無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在人體參數(shù)采集中的應(yīng)用*

馬小鐵，李 凱

(北京服裝學(xué)院 信息工程學(xué)院，北京 100029)

生理參數(shù)采集是指對(duì)人在特定環(huán)境下靜止或活動(dòng)時(shí)的某些生理參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、處理和傳送。該技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，如醫(yī)療、保健、體育、軍事和服裝舒適性評(píng)價(jià)等。生理參數(shù)采集的實(shí)現(xiàn)方法是將傳感器置于人體相應(yīng)部位，以有線或無線方式將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳送到終端進(jìn)行處理。在使用中有線傳輸?shù)姆绞接袝r(shí)會(huì)受到限制，所以有必要研究采用無線方式傳輸數(shù)據(jù)的方法。如在服裝舒適性評(píng)價(jià)應(yīng)用中，主要方法有：在真實(shí)環(huán)境下對(duì)人體表溫濕度的測(cè)量；在模擬環(huán)境(人工氣候室)下對(duì)真人或假人體表溫濕度的測(cè)量，根據(jù)測(cè)量值給出主客觀評(píng)價(jià)。在進(jìn)行真實(shí)環(huán)境下人體穿著動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)，無線數(shù)據(jù)采集傳輸方式會(huì)帶來很大方便。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速，將這一技術(shù)應(yīng)用于人體生理參數(shù)采集在國(guó)內(nèi)已有相關(guān)應(yīng)用，如參考文獻(xiàn)[2]提出基于Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程家庭監(jiān)護(hù)中的應(yīng)用，參考文獻(xiàn)[3]提出了無線傳感器技術(shù)在醫(yī)療監(jiān)護(hù)中的應(yīng)用。本文將結(jié)合具體應(yīng)用，從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟硬件平臺(tái)選擇、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、MAC層協(xié)議、節(jié)點(diǎn)低功耗設(shè)計(jì)等方面分析和設(shè)計(jì)人體參數(shù)采集。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要描述網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的連接模式。人體生理參數(shù)采集范圍小，傳感器節(jié)點(diǎn)集中，各節(jié)點(diǎn)間一般不需要通信。根據(jù)這些特點(diǎn)，可以使用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每個(gè)分支節(jié)點(diǎn)以點(diǎn)到點(diǎn)的方式連接到中心節(jié)點(diǎn)上，當(dāng)在中心節(jié)點(diǎn)與分支節(jié)點(diǎn)間大量通信時(shí)，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是最有效的。其優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)①Y源集中、網(wǎng)絡(luò)易于管理、覆蓋范圍集中、路由算法相對(duì)簡(jiǎn)單，有問題的節(jié)點(diǎn)很容易在不影響其他節(jié)點(diǎn)性能的情況下被中心節(jié)點(diǎn)隔離掉。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)之間分配有限的無線通信資源，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有較大影響，是保證無線傳感器網(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(shù)采集應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)周期性采集數(shù)據(jù)，供電常采用小型紐扣電池，而中心節(jié)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(jié)點(diǎn)不關(guān)閉射頻模塊，持續(xù)接收。傳感器節(jié)點(diǎn)定時(shí)采樣、發(fā)送數(shù)據(jù)，在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)打開射頻模塊，首先對(duì)信道進(jìn)行偵聽，若信道被占用，則退避一段隨機(jī)時(shí)間后再繼續(xù)偵聽，若此時(shí)信道沒有被占用，則發(fā)送數(shù)據(jù)，得到確認(rèn)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(tǒng)

傳感器節(jié)點(diǎn)要求體積小、功耗低、能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和無線收發(fā)，這里采用TI/Chipcon公司CC2430EM評(píng)估板作為無線收發(fā)模塊，傳感器電路根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)。CC2430評(píng)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(jìn)行控制。芯片CC2430內(nèi)嵌 CC2420射頻收發(fā)器和 8051 MCU，內(nèi)含 12 bit模/數(shù)轉(zhuǎn)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，可通過外部中斷或?qū)崟r(shí)時(shí)鐘喚醒。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以被視為由多個(gè)能量、存儲(chǔ)空間和處理能力有限的CPU組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這些CPU相互獨(dú)立，又協(xié)同工作。為便于軟件開發(fā)與維護(hù)，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(shè)計(jì)的基于組件的操作系統(tǒng)，主要應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由nesC語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，它采用輕量級(jí)線程技術(shù)、主動(dòng)消息通信技術(shù)、事件驅(qū)動(dòng)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(diào)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。在處理完畢且沒有其他事件的情況下，CPU將進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

1.3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖1為人體生理參數(shù)采集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。為提高便攜性能，可以將其中的PC機(jī)用嵌入式設(shè)備替換。圖中各傳感器節(jié)點(diǎn)定時(shí)采樣、發(fā)送數(shù)據(jù)，中心節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后通過串口送至PC機(jī)，進(jìn)行顯示和處理。

圖1 無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

節(jié)點(diǎn)有兩類：傳感器節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)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。接口是一些功能類似或相關(guān)的函數(shù)聲明，根據(jù)調(diào)用方向不同命名為命令或事件，具體實(shí)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(fù)責(zé)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(shí)現(xiàn)。對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)，需要針對(duì)不同的傳感器設(shè)計(jì)硬件驅(qū)動(dòng)組件，結(jié)合已有的中間組件(如系統(tǒng)組件、電源管理組件、A/D轉(zhuǎn)換組件、定時(shí)器組件、射頻組件等)，設(shè)計(jì)應(yīng)用層的配置組件和模塊組件。下面以溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)為例說明設(shè)計(jì)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(diǎn)的組件連接如圖2所示。小矩形框內(nèi)是各組件使用和提供的接口，箭頭方向表示命令調(diào)用的方向。因?yàn)樗袀鞲衅鞴?jié)點(diǎn)都具有定時(shí)采樣、數(shù)據(jù)處理、按協(xié)議數(shù)據(jù)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(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)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(shí)現(xiàn)各傳感器節(jié)點(diǎn)功能。將與傳感器操作無關(guān)、與應(yīng)用相關(guān)的其他功能組合設(shè)計(jì)一個(gè)中間組件SensorNet_C，通過與下層配件McuSleepC、CsmaC和CC2430ActiveMessageC連接，實(shí)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(guān)系，其實(shí)現(xiàn)分別由SHT10_M和SensorNet_M完成。在調(diào)用命令Send.send()發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先進(jìn)行清潔信道評(píng)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(jī)函數(shù)產(chǎn)生一個(gè)1～31之間的隨機(jī)數(shù)，與一個(gè)給定初始值(這里設(shè)為 160 μs，即 10 symbols)相乘而得。 初始值可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，節(jié)點(diǎn)少則初始值小，反之則適當(dāng)加大。溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)的頂層配置組件程序如下：

在配件SensorNet_C中，通過連接配件CC2430ActiveMessageC使用模塊組件CC2430ActiveMessageP中提供的射頻功能。CC2430ActiveMessageP是射頻堆棧中的頂層組件，提供單跳通信實(shí)現(xiàn)方法。通過連接配件McuSleepC使用模塊組件McuSleepP中的MCU電源管理功能，實(shí)現(xiàn)MCU睡眠、定時(shí)和啟動(dòng)等功能，以降低節(jié)點(diǎn)功耗。需要在使用McuSleepP組件的上層組件SensorNet_M中實(shí)現(xiàn)事件 McuSleepControl.beforeSleep()和 McuSleepControl.after-Wakeup()，以保護(hù)和恢復(fù)睡眠前后的狀態(tài)。

溫濕度傳感器SHT10具有兩線制串行接口，輸出已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)。這里定義SHT10的接口SHT如下，需要在模塊組件SHT10_M中實(shí)現(xiàn)接口所定義的命令。

2 傳感器節(jié)點(diǎn)功耗計(jì)算

對(duì)人體生理參數(shù)進(jìn)行采集，尤其在室外應(yīng)用中，低功耗對(duì)于電池供電的傳感器節(jié)點(diǎn)來說非常重要。以下應(yīng)用參考文獻(xiàn)[6]中的方法對(duì)本設(shè)計(jì)中的傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗進(jìn)行計(jì)算。采用3.3 V直流電源供電，將一個(gè)1%精度的10 Ω電阻與CC2430EM串聯(lián)，通過測(cè)量電阻兩端的電壓降來計(jì)算一個(gè)采樣周期中各個(gè)時(shí)間段的電流。設(shè)采樣周期T=10 s，CC2430射頻輸出功率設(shè)置為100%，圖3為使用示波器TPS2024在傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)獲取的電阻兩端電壓變化波形圖，水平方向2.50 ms/div，垂直方向100 mV/div。表1為活動(dòng)期間的電流消耗。

一個(gè)采樣周期T內(nèi)低功耗模式時(shí)間(A段、G段，CC2430在 PM2模式下)：

低功耗模式下(CC2430在PM2模式下)電流消耗：

表1 傳感器節(jié)點(diǎn)各時(shí)段電流消耗計(jì)算

一個(gè)采樣周期T內(nèi)總電流消耗：

每小時(shí)消耗電流：1.326×10-4×360=0.047 74 mA

假設(shè)使用60 mAh的紐扣電池，則可以使用時(shí)間為：60 mAh/0.047 74 mA=1 256 h≈52天

本文采用nesC語(yǔ)言設(shè)計(jì)了基于TinyOS的中心節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)程序，實(shí)現(xiàn)了使用CSMA/CA協(xié)議的星型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并以溫濕度數(shù)據(jù)采集為例，設(shè)計(jì)了采用溫濕度數(shù)字傳感器SHT10的傳感器節(jié)點(diǎn)。當(dāng)采樣周期為10 s、使用60 mAh電池供電時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)可持續(xù)工作52天。本設(shè)計(jì)能夠滿足無線、便攜、低功耗地采集人體生理參數(shù)的需要。使用模塊化編程語(yǔ)言nesC，提高了開發(fā)效率，便于擴(kuò)展。本文介紹的研究和設(shè)計(jì)方法可在相關(guān)應(yīng)用中使用。

[1]周永凱，張建春.服裝舒適性與評(píng)價(jià)(第一版)[M].北京：北京工藝美術(shù)出版社，2006.

[2]郭世富，馬樹元，吳平東，等.基于 Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程家庭監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 [J].電子技術(shù)應(yīng)用，2006，32(6)：28-30.

[3]董大鵬，唐曉英，劉偉峰，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在醫(yī)療監(jiān)護(hù)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008，34(10)：29-31.

[4]HALIT E著.無線傳感器及元器件：網(wǎng)絡(luò)、設(shè)計(jì)與應(yīng)用(第一版)[M].紀(jì)曉東，趙北雁，彭木根，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[5]TI.CC2430EM Reference Design(Rev.C)[DB/OL].http：//focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/cc2430dk.html.2010.

[6]SELVIG B.Measuring power consumption with CC2430&Z-Stack application note AN053 TI lit[DB/OL].http：//focus.ti.com/general/docs/litabsmultiplefilelist.tsp?literatureNumber=swra144.2010.