinyOS是一種專門為嵌入式系統(tǒng)設計的基于組件的操作系統(tǒng)，主要應用于無線傳感器網絡，由nesC語言實現(xiàn)，它采用輕量級線程技術、主動消息通信技術、事件驅動模式、組件化編程方式。使用該操作系統(tǒng)能夠提高CPU使用率，在TinyOS的調度下，所有與通信事件相關聯(lián)的任務在事件產生時可以迅速進行處理。在處理完畢且沒有其他事件的情況下，CPU將進入睡眠狀態(tài)。

　　1.3 節(jié)點設計

　　圖1為人體生理參數(shù)采集網絡結構示意圖。為提高便攜性能，可以將其中的PC機用嵌入式設備替換。圖中各傳感器節(jié)點定時采樣、發(fā)送數(shù)據，中心節(jié)點收到數(shù)據后通過串口送至PC機，進行顯示和處理。

　　節(jié)點有兩類：傳感器節(jié)點和中心節(jié)點。在TinyOS環(huán)境下編程語言為nesC,為支持組件化編程模式，nesC語言引入了接口和組件的概念。接口是一些功能類似或相關的函數(shù)聲明，根據調用方向不同命名為命令或事件，具體實現(xiàn)在提供或使用該接口的組件中。組件包括配件和模塊，配件負責把不同組件通過接口連接起來，模塊提供程序所需的代碼實現(xiàn)。對于傳感器節(jié)點，需要針對不同的傳感器設計硬件驅動組件，結合已有的中間組件（如系統(tǒng)組件、電源管理組件、A/D轉換組件、定時器組件、射頻組件等），設計應用層的配置組件和模塊組件。下面以溫濕度傳感器節(jié)點為例說明設計方法，溫濕度傳感器采用瑞士SENSIRION公司的SHT10.

　　溫濕度傳感器節(jié)點的組件連接如圖2所示。小矩形框內是各組件使用和提供的接口，箭頭方向表示命令調用的方向。因為所有傳感器節(jié)點都具有定時采樣、數(shù)據處理、按協(xié)議數(shù)據收發(fā)、射頻模塊和MCU電源管理等功能，所以這里將與傳感器有關的操作單獨設計一個組件SHT10_C,在頂層配件中通過與不同類型傳感器組件連接，實現(xiàn)各傳感器節(jié)點功能。將與傳感器操作無關、與應用相關的其他功能組合設計一個中間組件SensorNet_C,通過與下層配件McuSleepC、CsmaC和CC2430ActiveMessageC連接，實現(xiàn)MCU電源管理、CSMA協(xié)議及射頻模塊控制。配件SHT10_C和SensorNet_C僅提供組件間連接關系，其實現(xiàn)分別由SHT10_M和SensorNet_M完成。在調用命令Send.send（）發(fā)送數(shù)據時，首先進行清潔信道評估，如果信道被占用，則需要退避一段時間。退避時間由隨機函數(shù)產生一個1~31之間的隨機數(shù)，與一個給定初始值（這里設為160 μs,即10 symbols）相乘而得。初始值可以根據網絡中節(jié)點數(shù)量進行調整，節(jié)點少則初始值小，反之則適當加大。

　　溫濕度傳感器節(jié)點的頂層配置組件程序如下：

　　configuration SensorNodeSHT_C {

　　}

　　implementation {

　　components MainC; /*TinyOS2主模塊，這里用于關聯(lián)系統(tǒng)啟動*/

　　components new TimerMilliC（） as TimerC;

　　components SensorNet_C; /*射頻模塊、CSMA協(xié)議及MCU電源管理控制配置組件*/

　　components SHT10_C; /*溫濕度傳感器SHT10配置組件*/

　　components SensorNodeSHT_M; /*頂層模塊組件*/

　　SensorNodeSHT_M.Boot->MainC.Boot;

　　SensorNodeSTH_M.Timer->TimerC;

　　SensorNodeSTH_M.RFControl->SensorNet_C;

　　SensorNodeSTH_M.AMPacket->SensorNet_C;

　　……

　　SensorNodeSTH_M.Send->SensorNet_C;

　　SensorNodeSTH_M.SHT->SHT10_C; /*實現(xiàn)接口STH的連接*/

　　}