無線傳感器網絡技術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境下靜止或活動時的某些生理參數進行測量、處理和傳送。該技術應用領域廣泛，如醫療、保健、體育、軍事和服裝舒適性評價等。生理參數采集的實現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據傳送到終端進行處理。在使用中有線傳輸的方式有時會受到限制，所以有必要研究采用無線方式傳輸數據的方法。如在服裝舒適性評價應用中，主要方法有：在真實環境下對人體表溫濕度的測量；在模擬環境（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。在進行真實環境下人體穿著動態實驗時，無線數據采集傳輸方式會帶來很大方便。無線傳感器網絡技術發展迅速，將這一技術應用于人體生理參數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護中的應用，參考文獻[3]提出了無線傳感器技術在醫療監護中的應用。本文將結合具體應用，從無線傳感器網絡節點軟硬件平臺選擇、網絡體系結構、MAC層協議、節點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 網絡體系結構及協議

　　網絡拓撲結構主要描述網絡節點的連接模式。人體生理參數采集范圍小，傳感器節點集中，各節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，每個分支節點以點到點的方式連接到中心節點上，當在中心節點與分支節點間大量通信時，采用星型拓撲結構是最有效的。其優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，有問題的節點很容易在不影響其他節點性能的情況下被中心節點隔離掉。

　　在無線傳感器網絡中，MAC（Medium Access Control）協議決定無線信道的使用方式，在傳感器節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議之一。人體生理參數采集應用中，傳感器節點周期性采集數據，供電常采用小型紐扣電，而中心節點一般供電充足，所以采用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）控制協議。中心節點不關閉射頻模塊，持續接收。傳感器節點定時采樣、發送數據，在需要發送數據時打開射頻模塊，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偵聽，若此時信道沒有被占用，則發送數據，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。

　　1.2 射頻收發器件及網絡操作系統

　　傳感器節點要求體積小、功耗低、能夠進行數據處理和無線收發，這里采用TI/Chipcon公司CC2430EM評估板作為無線收發模塊，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射頻收發器和8051 MCU,內含12 bit模/數轉換器、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，這些CPU相互獨立，又協同工作。為便于軟件開發與維護，提高軟件開發效率，采用TinyOS嵌入式操作系統。TinyOS是一種專門為嵌入式系統設計的基于組件的操作系統，主要應用于無線傳感器網絡，由nesC語言實現，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。使用該操作系統能夠提高CPU使用率，在TinyOS的調度下，所有與通信事件相關聯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。

　　1.3 節點設計

　　圖1為人體生理參數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。圖中各傳感器節點定時采樣、發送數據，中心節點收到數據后通過串口送至PC機，進行顯示和處理。

　　節點有兩類：傳感器節點和中心節點。在TinyOS環境下編程語言為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聲明，根據調用方向不同命名為命令或事件，具體實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接口連接起來，模塊提供程序所需的代碼實現。對于傳感器節點，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。因為所有傳感器節點都具有定時采樣、數據處理、按協議數據收發、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，實現各傳感器節點功能。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MCU電源管理、CSMA協議及射頻模塊控制。配件SHT10_C和SensorNet_C僅提供組件間連接關系，其實現分別由SHT10_M和SensorNet_M完成。在調用命令Send.send（）發送數據時，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產生一個1~31之間的隨機數，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點數量進行調整，節點少則初始值小，反之則適當加大。

　　溫濕度傳感器節點的頂層配置組件程序如下：

　　configuration SensorNodeSHT_C {

　　}

　　implementation {

　　components MainC; /*TinyOS2主模塊，這里用于關聯系統啟動*/

　　components new TimerMilliC（） as TimerC;

　　components SensorNet_C; /*射頻模塊、CSMA協議及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; /*實現接口STH的連接*/

　　}