基于無線傳感器網(wǎng)絡的病人體溫采集系統(tǒng)的研究與設計.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks)是21世紀最有影響力和最有前景的技術之一。它綜合了傳感器技術、計算機信息技術、無線通信技術和分布式信息處理技術,能夠對物理世界進行感知,并且通過與Internet將物理世界與信息世界融合。
　　 本論文在查閱了大量相關文獻的基礎上對無線傳感器網(wǎng)絡的體系結構和特點進行介紹,對無線傳感器網(wǎng)絡的基礎定位算法進行了分析及仿真比較,并且設計一套基于無線傳感器網(wǎng)絡的病人體溫采

2、集系統(tǒng)。主要的研究工作如下:
　　 1.無線傳感器網(wǎng)絡體系結構分析
　　 無線傳感器網(wǎng)絡是由大量具備測量環(huán)境物理量能力的傳感節(jié)點、匯聚節(jié)點和服務平臺三大部分構成的以數(shù)據(jù)應用為核心的大型網(wǎng)絡。
　　 傳感節(jié)點主要利用各種傳感器技術將物理量轉變成數(shù)字量,并且具有點微型化、低功耗等特點。傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)處理和存儲能力均不高,網(wǎng)絡通信采用多跳路由協(xié)議,并且還需要對其它節(jié)點轉發(fā)的數(shù)據(jù)進行管理、融合和存儲等處理。匯聚節(jié)點是整個

3、無線傳感器網(wǎng)絡的一級數(shù)據(jù)融合中心,擁有較強的數(shù)據(jù)處理能力,存儲空間和通信能力。同時也具備類似網(wǎng)關設備的職責,是網(wǎng)絡拓撲中的關鍵節(jié)點。服務平臺是數(shù)據(jù)中心,同時也是應用中心,根據(jù)不同的業(yè)務需求將產(chǎn)生不同的服務平臺。用戶利用該平臺可以對數(shù)據(jù)進行二次開發(fā)利用,并能能夠對整個網(wǎng)絡進行配置和管理。
　　 2.無線傳感器網(wǎng)絡應用分析
　　 無線傳感器網(wǎng)絡是一個嶄新的信息獲取平臺,大部分應用都是與數(shù)據(jù)應用相關的。在研究過程中需要與普通網(wǎng)

4、絡應用進行區(qū)別,需要采用應用驅動設計方法,保證系統(tǒng)與應用緊密結合。無線傳感器網(wǎng)絡中的傳感節(jié)點由于需要滿足低成本和低功耗的要求,因此在硬件資源上受到了限制。部署環(huán)境的不穩(wěn)定,傳感節(jié)點的數(shù)量巨大導致整個網(wǎng)絡是一個大規(guī)模自組織的網(wǎng)絡。在網(wǎng)絡拓撲結構方面,同時要求整個網(wǎng)絡是一個動態(tài)性和可靠性要求較高的結構。
　　 目前,許多行業(yè)中都出現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡的應用。醫(yī)療行業(yè)中可以利用傳感節(jié)點進行病人生理參數(shù)、樣品溫度的采集；定位技術可以對病人

5、、藥品、血液、醫(yī)療設備等的位置信息進行測量,降低醫(yī)療不良事件的發(fā)生。國家在無錫的物聯(lián)網(wǎng)基地平臺和IBM的“智慧地球”計劃,都是將無線傳感器網(wǎng)絡與Internet進行結合,完成物理世界與信息世界的融合。軍事戰(zhàn)場上的情報收集、環(huán)境變化監(jiān)測、野生動物追蹤、智能交通、智能家居等行業(yè)領域中,也逐漸出現(xiàn)的無線傳感器網(wǎng)絡的典型應用。
　　 3.定位技術的研究與仿真
　　 本論文重點研究了無線傳感器網(wǎng)絡中距離相關和與距離無關的兩大類定位

6、技術。定位技術在無線傳感器網(wǎng)絡的八大研究方向(網(wǎng)絡拓撲控制、網(wǎng)絡協(xié)議與安全、時間同步、定位技術、數(shù)據(jù)融合和管理、無線通信技術、嵌入式操作系統(tǒng)及應用層技術)中處于基礎位置,對最終系統(tǒng)應用具有決定性影響。
　　 距離相關的定位技術中AOA技術通過測量信號到達角度,通過三角測量法計算出節(jié)點的位置信息。TOA、TDOA技術需要整個網(wǎng)絡存在中一個精確的時間同步機制,通過射頻信號、聲波或者超聲波等信號在空間中傳播時間或者傳播時間差推算出發(fā)送

7、節(jié)點與接收節(jié)點之間的距離,然后利用三邊測量法或極大似然法計算位置信息。RSSI技術利用射頻芯片中特有的射頻信號強度測量功能,然后根據(jù)信號傳播衰減模型將衰減量轉變成節(jié)點之間的距離,利用三邊測量法或極大似然法計算未知節(jié)點的位置信息。信號角度測量、時間同步機制、信號強度檢測均需要額外的硬件,這樣就導致節(jié)點的成本過高,體積過大。信號在傳播過程中,都會受到干擾噪聲、傳播媒介和障礙物大小等等關鍵因素影響。往往在實驗環(huán)境中表現(xiàn)很好的應用,換成了真實環(huán)

8、境后,定位的精確度和穩(wěn)定性都會有所下降。
　　 與距離無關的定位技術中質心算法和APIT算法都是采用以錨節(jié)點作為定點的多邊形質心作為位置節(jié)點的位置。質心算法利用的是所有鄰居錨節(jié)點組成的多邊形的質心,APIT算法是窮舉未知節(jié)點所在的所有三角形,然后將這些三角形重疊區(qū)域的質心作為未知節(jié)點的位置。DV-HOP算法計算的是錨節(jié)點之間計算出每跳平均距離,然后利用未知節(jié)點與錨節(jié)點之間的跳數(shù)信息推算出自身到每個錨節(jié)點的跳段距離,利用三邊測量法

9、或極大似然法計算未知節(jié)點的位置信息。與距離無關的定位技術最大的好處是不需要對節(jié)點之間的距離信息、角度信息或者其它物理信息進行測量,因此不需要額外的硬件,滿足了節(jié)點低成本和低功耗的要求。在環(huán)境不穩(wěn)定、通信質量低等情況下,能夠得到較高和穩(wěn)定的定位精度。在本文的仿真實驗中,可以看出影響該類算法精確度的因素是錨節(jié)點的密度和節(jié)點通信半徑。
　　 4.病人體溫采集系統(tǒng)設計方案
　　 本文設計了一套基于無線傳感器網(wǎng)絡技術的病人體溫采集

10、系統(tǒng),利用DS-18B20溫度傳感器進行病人體溫測量,CC2500射頻收發(fā)芯片實現(xiàn)射頻傳輸,以MSP430系列低功耗單片機作為控制核心。在業(yè)務服務平臺中采用了分層架構,利用COM技術進行開發(fā),達到系統(tǒng)更新及模塊重用的目的。
　　 1)數(shù)據(jù)采集平臺
　　 溫度模塊采用了DALLAS公司的DS-18B20數(shù)字溫度傳感器,它是一單總線器件,外圍電路簡單,能夠在溫度較大范圍內(nèi)進行高分辨率溫度采集。在傳輸數(shù)據(jù)的過程中可傳送CRC校

11、驗碼,具有極強的抗干擾糾錯能力。
　　 射頻模塊采用了TI公司的CC2500收發(fā)一體射頻芯片,該芯片是專為低功耗無線應用設計的。它的工作頻段為2.4GHz,并且包括了數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸,信道評估、連接質量指示等功能和電磁波激發(fā)等功能。CC2500的參數(shù)都可以通過狀態(tài)字由用戶自行定制,與中央處理器的通信協(xié)議比較簡單。該芯片數(shù)據(jù)傳輸方式采用了FIFO方式傳輸數(shù)據(jù),中央處理器可以通過SPI接口進行控制。
　　

12、傳感節(jié)點中的控制模塊選用了TI公司的MSP430F2002超低功耗單片機實現(xiàn)溫度采集和射頻收發(fā)控制功能。MSP430系列單片機最大的特點是超低功耗,休眠狀態(tài)下,電流消耗僅僅0.1微安,工作狀態(tài)下,電流消耗最大僅為250微安。接收節(jié)點需要與多個傳感節(jié)點進行通信,并且對采集數(shù)據(jù)進行初步融合,因此需要采用ARM平臺的芯片,滿足大量計算和存儲空降的要求。
　　 2)業(yè)務服務平臺
　　 COM技術規(guī)范的采用可以將可以在任意兩個組件

13、之間進行通信而不用考慮其所處的操作環(huán)境是否相同、使用的開發(fā)語言是否一致以及是否運行于同一臺計算機。使用該技術進行開發(fā),可以實現(xiàn)模塊可復用、開發(fā)并行等目的。
　　 在業(yè)務服務平臺中采用了分層的架構對系統(tǒng)架構進行劃分,其中包括了表現(xiàn)層,業(yè)務層,數(shù)據(jù)層和技術支持層。
　　 表現(xiàn)層主要處理用戶界面與UI邏輯。主要職責是將數(shù)據(jù)與表現(xiàn)進行分離,是用戶和系統(tǒng)之間交流的橋梁,它一方面為用戶提供了交互的工具,一方面也為顯示和提交數(shù)據(jù)實現(xiàn)了

14、一定的邏輯。病人基本信息、節(jié)點信息、體溫曲線都是業(yè)務服務平臺中需要提供給用戶的應用模塊。
　　 業(yè)務層則與系統(tǒng)業(yè)務邏輯緊密相關,是系統(tǒng)所有層中的核心。在設計該層時候,可以采用對象模型或者領域模型兩種設計方法,完成數(shù)據(jù)層與表現(xiàn)層之間的交互。病人管理、節(jié)點管理、體溫數(shù)據(jù)回顧、配置管理和日志服務是業(yè)務層中重要的組成模塊。
　　 數(shù)據(jù)層主要是完成訪問位于持久化容器(如某個數(shù)據(jù)庫)中的數(shù)據(jù)的功能,并且具有CRUD服務,查詢服務,事

15、務管理和并發(fā)處理四種職責。在該層中應該完成數(shù)據(jù)與業(yè)務對象的轉換,隔離業(yè)務層與數(shù)據(jù)庫之間的關系。系統(tǒng)就可以在無需更改的情況下,根據(jù)不同的需求而更換不同的數(shù)據(jù)庫。本業(yè)務服務平臺中需要進行存儲的數(shù)據(jù)包括了體溫數(shù)據(jù)、配置數(shù)據(jù)與日志數(shù)據(jù)。
　　 技術支持層位于系統(tǒng)的底層,其本質是平臺與操作系統(tǒng)、外圍設備之間的隔離層。位于該層中的模塊應該都是可復用的,在構造新系統(tǒng)或者更新平臺中某個模塊式,可以利用各種模塊快速進行系統(tǒng)構建,對于開發(fā)團隊來說,