基于无线传感器网络的病人体温采集系统的研究与设计

摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks)是21世纪最有影响力和最有前景的技术之一。它综合了传感器技术、计算机信息技术、无线通信技术和分布式信息处理技术,能够对物理世界进行感知,并且通过与Internet将物理世界与信息世界融合。
　　 本论文在查阅了大量相关文献的基础上对无线传感器网络的体系结构和特点进行介绍,对无线传感器网络的基础定位算法进行了分析及仿真比较,并且设计一套基于无线传感器网络的病人体温采集系统。主要的研究工作如下:
　　 1.无线传感器网络体系结构分析
　　 无线传感器网络是由大量具备测量环境物理量能力的传感节点、汇聚节点和服务平台三大部分构成的以数据应用为核心的大型网络。
　　 传感节点主要利用各种传感器技术将物理量转变成数字量,并且具有点微型化、低功耗等特点。传感节点的数据处理和存储能力均不高,网络通信采用多跳路由协议,并且还需要对其它节点转发的数据进行管理、融合和存储等处理。汇聚节点是整个无线传感器网络的一级数据融合中心,拥有较强的数据处理能力,存储空间和通信能力。同时也具备类似网关设备的职责,是网络拓扑中的关键节点。服务平台是数据中心,同时也是应用中心,根据不同的业务需求将产生不同的服务平台。用户利用该平台可以对数据进行二次开发利用,并能能够对整个网络进行配置和管理。
　　 2.无线传感器网络应用分析
　　 无线传感器网络是一个崭新的信息获取平台,大部分应用都是与数据应用相关的。在研究过程中需要与普通网络应用进行区别,需要采用应用驱动设计方法,保证系统与应用紧密结合。无线传感器网络中的传感节点由于需要满足低成本和低功耗的要求,因此在硬件资源上受到了限制。部署环境的不稳定,传感节点的数量巨大导致整个网络是一个大规模自组织的网络。在网络拓扑结构方面,同时要求整个网络是一个动态性和可靠性要求较高的结构。
　　 目前,许多行业中都出现了无线传感器网络的应用。医疗行业中可以利用传感节点进行病人生理参数、样品温度的采集；定位技术可以对病人、药品、血液、医疗设备等的位置信息进行测量,降低医疗不良事件的发生。国家在无锡的物联网基地平台和IBM的“智慧地球”计划,都是将无线传感器网络与Internet进行结合,完成物理世界与信息世界的融合。军事战场上的情报收集、环境变化监测、野生动物追踪、智能交通、智能家居等行业领域中,也逐渐出现的无线传感器网络的典型应用。
　　 3.定位技术的研究与仿真
　　 本论文重点研究了无线传感器网络中距离相关和与距离无关的两大类定位技术。定位技术在无线传感器网络的八大研究方向(网络拓扑控制、网络协议与安全、时间同步、定位技术、数据融合和管理、无线通信技术、嵌入式操作系统及应用层技术)中处于基础位置,对最终系统应用具有决定性影响。
　　 距离相关的定位技术中AOA技术通过测量信号到达角度,通过三角测量法计算出节点的位置信息。TOA、TDOA技术需要整个网络存在中一个精确的时间同步机制,通过射频信号、声波或者超声波等信号在空间中传播时间或者传播时间差推算出发送节点与接收节点之间的距离,然后利用三边测量法或极大似然法计算位置信息。RSSI技术利用射频芯片中特有的射频信号强度测量功能,然后根据信号传播衰减模型将衰减量转变成节点之间的距离,利用三边测量法或极大似然法计算未知节点的位置信息。信号角度测量、时间同步机制、信号强度检测均需要额外的硬件,这样就导致节点的成本过高,体积过大。信号在传播过程中,都会受到干扰噪声、传播媒介和障碍物大小等等关键因素影响。往往在实验环境中表现很好的应用,换成了真实环境后,定位的精确度和稳定性都会有所下降。
　　 与距离无关的定位技术中质心算法和APIT算法都是采用以锚节点作为定点的多边形质心作为位置节点的位置。质心算法利用的是所有邻居锚节点组成的多边形的质心,APIT算法是穷举未知节点所在的所有三角形,然后将这些三角形重叠区域的质心作为未知节点的位置。DV-HOP算法计算的是锚节点之间计算出每跳平均距离,然后利用未知节点与锚节点之间的跳数信息推算出自身到每个锚节点的跳段距离,利用三边测量法或极大似然法计算未知节点的位置信息。与距离无关的定位技术最大的好处是不需要对节点之间的距离信息、角度信息或者其它物理信息进行测量,因此不需要额外的硬件,满足了节点低成本和低功耗的要求。在环境不稳定、通信质量低等情况下,能够得到较高和稳定的定位精度。在本文的仿真实验中,可以看出影响该类算法精确度的因素是锚节点的密度和节点通信半径。
　　 4.病人体温采集系统设计方案
　　 本文设计了一套基于无线传感器网络技术的病人体温采集系统,利用DS-18B20温度传感器进行病人体温测量,CC2500射频收发芯片实现射频传输,以MSP430系列低功耗单片机作为控制核心。在业务服务平台中采用了分层架构,利用COM技术进行开发,达到系统更新及模块重用的目的。
　　 1)数据采集平台
　　 温度模块采用了DALLAS公司的DS-18B20数字温度传感器,它是一单总线器件,外围电路简单,能够在温度较大范围内进行高分辨率温度采集。在传输数据的过程中可传送CRC校验码,具有极强的抗干扰纠错能力。
　　 射频模块采用了TI公司的CC2500收发一体射频芯片,该芯片是专为低功耗无线应用设计的。它的工作频段为2.4GHz,并且包括了数据包处理、数据缓冲、突发数据传输,信道评估、连接质量指示等功能和电磁波激发等功能。CC2500的参数都可以通过状态字由用户自行定制,与中央处理器的通信协议比较简单。该芯片数据传输方式采用了FIFO方式传输数据,中央处理器可以通过SPI接口进行控制。
　　 传感节点中的控制模块选用了TI公司的MSP430F2002超低功耗单片机实现温度采集和射频收发控制功能。MSP430系列单片机最大的特点是超低功耗,休眠状态下,电流消耗仅仅0.1微安,工作状态下,电流消耗最大仅为250微安。接收节点需要与多个传感节点进行通信,并且对采集数据进行初步融合,因此需要采用ARM平台的芯片,满足大量计算和存储空降的要求。
　　 2)业务服务平台
　　 COM技术规范的采用可以将可以在任意两个组件之间进行通信而不用考虑其所处的操作环境是否相同、使用的开发语言是否一致以及是否运行于同一台计算机。使用该技术进行开发,可以实现模块可复用、开发并行等目的。
　　 在业务服务平台中采用了分层的架构对系统架构进行划分,其中包括了表现层,业务层,数据层和技术支持层。
　　 表现层主要处理用户界面与UI逻辑。主要职责是将数据与表现进行分离,是用户和系统之间交流的桥梁,它一方面为用户提供了交互的工具,一方面也为显示和提交数据实现了一定的逻辑。病人基本信息、节点信息、体温曲线都是业务服务平台中需要提供给用户的应用模块。
　　 业务层则与系统业务逻辑紧密相关,是系统所有层中的核心。在设计该层时候,可以采用对象模型或者领域模型两种设计方法,完成数据层与表现层之间的交互。病人管理、节点管理、体温数据回顾、配置管理和日志服务是业务层中重要的组成模块。
　　 数据层主要是完成访问位于持久化容器(如某个数据库)中的数据的功能,并且具有CRUD服务,查询服务,事务管理和并发处理四种职责。在该层中应该完成数据与业务对象的转换,隔离业务层与数据库之间的关系。系统就可以在无需更改的情况下,根据不同的需求而更换不同的数据库。本业务服务平台中需要进行存储的数据包括了体温数据、配置数据与日志数据。
　　 技术支持层位于系统的底层,其本质是平台与操作系统、外围设备之间的隔离层。位于该层中的模块应该都是可复用的,在构造新系统或者更新平台中某个模块式,可以利用各种模块快速进行系统构建,对于开发团队来说,也是一个技术基础性的积累。统一的打印记录服务接口、网络通信协议编码/解码统一接口,设备驱动统一调用接口都是该层的模块需要提供的。
　　 最后,对论文的工作进行了总结,对未来的研究工作进行了展望。