基于WSNs的醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳遠(yuǎn)波, 李　青, 王燕杰, 申屠南瑛

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

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基于WSNs的醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳遠(yuǎn)波, 李青, 王燕杰, 申屠南瑛

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

摘要:針對(duì)傳統(tǒng)醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布線難、設(shè)備移動(dòng)性差、測(cè)量精度不高的問(wèn)題，提出了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)技術(shù)的醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、通信機(jī)制及軟件實(shí)現(xiàn)流程。系統(tǒng)由無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)依據(jù)無(wú)線通信機(jī)制形成WSNs。在分析影響WSNs能耗的主要因素和現(xiàn)有節(jié)能技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了一種基于能量均衡的數(shù)據(jù)可靠傳輸算法,即動(dòng)態(tài)能量管理分簇算法(DPMCA)，該算法把DPM技術(shù)和CA有效結(jié)合，有效解決了傳統(tǒng)醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)； 能量均衡； 數(shù)據(jù)可靠性傳輸

0引言

繼互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)之后，物聯(lián)網(wǎng)成為信息科技的第三波浪潮，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks,WSNs)技術(shù)將在物聯(lián)網(wǎng)中起到舉足輕重的作用[1],并引起了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。近幾年，短距離無(wú)線通信技術(shù)得到快速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)中，然而如何實(shí)現(xiàn)一種低成本，易于維護(hù)與擴(kuò)展，測(cè)量精度高，可靠實(shí)用并適合我國(guó)國(guó)情的醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，仍是亟待解決的實(shí)際問(wèn)題。

本文提出了一種基于WSNs的醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)軟硬件相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了醫(yī)院環(huán)境的溫度、濕度以及光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在分析影響WSNs能耗的主要因素和現(xiàn)有節(jié)能技術(shù)基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于能量均衡的數(shù)據(jù)可靠傳輸算法[2],即動(dòng)態(tài)能量管理分簇算法(dynamic power management clustering algorithm,DPMCA)，該算法把DPM技術(shù)[3]和CA有效結(jié)合。實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果顯示：該算法有效實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)能量均衡、延遲了WSNs的生命周期，提高了醫(yī)院環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

1醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在醫(yī)院樓道、科室單元設(shè)置匯聚節(jié)點(diǎn)，以環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置為單個(gè)節(jié)點(diǎn)，在樓層內(nèi)采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)把節(jié)點(diǎn)的讀數(shù)集中到位于樓層底部或中部的匯聚節(jié)點(diǎn)，然后由匯聚節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)或短信方式發(fā)送到監(jiān)控中心。系統(tǒng)主要由三部分組成：1)安裝在樓道、科室單元中有無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能的環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置(無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn))；2)安裝在樓層內(nèi)的匯聚節(jié)點(diǎn)；3)上位機(jī)顯示部分。整個(gè)醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig 1　Overall structure of hospital environment monitoring system

環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置作為傳感器節(jié)點(diǎn)，它是采用自組織方式[4]進(jìn)行組網(wǎng)并利用無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，節(jié)點(diǎn)都具有數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)雙重功能。節(jié)點(diǎn)對(duì)本身采集到的信息和其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給它的信息進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)處理之后以相鄰節(jié)點(diǎn)接力傳送的方式傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，然后通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)以醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)、短信等方式傳送給監(jiān)控中心，通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示醫(yī)院環(huán)境的溫度、濕度以及光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

醫(yī)院環(huán)境實(shí)時(shí)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)(圖2)由微處理器、傳感器、存儲(chǔ)器、無(wú)線通信模塊、電源模塊等主要模塊組成。在系統(tǒng)中，處理器采用STC10L系列單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)。無(wú)線通信模塊采用的是CC1101模塊[5]，該模塊一種低成本真正單片的UHF收發(fā)器，基于0.18 mm CMOS晶體的Chipcond的SmartRF 04技術(shù)，性能穩(wěn)定、高靈敏度且功耗低，可確保短距離通信的有效性和可靠性。電源模塊主要為節(jié)點(diǎn)和其它模塊提供正常工作所必須的能源;傳感器模塊主要用于感知、獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域信息,然后由A/D轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)換成微處理器能夠接收的數(shù)字量,并傳送到微處理器；微處理器主要作用就是對(duì)接收信息進(jìn)行處理和對(duì)各節(jié)點(diǎn)工作進(jìn)行協(xié)調(diào)；無(wú)線收發(fā)模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。

圖2　醫(yī)院環(huán)境實(shí)時(shí)無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig 2　Structure of hospital environment real-timewireless monitoring node

傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)在硬件設(shè)計(jì)上主要在電源模塊部分和無(wú)線通信模塊部分[6]。傳感器節(jié)點(diǎn)基本靠電池供電，主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)和一定的轉(zhuǎn)發(fā)相鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的任務(wù)，所以,通過(guò)使它大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)來(lái)延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的壽命；匯聚節(jié)點(diǎn)不僅需要采集數(shù)據(jù)，而且負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)建立與發(fā)出各種命令、匯聚終端節(jié)點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并上傳至監(jiān)控中心，所以，硬件設(shè)計(jì)上需要增加存儲(chǔ)器并采用電源供電，這樣可以有效地維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于傳感器節(jié)點(diǎn)能量有限，如何有效地做到網(wǎng)絡(luò)能量均衡，延長(zhǎng)WSNs的生命周期，提高數(shù)據(jù)可靠傳輸是設(shè)計(jì)WSNs的一個(gè)重要問(wèn)題。在分析影響WSNs能耗的主要因素和現(xiàn)有節(jié)能技術(shù)基礎(chǔ)上，本文提出了DPMCA，該算法把DPM技術(shù)和CA有效結(jié)合。

3.1DPM節(jié)能技術(shù)

DPM是一種能夠有效降低系統(tǒng)能耗而又不影響系統(tǒng)性能的方法[7]。在低功耗硬件設(shè)備基礎(chǔ)上,DPM技術(shù)可以進(jìn)一步減少能量消耗,延長(zhǎng)電池工作時(shí)間。節(jié)點(diǎn)周圍如果沒(méi)有要處理的事件發(fā)生,一部分模塊就會(huì)處于空閑狀態(tài),這時(shí)也可以讓這些模塊停止工作或讓其處于休眠狀態(tài)。為了能夠使功耗最小,通過(guò)軟件設(shè)計(jì)DPM狀態(tài)，根據(jù)外部任務(wù)和內(nèi)部狀態(tài)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地改變系統(tǒng)的工作功率狀態(tài)。無(wú)線通信鏈路質(zhì)量與節(jié)點(diǎn)間無(wú)線通信能力密切相關(guān)。鏈路質(zhì)量可以通過(guò)包接收率(packet reception ratio,PRR)直接度量，也可以用接收信號(hào)強(qiáng)度指示( received signal strength indication，RSSI)和鏈路質(zhì)量指示(link quality indication,LQI)兩個(gè)參數(shù)來(lái)評(píng)估,而且兩者之間的關(guān)系式可以用式(1)表示[8]

RSSI=-(81-91LQI/255).

(1)

隨著環(huán)境的不同，門限值也會(huì)發(fā)生變化，一旦達(dá)到某個(gè)門限值,鏈路都可以達(dá)到一個(gè)理想的PRR，因此，使用RSSI值來(lái)評(píng)估鏈路質(zhì)量，獲得維持最小連通度的RSSI值。

3.2DPMCA

為了便于研究，本文進(jìn)行如下假設(shè)：

1)假設(shè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的地位都是平等的,在初始狀態(tài)下,所有節(jié)點(diǎn)都具有相同能量,其能量管理策略釆用動(dòng)態(tài)能量管理,而且還具有自適應(yīng)調(diào)整發(fā)射功率的能力。如果獲得對(duì)方發(fā)射功率,節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)RSSI計(jì)算出通信距離[9]。

2)假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)不僅ID標(biāo)識(shí)是唯一的,而且還具有獲取其他節(jié)點(diǎn)ID標(biāo)識(shí)的能力。

借鑒LEACH的一些基本思想，并以循環(huán)方式隨機(jī)選擇簇頭，提出了一種應(yīng)用于中小規(guī)模WSNs的DPMCA,而匯聚節(jié)點(diǎn)與普通傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件實(shí)現(xiàn)存在一定的區(qū)別，匯聚節(jié)點(diǎn)的軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖3所示，普通傳感器節(jié)點(diǎn)軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖4所示。

圖3　匯聚節(jié)點(diǎn)軟件流程圖Fig 3　Flow chart of software in sink node

圖4　普通節(jié)點(diǎn)軟件流程圖Fig 4　Flow chart of software in normal node

1)在初始階段：簇頭比例和第一次簇頭節(jié)點(diǎn)的選舉由匯聚節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一確定,剩下各輪簇頭節(jié)點(diǎn)通過(guò)新一輪選舉產(chǎn)生。為了能夠使簇頭達(dá)到最優(yōu),在監(jiān)測(cè)面積和傳感器節(jié)點(diǎn)總數(shù)目已經(jīng)確定的情況下采用遺傳算法[10]對(duì)簇頭進(jìn)行優(yōu)化。

2)簇頭的形成：監(jiān)測(cè)區(qū)域被統(tǒng)一劃分成若干個(gè)簇,匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)最優(yōu)簇頭比例對(duì)區(qū)域進(jìn)行劃分,假設(shè)簇頭比例為所需簇頭個(gè)數(shù)與節(jié)點(diǎn)總數(shù)的比值,則對(duì)第r輪的簇頭選擇閾值如式(2)所示

(2)

式中mod為模運(yùn)算,r為網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前運(yùn)行的輪數(shù),在區(qū)間[0,1]內(nèi),每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)i,如果節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)i

3)組簇：簇頭向區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)廣播自己的ID并成為簇頭的公告(advertisementofclusterhead，AOCH)。同時(shí),簇頭之外的傳感器節(jié)點(diǎn)(sensornodes,SN)判斷不同簇頭廣播的AOCH信號(hào)強(qiáng)度,并發(fā)送注冊(cè)(registration，REG)信息給信號(hào)強(qiáng)度最大的簇頭,加入其所在域，并形成簇內(nèi)ID信息列表ID_List。

4)簇內(nèi)傳送：各個(gè)終端以單跳或多跳的形式向簇頭節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。

5)判斷是否更換簇頭：簇頭根據(jù)自己的剩余能量判斷是否更換簇頭，若需要更換簇頭，則重新第2步，本文采用靜態(tài)組簇的方式，即第1分簇后各簇內(nèi)成員不發(fā)生變化。

6)匯聚：簇頭負(fù)責(zé)將簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)融合后發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。

7)上位機(jī)顯示：由匯聚節(jié)點(diǎn)匯聚終端節(jié)點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并上傳至監(jiān)控中心，并在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示醫(yī)院環(huán)境的溫度、濕度以及光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。

4系統(tǒng)測(cè)試與性能分析

首先搭建了硬件系統(tǒng)，并通過(guò)無(wú)線自組網(wǎng)的方式進(jìn)行無(wú)線組網(wǎng)，最后在電腦上位機(jī)顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)。原型系統(tǒng)如圖5所示，上位機(jī)顯示如圖6所示。通過(guò)對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行單元功能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)表明：各個(gè)單元模塊可以實(shí)時(shí)采集當(dāng)?shù)乇O(jiān)測(cè)區(qū)域的環(huán)境參數(shù)，上位機(jī)正常顯示，系統(tǒng)各項(xiàng)功能運(yùn)行良好，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期效果。

圖5　傳感器節(jié)點(diǎn)原型系統(tǒng)Fig 5　Prototype system of sensor node

圖6　上位機(jī)顯示部分Fig 6　Upper PC display part

對(duì)DPMCA的性能進(jìn)行了評(píng)估，并做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)：在DPMCA和LEACH算法下，網(wǎng)絡(luò)存活率隨工作時(shí)間的變化情況的比較，如圖7。

圖7　網(wǎng)絡(luò)存活率情況比較圖Fig 7　Comparison chart of network survival rate situation

從圖7中可以看出:DPMCA有效地延長(zhǎng)了醫(yī)院環(huán)境無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的生命周期，相比傳統(tǒng)LEACH算法延長(zhǎng)了2～3倍左右，防止傳感器節(jié)點(diǎn)過(guò)早死亡引起數(shù)據(jù)丟包，從而提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

5結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)應(yīng)用當(dāng)前熱門的WSNs技術(shù)實(shí)現(xiàn)了醫(yī)院環(huán)境無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有使用方便、易于尾部、靈活可靠等特點(diǎn)，且具有很強(qiáng)的實(shí)用性。針對(duì)WSNs技術(shù)中數(shù)據(jù)可靠性傳輸問(wèn)題，提出了一種DPMCA，該算法把DPM技術(shù)和CA有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)能量均衡、延長(zhǎng)了WSNs的生命周期，防止傳感器節(jié)點(diǎn)過(guò)早死亡引起數(shù)據(jù)丟包，提高了醫(yī)院環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性。設(shè)計(jì)對(duì)醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用和研究具有一定的參考和指導(dǎo)意義。

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Design of hospital environment monitoring system based on WSNs*

CHEN Yuan-bo, LI Qing, WANG Yan-jie, SHENTU Nan-ying

(College of Mechanical and Electrical Engineering,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China )

Abstract:Aiming at problems of traditional hospital environmental monitoring system,which are difficulty of addressing,poor mobility and measurement precision is not high,present a new hospital environmental monitoring system based on wireless sensor networks(WSNs),and introduce system structure,communication mechanism and flow chart of program in detail.Wireless sensor nodes form WSNs based on wireless communication mechanism.On the basis of analysis on main factors that influences energy consumption of WSNs and the existing energy-saving technology,propose a reliable data transmission algorithm,dynamic power management clustering algorithm (DPMCA),which is based on energy balance,it effectivly combines dynamic power consumption management technology with clustering algorithm.This system solves effectively problems in hospital environmental monitoring.

Key words:wireless sensor networks(WSNs); environmental monitoring system; energy balance; data reliability transmission

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0120—03

收稿日期：2015—05—06

*基金項(xiàng)目：浙江省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011C11069)；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LQ13F010003)

中圖分類號(hào)：TN 92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)02—0120—03

作者簡(jiǎn)介:

陳遠(yuǎn)波(1990-)，男，浙江臺(tái)州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置、無(wú)線通信技術(shù)。

李青，通訊作者，E—mail:lq13306532957@163.com。