無線體域網(wǎng)

陳文

[編者按]無線體域網(wǎng)是個人健康信息采集與傳輸?shù)闹匾夹g(shù)手段之一，具有重要現(xiàn)實意義和產(chǎn)業(yè)化前景，受到工業(yè)界、學術(shù)界和標準化組織的廣泛關(guān)注。另外，IEEE 802.15.6 協(xié)議標準是目前國際上公認的一款適用于健康信息采集的未來超短距無線體域網(wǎng)協(xié)議標準。講座將分3期對該技術(shù)進行介紹：第1期講述無線體域網(wǎng)的背景、研究動態(tài)和技術(shù)特征;第2期對無線體域網(wǎng)的頻段選取、信道建模、MAC層協(xié)議、通信技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)特征進行介紹;第3期介紹無線體域網(wǎng)的節(jié)點設(shè)計、數(shù)據(jù)采集和應(yīng)用場景問題。

中圖分類號：TP393 ? ?文獻標志碼：A ? 文章編號：1009-6868 （2014） 06-0057-03

9 無線體域網(wǎng)的節(jié)點設(shè)計

無線體域網(wǎng)（WBAN）的無線傳感節(jié)點按照其與人體位置的分布可大致分為4類：

（1）分布在人體體表的傳感器節(jié)點，通常為可穿戴式，如心動電流描記儀、集成化脈搏傳感器、體溫傳感器、指環(huán)式心率感知器、脈搏率檢測傳感器。

（2）植入人體體內(nèi)的傳感器節(jié)點，如心臟起搏器、胰島素泵。

（3）置于人體內(nèi)膜表面的傳感器節(jié)點、位于人體周圍較近距離的傳感器節(jié)點（即可吸入的傳感器節(jié)點），如吸入式藥丸攝像機、吸入式藥丸溫度測量儀。

（4）位于人體周圍較近距離的傳感器節(jié)點，如腦電圖掃描儀。

無線體域網(wǎng)的無線傳感節(jié)點按其監(jiān)測目的可大致分為5類：

（1）位移傳感器，用以監(jiān)測血管內(nèi)外徑，心房、心室尺寸，骨骼肌、平滑肌的收縮等。

（2）速度傳感器，主要用于測量血流速度、排尿速度、分泌速度、呼吸氣流速度等。

（3）振動（加速度）傳感器，應(yīng)用于監(jiān)控各種生理病理聲音，如心音、呼吸音、血管音，搏動，震顫等。

（4）力傳感器，應(yīng)用于檢測肌收縮力、咬合力、骨骼負荷力、粘滯力等

（5）壓強傳感器，主要用于測量血壓、眼壓、心內(nèi)壓、顱內(nèi)壓、胃內(nèi)壓、膀胱內(nèi)壓、子宮內(nèi)壓等。

此外，還有流量傳感器、溫度傳感器、電學傳感器、輻射傳感器、光學傳感器等。

在無線體域網(wǎng)系統(tǒng)中，將上述的各種傳感器與無線收發(fā)芯片及MCU芯片集成，設(shè)計超低功耗、傳輸速率高、安全可靠的終端及中繼節(jié)點是系統(tǒng)實際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的核心。

9.1 基于無線體域網(wǎng)的天線形式及

分析與設(shè)計

基于無線體域網(wǎng)的天線形式及分析與設(shè)計的主要目的是考察人體組織的電磁特性，分析人體組織對天線特性的影響，選擇合理的天線形式及布置方式，提高信號傳輸效率，降低吸收率（SAR）。實現(xiàn)體內(nèi)及體表天線快速、精確的分析與優(yōu)化設(shè)計;降低天線載體不確定性及測試環(huán)境的影響，尋找合理的橫向、縱向性能比較方式，提高天線測試方法的精確性與客觀性;結(jié)合小型化、高效率、低SAR值等要求，設(shè)計適用于血壓計、心電圖儀、腦電圖儀、膠囊胃腸鏡以及網(wǎng)關(guān)等無線體域網(wǎng)節(jié)點的一體化天線。每個節(jié)點依據(jù)功能不同，可分為單工/雙工，都需要發(fā)射無線信號，都需要天饋系統(tǒng)來完成微波信號的放大/接收。一般的射頻器件體積較大，難于滿足要求，需要把天線和微波射頻器件一體化設(shè)計，減小體積，降低損耗。

9.2 雙向通信的中繼及超低功耗的

終端節(jié)點設(shè)計

雙向通信的中繼及超低功耗的終端節(jié)點設(shè)計的主要目的是實現(xiàn)多個人體醫(yī)療數(shù)據(jù)采集無線傳感器節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，同時接受協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送的控制命令幀。協(xié)調(diào)器節(jié)點可以和上位機連接，通過Internet與遠程控制中心連接，也可通過節(jié)點上的Wi-Fi模塊或GPRS/3G模塊以無線的方式連接遠程控制中心。當醫(yī)療采集傳感器節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點距離較遠時，它們的無線數(shù)據(jù)傳輸會通過中繼節(jié)點進行。中繼節(jié)點本身不產(chǎn)生數(shù)據(jù)，只轉(zhuǎn)發(fā)無線傳感器節(jié)點或協(xié)調(diào)器節(jié)點的數(shù)據(jù)。無線傳感器節(jié)點采用電池供電，為節(jié)省功耗，節(jié)點采用休眠模式。

9.3 醫(yī)療監(jiān)測傳感器節(jié)點設(shè)計

醫(yī)療監(jiān)測傳感器節(jié)點設(shè)計的主要目的是實現(xiàn)人類的醫(yī)療數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，特別是患者監(jiān)測系統(tǒng)。其對設(shè)計者來說一直是比較大的挑戰(zhàn)。因為必須從非常大的共模電壓及噪聲中提取出非常微弱的電信號。以心電圖采樣傳感器為例，由于心臟壁收縮所引起的動作電勢將電流由心臟傳播到整個人體，所傳播的電流在人體的不同部位產(chǎn)生不同的電勢，通過電極可以在人體體表感應(yīng)得到。該電勢屬于交流信號，帶寬為0.05～100 Hz，有時還能高達l kHz。而電勢通常處于1 mV的峰峰值，并夾雜于大量的外部高頻噪聲中。該噪聲將產(chǎn)生50/60 Hz的固有模式干擾（與電極信號混淆）以及共模模式電壓干擾（共模至所有電極信號）。心電信號具有如下主要特征：

·微弱性：人體體表的心電信號很微弱，一般只有0.05～5 mV。在采樣中必須通過放大器適當放大，同時必須進行濾波等抗干擾處理。

·低頻特性：人體心電信號的頻譜范圍在0.05～100 Hz，頻率比較低。

·高阻抗特性：作為心電的信號源，人體源阻抗一般較大，可達幾千歐姆至幾十千歐姆，這將給心電提取放大帶來誤差和失真。

由于其輸入阻抗很高，容易受到噪聲的干擾，因此需要設(shè)計如何盡可能屏蔽輸入回路及裸露的小信號部分。否則噪聲將竄入信號輸入模塊，使得波形帶有較多的噪聲。另外，心電圖采樣傳感器內(nèi)含精密放大器和高精度模數(shù)變換器，在電路設(shè)計的時候需要考慮電源的濾波，并且采用對電源噪聲不敏感的電路結(jié)構(gòu)，還需使得電源有足夠的驅(qū)動能力，并且有盡可能小的紋波。

除心電圖（ECG）采集無線傳感器節(jié)點外，血壓測量、脈搏及血氧測量無線傳感器節(jié)點等的設(shè)計還有其不同的特征。其中血壓測量傳感器節(jié)點將由ARM公司的MCU、電磁氣閥、充氣袖袋、壓力傳感器、放大電路、數(shù)據(jù)采集電路、無線傳輸模板等構(gòu)成，而脈搏血氧模塊中的傳感器單元擬采用雙光束脈搏測量探頭來設(shè)計。這些傳感器所采集到的數(shù)據(jù)將會通過前述的無線網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)測中心或遠程醫(yī)療中心。

10 無線體域網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)

無線體域網(wǎng)中傳感器節(jié)點（或設(shè)備）所要監(jiān)控的人體（生理）信號分為3類[11-14]：

（1）連續(xù)型時變生理信號

一般為各種波形居多，如肌電圖和脈搏波等，對應(yīng)的傳感器（設(shè)備）包括腦電圖掃描儀、視覺傳感器、聽覺傳感器、心動電流儀、心電圖儀、聚偏二氟乙烯（PVDF）壓電脈象傳感器、心臟起搏器和吸入式藥丸攝像機。

（2）離散型時變生理信號

如體溫、血壓和血氧飽和度等生理參數(shù)值，對應(yīng)的傳感器（設(shè)備）包括吸入式藥丸溫度測量儀、胰島素泵、肺功能傳感器、葡萄糖檢測傳感器、出汗量檢測傳感器、指環(huán)式心率感知器、血氧飽和度傳感器、體溫傳感器、非入侵血壓監(jiān)測儀和脈搏率檢測傳感器。

（3）人體活動及動作信號

用于監(jiān)控病人的日?；顒踊蛉梭w活動，對應(yīng)的傳感器包括人體活動傳感器、加速度傳感器、動作傳感器、耳戴式活動識別傳感器和螺旋儀。

對于無線體域網(wǎng)數(shù)據(jù)融合框架的設(shè)計需要完成以下功能：

（1）對于數(shù)據(jù)傳輸量的控制

由于進行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收時對于電能的消耗遠遠大于進行運算所消耗的電能，因此需要對于數(shù)據(jù)傳輸進行控制。而對于數(shù)據(jù)傳輸量的控制是在保證系統(tǒng)能正常正確運行的前提下進行。

（2）對于融合算法的要求

對于不同類型節(jié)點需要采取不同的數(shù)據(jù)融合算法，例如對于采集節(jié)點處的融合算法必須簡單，需要不影響到數(shù)據(jù)采集，不會導致未進行處理的數(shù)據(jù)積壓的情況出現(xiàn)，而對于簇頭節(jié)點乃至匯聚節(jié)點，是進行功能性的融合，需要解決數(shù)據(jù)正確性和對命題支持性程度的融合。

（3）數(shù)據(jù)融合過程中需要重視上下文信息的作用

上下文感知會對被監(jiān)護者的狀態(tài)進行判斷，例如利用監(jiān)護者身上體動傳感器的數(shù)據(jù)可以判斷出被監(jiān)護者的運動狀態(tài)，即靜止、運動狀態(tài)之一，這些狀態(tài)值會對生理指標產(chǎn)生影響，最終也會影響到融合的結(jié)果。

采集節(jié)點處采集到的數(shù)據(jù)類型有3種：正常數(shù)據(jù)、錯誤數(shù)據(jù)以及異常數(shù)據(jù)。

（1）正常數(shù)據(jù)

正常數(shù)據(jù)是指符合采集對象數(shù)值變化的規(guī)律性以及變化趨勢的數(shù)據(jù)。例如人的體溫，正常人值一般在36～37 ℃左右，不同個體之間存在少許差異，而且受內(nèi)、外因素的影響會有一些波動，下午體溫比早晨體溫要稍高一點，劇烈運動或者進餐以后體溫也會略微升高，但是波動范圍一般不會超過1 ℃。

（2）錯誤數(shù)據(jù)

錯誤數(shù)據(jù)一般由傳感器節(jié)點的失效或者環(huán)境惡劣等因素引起，正常的傳感器節(jié)點會產(chǎn)生錯誤數(shù)據(jù)，偏離正常的數(shù)據(jù)范圍;失效的傳感器節(jié)點也會產(chǎn)生任意的讀數(shù)，這兩種數(shù)據(jù)都是錯誤數(shù)據(jù)。錯誤數(shù)據(jù)是沒有規(guī)律的，具有任意性。

（3）異常數(shù)據(jù)

異常數(shù)據(jù)是除了正常數(shù)據(jù)和錯誤數(shù)據(jù)以外的數(shù)據(jù)，這時，傳感器節(jié)點可以正常采集數(shù)據(jù)，沒有失效，但是采集到的數(shù)據(jù)不是在正常范圍之內(nèi)，比如發(fā)燒會導致溫度高于正常范圍等等。這種數(shù)據(jù)的特點是具有短暫性，短時間內(nèi)數(shù)據(jù)脫離正常范圍，例如發(fā)燒的時候體溫高于正常范圍，退燒以后體溫又會回到正常范圍。

11 無線體域網(wǎng)的典型應(yīng)用

場景

無線體域網(wǎng)的最典型應(yīng)用是在醫(yī)療領(lǐng)域，包括人體傳感器網(wǎng)絡(luò)和人體（健康）狀況監(jiān)控等。人體傳感器主要是采集人體的一些重要的數(shù)據(jù)信息，如心率、腦電圖（EEG）、心電圖（ECG）、體溫、血壓，以及某些化學物質(zhì)的水平，如血液中的氧氣和藥物等數(shù)據(jù)傳送到控制中心，控制中心分析這些數(shù)據(jù)，并進一步判斷被監(jiān)測人體的身體狀況。目前研究認為，人體上或者內(nèi)部大約可以部署10～20個各類傳感器。由于傳送的大部分為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因此所要求的數(shù)據(jù)傳輸速率比較低，一般低于10 kb/s。人體感應(yīng)及保健醫(yī)療傳感器通過生命體征/音頻/視頻信號供長期的個人健康狀況檢測。最常見的場景為醫(yī)院中監(jiān)測重癥病人、醫(yī)院外監(jiān)測普通病人以及監(jiān)控老人的身體狀況。以無線的方式監(jiān)測病人，病人可以擺脫有線儀器的困擾，可以給醫(yī)院和病人帶來極大的便利。醫(yī)院病人的監(jiān)控一般采用星型拓撲，數(shù)據(jù)信息傳送到病人身邊的監(jiān)控器，當出現(xiàn)異常情況時，該監(jiān)控器能發(fā)出警報。此外，在醫(yī)院外部或者家里對病人或老人的監(jiān)測和醫(yī)院里采用的拓撲是一樣的，所不同的是：監(jiān)控器被一個數(shù)據(jù)收集器或者網(wǎng)關(guān)所取代，如PDA、手機等。這樣，在人體身上構(gòu)建一個微型的無線體域網(wǎng)，病人就可以自己監(jiān)控自己的身體狀況，并及時將身體狀況信息通過現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)/Wi-Fi傳送到遠程的監(jiān)控中心。由此可見，無線體域網(wǎng)是無處不在的醫(yī)療保健網(wǎng)絡(luò)的一部分，可以通過廣域空中接口連接到后端醫(yī)療保健機構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)施，給病人帶來更大的自由空間，提高了效率和監(jiān)控的實時性。

除了在醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用之外，無線體域網(wǎng)在人們的日常生活中也起著重要的作用?，F(xiàn)今社會，殘疾病人越來越受到關(guān)注，無線體域網(wǎng)在殘疾人群中備受歡迎。如在一個眼疾病人的身上穿戴一個無線體域網(wǎng)，就可以為該病人實時地提供路況信息，提供導航和定位功能。對于一個耳聾病人，在公共場所，如地鐵或公交上，無線體域網(wǎng)可以將聲音放大或者將信息通過身體上的小顯示器顯示出來供病人查看。電子支付是無線體域網(wǎng)用于殘疾病人的另外一種應(yīng)用場景。當盲人乘坐地鐵或者去超市購物，在超市或地鐵的出入口處安置具有體域網(wǎng)功能的傳感器，當盲人出入時，身體上的中央控制單元就會檢測到盲人靠近出入口處的傳感器，中央控制器就會把盲人的電子支付卡信息傳遞到足部傳感器，然后這些信息通過足部傳感器傳遞到出入口處的傳感器，這樣出入口處的傳感器就可以檢測并驗證盲人的信用卡信息，從而提供更快更便捷的服務(wù)。

無線體域網(wǎng)除了幫助殘疾病人解決生活上的不便以外，還可以為更多的人提供諸如體育運動強度監(jiān)測，危險區(qū)域信息監(jiān)測等。在比較危險的場合，如消防、探險及軍事場合，通過無線體域網(wǎng)可以提供警示信息，從而可以及時采取對抗措施，避免不必要的人員傷亡。如消防員出入高溫、有毒氣體的環(huán)境，如果溫度和有毒氣體的濃度超出危險閾值，攜帶在身體上的設(shè)備就會發(fā)出警示信息，提示消防員該采取什么措施急救;登高探險員，在高原缺氧環(huán)境下也可以攜帶無線體域網(wǎng)設(shè)備，用來提示空氣的稀疏度對人體的危害;通過無線體域網(wǎng)還可以將重要的軍事情報發(fā)送到控制中心或者遠程指揮軍隊作戰(zhàn)。在運動員身上構(gòu)建人體域網(wǎng)絡(luò)，用來監(jiān)測運動員訓練時的身體狀況，以控制訓練的強度。這些應(yīng)用在我們的日常生活中起著不可或缺的作用。

無線體域網(wǎng)技術(shù)除了醫(yī)療和保健中的應(yīng)用，近年來已逐步向其他領(lǐng)域發(fā)展。在娛樂、體育運動、軍事、建筑等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。目前已有的無線交互舞蹈表演系統(tǒng)，運動反應(yīng)時的測量系統(tǒng)、戰(zhàn)士生理狀態(tài)監(jiān)控及救助、真實環(huán)境下防跌倒監(jiān)控等都是比較成功的例子。當今，航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，也使得無線體域網(wǎng)有了重要的應(yīng)用空間。我們可以設(shè)想，在航天員的身上安置一個無線體域網(wǎng)，在太空倉的某些設(shè)備裝置無線體域網(wǎng)的傳感器，這樣可以將一些重要的航空信息及宇航員的身體狀況通過衛(wèi)星通信的方式返回到地面的控制中心。當前的登月計劃為人體域網(wǎng)絡(luò)提供了廣闊的應(yīng)用空間。

隨著傳感器技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的發(fā)展，無線體域網(wǎng)系統(tǒng)會在今后的醫(yī)療領(lǐng)域、健康監(jiān)控、體育運動及娛樂、軍事及航空航天領(lǐng)域等有著越來越廣泛的應(yīng)用，其社會價值和經(jīng)濟效益都是非?？捎^的。 ? （續(xù)完）

參考文獻

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