無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)在人體參數采集中的應用

生理參數采集是指對人在特定環(huán)境下靜止或活動(dòng)時(shí)的某些生理參數進(jìn)行測量、處理和傳送。該技術(shù)應用領(lǐng)域廣泛，如醫療、保健、體育、軍事和服裝舒適性評價(jià)等。生理參數采集的實(shí)現方法是將傳感置于人體相應部位，以有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式將傳感器采集到的數據傳送到終端進(jìn)行處理。在使用中有線(xiàn)傳輸的方式有時(shí)會(huì )受到限制，所以有必要研究采用無(wú)線(xiàn)方式傳輸數據的方法。如在服裝舒適性評價(jià)應用中，主要方法有：在真實(shí)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(guān)評價(jià)。在進(jìn)行真實(shí)環(huán)境下人體穿著(zhù)動(dòng)態(tài)實(shí)驗時(shí)，無(wú)線(xiàn)數據采集傳輸方式會(huì )帶來(lái)很大方便。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展迅速，將這一技術(shù)應用于人體生理參數采集在國內已有相關(guān)應用，如參考文獻[2]提出基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在遠程家庭監護中的應用，參考文獻[3]提出了無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)在醫療監護中的應用。本文將結合具體應用，從無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)軟硬件平臺選擇、網(wǎng)絡(luò )體系結構、MAC層協(xié)議、節點(diǎn)低功耗設計等方面分析和設計人體參數采集。

　　1 系統設計

　　1.1 網(wǎng)絡(luò )體系結構及協(xié)議

　　網(wǎng)絡(luò )拓撲結構主要描述網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的連接模式。人體生理參數采集范圍小，傳感器節點(diǎn)集中，各節點(diǎn)間一般不需要通信。根據這些特點(diǎn)，可以使用星型網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。在星型拓撲結構中，每個(gè)分支節點(diǎn)以點(diǎn)到點(diǎn)的方式連接到中心節點(diǎn)上，當在中心節點(diǎn)與分支節點(diǎn)間大量通信時(shí)，采用星型拓撲結構是最有效的。其優(yōu)點(diǎn)在于能夠將資源集中、網(wǎng)絡(luò )易于管理、覆蓋范圍集中、路由算法相對簡(jiǎn)單，有問(wèn)題的節點(diǎn)很容易在不影響其他節點(diǎn)性能的情況下被中心節點(diǎn)隔離掉。

　　在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，MAC（Medium Access Control）協(xié)議決定無(wú)線(xiàn)信道的使用方式，在傳感器節點(diǎn)之間分配有限的無(wú)線(xiàn)通信資源，對傳感器網(wǎng)絡(luò )的性能有較大影響，是保證無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )低功耗工作的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò )協(xié)議之一。人體生理參數采集應用中，傳感器節點(diǎn)周期性采集數據，供電常采用小型紐扣電，而中心節點(diǎn)一般供電充足，所以采用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）控制協(xié)議。中心節點(diǎn)不關(guān)閉射頻模塊，持續接收。傳感器節點(diǎn)定時(shí)采樣、發(fā)送數據，在需要發(fā)送數據時(shí)打開(kāi)射頻模塊，首先對信道進(jìn)行偵聽(tīng)，若信道被占用，則退避一段隨機時(shí)間后再繼續偵聽(tīng)，若此時(shí)信道沒(méi)有被占用，則發(fā)送數據，得到確認后關(guān)閉射頻模塊，MCU進(jìn)入睡眠模式，等待下一次定時(shí)觸發(fā)。

　　1.2 射頻收發(fā)器件及網(wǎng)絡(luò )操作系統

　　傳感器節點(diǎn)要求體積小、功耗低、能夠進(jìn)行數據處理和無(wú)線(xiàn)收發(fā)，這里采用TI/Chipcon公司CC2430EM評估板作為無(wú)線(xiàn)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(xiàn)，可與傳感器電路連接進(jìn)行控制。芯片CC2430內嵌CC2420射頻收發(fā)器和8051 MCU,內含12 bit模/數轉換器、4個(gè)定時(shí)器、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)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(guò)外部中斷或實(shí)時(shí)時(shí)鐘喚醒。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可以被視為由多個(gè)能量、存儲空間和處理能力有限的CPU組成的計算機系統，這些CPU相互獨立，又協(xié)同工作。為便于軟件開(kāi)發(fā)與維護，提高軟件開(kāi)發(fā)效率，采用TinyOS嵌入式操作系統。TinyOS是一種專(zhuān)門(mén)為嵌入式系統設計的基于組件的操作系統，主要應用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，由nesC語(yǔ)言實(shí)現，它采用輕量級線(xiàn)程技術(shù)、主動(dòng)消息通信技術(shù)、事件驅動(dòng)模式、組件化編程方式。使用該操作系統能夠提高CPU使用率，在TinyOS的調度下，所有與通信事件相關(guān)聯(lián)的任務(wù)在事件產(chǎn)生時(shí)可以迅速進(jìn)行處理。在處理完畢且沒(méi)有其他事件的情況下，CPU將進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

　　1.3 節點(diǎn)設計

　　圖1為人體生理參數采集網(wǎng)絡(luò )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。圖中各傳感器節點(diǎn)定時(shí)采樣、發(fā)送數據，中心節點(diǎn)收到數據后通過(guò)串口送至PC機，進(jìn)行顯示和處理。

　　節點(diǎn)有兩類(lèi)：傳感器節點(diǎn)和中心節點(diǎn)。在TinyOS環(huán)境下編程語(yǔ)言為nesC,為支持組件化編程模式，nesC語(yǔ)言引入了接口和組件的概念。接口是一些功能類(lèi)似或相關(guān)的函數聲明，根據調用方向不同命名為命令或事件，具體實(shí)現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(guò)接口連接起來(lái)，模塊提供程序所需的代碼實(shí)現。對于傳感器節點(diǎn)，需要針對不同的傳感器設計硬件驅動(dòng)組件，結合已有的中間組件（如系統組件、電源管理組件、A/D轉換組件、定時(shí)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點(diǎn)為例說(shuō)明設計方法，溫濕度傳感器采用瑞士SENSIRION公司的SHT10.

　　溫濕度傳感器節點(diǎn)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。因為所有傳感器節點(diǎn)都具有定時(shí)采樣、數據處理、按協(xié)議數據收發(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(guān)的操作單獨設計一個(gè)組件SHT10_C,在頂層配件中通過(guò)與不同類(lèi)型傳感器組件連接，實(shí)現各傳感器節點(diǎn)功能。將與傳感器操作無(wú)關(guān)、與應用相關(guān)的其他功能組合設計一個(gè)中間組件SensorNet_C,通過(guò)與下層配件McuSleepC、CsmaC和CC2430ActiveMessageC連接，實(shí)現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(guān)系，其實(shí)現分別由SHT10_M和SensorNet_M完成。在調用命令Send.send（）發(fā)送數據時(shí)，首先進(jìn)行清潔信道評估，如果信道被占用，則需要退避一段時(shí)間。退避時(shí)間由隨機函數產(chǎn)生一個(gè)1~31之間的隨機數，與一個(gè)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(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)數量進(jìn)行調整，節點(diǎn)少則初始值小，反之則適當加大。

　　溫濕度傳感器節點(diǎn)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(guān)聯(lián)系統啟動(dòng)*/

　　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(shí)現接口STH的連接*/

　　}