摘要 隨著社會(huì)的發(fā)展和生活水平的顯著提高，人們對(duì)自身的健康極為關(guān)注。心臟病由于 突發(fā)性強(qiáng)、發(fā)病危險(xiǎn)性高等特點(diǎn)，已成為威脅人類身體健康的主要因素之一，所以研制 實(shí)時(shí)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)顯得尤為重要。傳統(tǒng)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)存在著網(wǎng)絡(luò)布線困難、成本高、 功耗高、可擴(kuò)展性和移植性差的不足。無(wú)線體域網(wǎng)( w b a n ) 和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)( w s n ) 的發(fā)展為新一代心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究奠定了基礎(chǔ)。z i g b e e 技術(shù)是一種新興的近距離、低 速率、低功耗、低復(fù)雜度且具有地理定位功能的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它在設(shè)備功耗，系統(tǒng)成 本，抗干擾性以及誤碼率方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在國(guó)計(jì)民生各領(lǐng)域中得到越來(lái)越多的 使用，很適合在區(qū)域范圍內(nèi)建立醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。 本文研究了無(wú)線體域網(wǎng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，并通過(guò)搜集 大量文獻(xiàn)資料，分析和討論了人體心電信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理、特征和干擾性，在此基礎(chǔ)上研 究了一種基于z i g b e e 技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。本系統(tǒng)以n 公司的高性能 微控制器c c 2 4 3 1 為核心設(shè)計(jì)了人體心電信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)，并設(shè)計(jì)合理的信號(hào)采集程序， 對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和傳輸，并在上位機(jī)上記錄心電的變化，繪制心電圖( e c g ) 。 同時(shí)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以c c 2 4 3 0 為核心的路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)在 z i g b e e 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)上的有效傳輸。 經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試證明，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)病人心電信號(hào)的采集和傳輸，滿足了設(shè)計(jì)的預(yù) 期要求，實(shí)時(shí)性好、穩(wěn)定性好、易擴(kuò)展移植，具有一定的臨床應(yīng)用價(jià)值。此外，整個(gè)系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和具體實(shí)現(xiàn)對(duì)于以后研究更大規(guī)模的醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)具有一定的指導(dǎo) 意義和參考價(jià)值。 關(guān)鍵詞：無(wú)線體域網(wǎng)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)，e c g ，z i g b e e ，c c 2 4 3 1 a b s t r a c t w i t ht h eo b v i o u si m p r o v e m e n to f l i v i n gs t a n d a r da n dd e v e l o p m e n to fs o c i e t y , p e o p l e p a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h e i rh e a l t h h e a r td i s e a s eh a sb e e no n eo f t h em a j o rf a c t o r st o t h r e a tt h eh e a l t ho f p e o p l e ，w h i c hh a r b o r st h ec h a r a c t e ro fg r e a td a n g e ra n ds u d d e no c c u r r e n c e ， c o n s e q u e n t l yi ti sv e r ys i g n i f i c a n tt os t u d yr e a l - t i m eh e a r te l e c t r o n i cg u a r d i a n s h i ps y s t e m t h e t r a d i t i o n a lh e a r te l e c t r i c a lg u a r d i a n s h i ps y s t e mc o n t a i n st h ed r a w b a c k sa sf o l l o w s ：d i f f i c u l ti n w i r i n g ，h i g hc o s ta n dp o o ri ns c a l a b i l i t ya n dp o r t a b i l i t y e c gc h e c kc a ns h o w t h ee l e c t r o n i c a c t i v i t yp r o c e s so fh e a r te x c i t e m e n t ，w h i c hi sv a l u a b l et ot h es t u d yo f t h ee l e m e n t a r yf u n c t i o n o fh e a r ta n di t sp a t h o l o g yr e s e a r c h z i g b e ei san e wt e c h n o l o g y , w h i c hc o n t a i n st h ef o l l o w i n g c h a r a c t e r ：s h o r td i s t a n c e ，l o ws p e e d ，l o wp o w e r ，l o wc o m p l e x i t ya n dg e o g r a p h yl o c a t i o n f u n c t i o n b e s i d e s ，i ti sp r i o ra tt h ea s p e c to fe q u i p m e n tp o w e r , s y s t e mc o s t ，c o u n t d i s t u r b a n c e a n db e r w h a t sm o r e ，i ti sm o r ea n dm o r ea p p l i e dt om a n yf i e l d s ，a n di ti sa p p r o p r i a t et o e s t a b l i s hm e d i c a lh e a l t hc a r es y s t e ma ts o m ea r e a t h i s p a p e rs t u d i e s t h es y s t e ms t r u c t u r ea n dk e yt e c h n o l o g yo fw b a na n dw s n ， a n a l y z e sa n dd i s c u s s e st h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s m ，c h a r a c t e ra n dd i s t u r b a n c eo fe c ga f t e r s e a r c h i n gp l e n t yp a p e r sa n dm a g a z i n e s f i n a l l yi tr a i s e sam o n i t o rs y s t e mo fe c gs y s t e m b a s e do nz i g b e et e c h n o l o g y t h i ss y s t e md e s i g n se c gd e t e c t i n gc i r c u i ta n dr e a s o n a b l es i g n a l c o l l e c t i n gn o d e ，w h i c hi sb a s e do nt h eh i g hq u a l i t ym i c r o - c o n t r o l l e rc c 2 4 3 1f r o mt i e n t e r p r i s e t h es y s t e mc a nc o l l e c ta n dt r a n s m i ts i g n a ll i v e l y , r e c o r dt h ec h a n g eo fh e a r t e l e c t r o n i ci np ca n dd r a wt h ep i c t u r e m e a n w h i l e ，t h es y s t e md e s i g n st h er o u t e rn o d ea n dt h e c o o r d i n a t o rn o d e ，w h i c hi sb a s e do nt h ec c 2 4 3 0 ，t ot r a n s m i tt h eh e a r te l e c t r i c a ls i g n a l t h r o u g ht h en e t w o r ko fw s n b a s e do nz i g b e ee f f i c i e n t l y t h es i m u l a t i o np r o v e dt h a tt h es y s t e mc a l lc o l l e c ta n dt r a n s m i tt h ee c go ft h ep a t i e n t ， m e e tt h ep r i o rd e m a n do fd e s i g n i n g t h es y s t e mi sr e a l t i m e ，s t a b l ea n ds c a l a b l e ，w h i c hi s v a l u a b l et om e d i c a la p p l yt os o m ed e g r e e w h a t sm o r e ，t h ed e s i g ni d e aa n dc o n c r e t e r e a l i z a t i o ni sb e n e f i c i f lt ot h ef u r t h e rs t u d ya b o u tl a r g e rs c a l em e d i c a lh e a l t hc a r es y s t e m k e yw o r d s ：w b a n ；w s n ；m e d i c a lg u a r d i a n s h i p ；e c g ；z i g b e e ；c c 2 4 3 1 i i 長(zhǎng)安大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論弟一早三否 t 匕 1 1 論文研究的課題背景及意義 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)代化發(fā)展和人民生活水平的日益提高，人們對(duì)自身健康問(wèn)題的 重視程度也在不斷地增加。日新月異的信息及通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了很多種新的醫(yī)療健康 監(jiān)護(hù)手段。其中，遠(yuǎn)程醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)已經(jīng)成為一個(gè)研究的熱點(diǎn)，并取得了一定的成績(jī) 和市場(chǎng)效益。近年來(lái)，隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，各種便攜式無(wú)線醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)設(shè)備 紛紛涌現(xiàn)，人們把目光更多地轉(zhuǎn)移到以人體為中心的小型網(wǎng)絡(luò)，隨之無(wú)線體域網(wǎng)【l 】 ( w i r e l e s sb o d ya r e an e t w o r k ，w b a n ) 這個(gè)名詞便應(yīng)運(yùn)而生。便攜式無(wú)線個(gè)人健康 監(jiān)護(hù)系統(tǒng)以其微型化、智能化的發(fā)展引起了人們對(duì)無(wú)線體域網(wǎng)濃厚的研究興趣。 無(wú)線體域網(wǎng)，就是以人體為中心，由和人體相關(guān)的各種網(wǎng)絡(luò)元素組成的通信網(wǎng)絡(luò)， 這些網(wǎng)絡(luò)元素包括個(gè)人終端，分布在人身體上及人體周圍一定距離范圍之內(nèi)甚至人體 內(nèi)部的用于監(jiān)測(cè)身體狀況的傳感器、組網(wǎng)設(shè)備等【2 1 。無(wú)線體域網(wǎng)的覆蓋范圍非常小， 一般在1 2 米之內(nèi)，是以人體為中心的微型網(wǎng)絡(luò)。w b a n 是一種新的與多種技術(shù)相互 交叉的技術(shù)，它和無(wú)線個(gè)域網(wǎng)( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ，w p a n ) 、無(wú)線傳感 器網(wǎng)絡(luò)( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 、泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)( u b i q u i t o u ss e n s o rn e t w o r k ， u s n ) 、無(wú)線短距通信技術(shù)、傳感器技術(shù)等都有著密切關(guān)系【3 j 。 在這些技術(shù)中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國(guó)際上備受廣大學(xué)者關(guān)注的、涉及多學(xué)科 高度交叉、知識(shí)高度集成的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。它通過(guò)各種微型傳感器協(xié)同工作完成對(duì)監(jiān) 測(cè)區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信方式自組織形成的網(wǎng)絡(luò)傳送到用戶終 端，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計(jì)算世界和人類社會(huì)這三元世界的有機(jī)結(jié)合和相互連通。無(wú) 線體域網(wǎng)作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支 4 1 ，是醫(yī)療監(jiān)護(hù)方面的重要應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線體域網(wǎng)的有機(jī)結(jié)合，在遠(yuǎn)程醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)、區(qū)域范圍內(nèi)醫(yī)療健 康監(jiān)護(hù)、特殊群體等醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)方面有著很大的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。 其具體意義和應(yīng)用價(jià)值主要有以下幾點(diǎn)： 全天2 4 小時(shí)健康監(jiān)護(hù)，向醫(yī)護(hù)人員提供完整的人體生命體征信息，可以讓醫(yī) 生對(duì)病人病情作出實(shí)時(shí)的診斷； 病人不受時(shí)間和空間的限制，讓病人完全自由，節(jié)省醫(yī)療費(fèi)用，同時(shí)為醫(yī)院節(jié) 第一章緒論 省床位； 大大改善了醫(yī)療資源不足的狀況，提高醫(yī)護(hù)人員的工作效率，使患者或醫(yī)護(hù)人 員減少了路途奔波； 克服傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)布線麻煩、成本高、功耗高、可擴(kuò)展性和移植 性差的不足。 1 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 2 1w b a n 研究現(xiàn)狀 w b a n 作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，在未來(lái)醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)方面存在著 潛在的商業(yè)價(jià)值和大量的挑戰(zhàn)性研究課題，引起了基礎(chǔ)理論和工程技術(shù)層面研究學(xué)者 的極大興趣，引起了越來(lái)越多的國(guó)家和研究人員的關(guān)注。早在2 0 0 3 年，歐美國(guó)家就開(kāi) 始了系統(tǒng)的w b a n 技術(shù)研究，并取得了一系列研究成果。其中，美國(guó)加州大學(xué)和伯 克利大學(xué)在w b a n 的可穿戴性、資源優(yōu)化方面和可擴(kuò)展性方面進(jìn)行了研究5 1 ；英國(guó)理 工大學(xué)在w b a n 中的周圍環(huán)境感知和情景感知方面進(jìn)行了一系列的研究工作，并取 得了一定成果嘲；韓國(guó)信息通信大學(xué)從通信角度和低能耗方面出發(fā)構(gòu)建了新型的 w b a n 系統(tǒng)【7 j ；新加坡國(guó)立大學(xué)等詳細(xì)深刻地研究了w b a n 的架構(gòu)，它的微機(jī)電系 統(tǒng)可穿戴生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在人體上構(gòu)建一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)體溫、心電及血壓等生 理信息的監(jiān)護(hù)，監(jiān)護(hù)信息通過(guò)藍(lán)牙傳到患者的p d a ，然后經(jīng)g s m 網(wǎng)絡(luò)傳至醫(yī)生的 p d a ，在w b a n 領(lǐng)域取得了一定進(jìn)展【8 】；世界上的其它國(guó)家如加拿大、愛(ài)爾蘭、德國(guó)、 比利時(shí)、巴西和瑞士等在w b a n 的中間件、可調(diào)節(jié)性、自適應(yīng)性、信號(hào)處理算法、 健康及活動(dòng)監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)可靠性等方面進(jìn)行了一系列的研究，并取得一定成果【1 1 】。2 0 0 6 年，人類成功研制了第一代商用的w b a n 產(chǎn)品并開(kāi)始走向市場(chǎng)，比如無(wú)線運(yùn)動(dòng)鞋、 血糖檢測(cè)儀、藥片照相機(jī)等。2 0 0 7 年1 1 月i e e e8 0 2 1 5 6 小組正式成立，專門致力于 w b a n 研究，該小組除了為研究醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)應(yīng)用的w b a n 提供相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)外， 還努力地把研究的方向和目標(biāo)擴(kuò)大到非醫(yī)療應(yīng)用的w b a n ，如娛樂(lè)、航空等領(lǐng)域【l o 】。 我國(guó)對(duì)w b a n 的研究開(kāi)始得比較晚，取得的成果也比較少。香港中文大學(xué)等大 學(xué)研究了利用多種通信方式構(gòu)建混合的w b a n 進(jìn)行了研究，并對(duì)移動(dòng)w b a n 中能量 感知m a c 和跟蹤技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究1 2 1 ；中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所構(gòu)建了新型的 w b a n 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)w b a n 中的數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究并取得一定成果1 1 】； 2 長(zhǎng)安大學(xué)碩士學(xué)位論文 中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所在w b a n 對(duì)人體活動(dòng)的監(jiān)控方面展開(kāi)了相關(guān)研列9 】。此外， 中國(guó)臺(tái)灣、東南大學(xué)以及上海交通大學(xué)就w b a n 的信號(hào)處理算法、自適應(yīng)性、數(shù)據(jù) 融合技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全可靠性、路由算法等方面做了相關(guān)研究，并取得了一定成果i l l 】。 近幾年來(lái)，大量不同類型和功能的w b a n 產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，而面向人體健康 監(jiān)護(hù)的產(chǎn)品應(yīng)用仍然是市場(chǎng)增長(zhǎng)的主流方向，如微型腦電儀，心電圖儀等。在未來(lái)的 發(fā)展中，滿足娛樂(lè)需要的w b a n 產(chǎn)品將大量進(jìn)入市場(chǎng)，同時(shí)，根據(jù)市場(chǎng)需求，w b a n 產(chǎn)品將在體育、軍事、消防等領(lǐng)域有所發(fā)展。 1 2 2w s n 研究現(xiàn)狀 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究開(kāi)始于2 0 世紀(jì)的7 0 年代，最早開(kāi)始研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 的國(guó)家是美國(guó)，并且在軍事領(lǐng)域取得了一定成就。1 9 8 0 年美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局 ( d a r p a ，d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ) 的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目 ( d s n ，d i s t r i b u t e ds e n s o rn e t w o r k s ) 為研究現(xiàn)代傳感器網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)造了一定的基礎(chǔ)【1 3 1 。 從此以后，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)項(xiàng)目在很多高校相繼展開(kāi)，比如，加州伯克利大學(xué) 研究了名為“s m a r td u s t ( 智能灰塵) 和“m o t e ”的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，加州大 學(xué)洛杉磯分校( u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i a , l o sa n g e l e s ，u c l a ) 的c e n s ( c e n t e rf o r e m b e d d e dn e t w o r k e ds e n s i n g ) 實(shí)驗(yàn)室、w i n s ( w i r e l e s si n t e g r a t e dn e t w o r ks e n s o r s ) 實(shí)驗(yàn) 室都開(kāi)始了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)項(xiàng)目的研究。1 9 9 8 年gj p o t t i e 從網(wǎng)絡(luò)研究的角度 重新闡釋了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)意義1 5 】。1 9 9 9 年9 月商業(yè)周刊將無(wú)線傳感器網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)列為2 l 世紀(jì)最重要的2 1 項(xiàng)技術(shù)之一。隨后，各個(gè)國(guó)家都非常重視無(wú)線傳感器 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，并在醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)控制等多種應(yīng)用方面取得了重大進(jìn) 展。日本、韓國(guó)、英國(guó)、意大利、巴西等國(guó)家對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也表現(xiàn)出了極大的興 趣，紛紛展開(kāi)了該領(lǐng)域的研究工作。 我國(guó)對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究起步比較晚，與國(guó)外研究還存在著很大的差距， 目前已經(jīng)受到各大院校及科研機(jī)構(gòu)的重視。2 0 0 1 年，中國(guó)科學(xué)院依托上海微系統(tǒng)與信 息技術(shù)研究所成立了微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心和傳感技術(shù)聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在無(wú) 線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方向上開(kāi)展了一系列重大研究項(xiàng)目，初步建立了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 研究平臺(tái)，在w s n 的微型傳感器節(jié)點(diǎn)技術(shù)、通信技術(shù)和應(yīng)用系統(tǒng)等方面取得了很大 的成就與進(jìn)展【1 6 1 。清華大學(xué)的f l c w s n ( f l e x i b l el o wc o s tw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) 3 第一章緒論 項(xiàng)目和中科院計(jì)算所e a s i n e t ( e f f i c i e n ta u t o n o m o u ss e n s i t i v ea n di n t e l l i g e n ts e n s o r n e t w o r k s ) 項(xiàng)目在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域也比較具有代表性。此外，中國(guó)科技大學(xué)、 浙江大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等院校、西安華凡科技有限公司、西安達(dá)泰 科技有限公司、成都無(wú)線龍科技有限公司等企業(yè)也開(kāi)展了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的基礎(chǔ) 研究工作。在中國(guó)未來(lái)2 0 年技術(shù)預(yù)見(jiàn)研究一書中，在信息領(lǐng)域一共提出了1 5 7 項(xiàng)技術(shù)課題，其中直接與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的課題就有7 項(xiàng)之多 1 7 1 。2 0 0 6 年初發(fā) 布的國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要中，在信息技術(shù)方面確定了三個(gè)前沿方 向中，其中自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能感知技術(shù)的研究都是與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有著密 切的關(guān)系【1 8 】。2 0 0 9 年8 月，國(guó)務(wù)院總理溫家寶在無(wú)錫視察時(shí)提出“感知中國(guó)”，并建 議以無(wú)錫為中心，建立中國(guó)自己的傳感網(wǎng)中心，占領(lǐng)新興產(chǎn)業(yè)的制高點(diǎn)，這一舉動(dòng)將 大力推進(jìn)了我國(guó)傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用空間更加廣泛，市場(chǎng)前 景更加巨大。由此可見(jiàn)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)給廣大科研工作者帶來(lái)了極大的興趣，它的 廣泛應(yīng)用也必然是一種趨勢(shì)，它的出現(xiàn)將會(huì)給人類社會(huì)生活帶來(lái)極大的變革。 1 2 3w s n 與w b a n 相結(jié)合研究現(xiàn)狀 無(wú)線體域網(wǎng)( w b a n ) 作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)( w s n ) 的一個(gè)重要分支，兩者必然 有著一定的聯(lián)系，并且在實(shí)際應(yīng)用中可以構(gòu)建一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)?；跓o(wú)線體域網(wǎng)和無(wú)線 傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的應(yīng)用研究，大多是在現(xiàn)有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的基礎(chǔ)上，針對(duì) 無(wú)線體域網(wǎng)的路由算法、數(shù)據(jù)融合等方面做出研究，而在具體應(yīng)用領(lǐng)域，兩者相結(jié)合 的研究較少，研究成果也較少，主要在遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷和監(jiān)護(hù)中取得了一定成績(jī)。在 w s n 與w b a n 相結(jié)合的研究中，幾個(gè)具有代表性的項(xiàng)目有老人生命體征家庭監(jiān)n t 】、 廣東省的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程體域網(wǎng)研究的自然基金項(xiàng)目 1 9 1 、中醫(yī)脈象信息收 集及分析無(wú)線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)等。其中，中醫(yī)脈象信息收集及分析無(wú)線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程醫(yī)療 系統(tǒng)是應(yīng)用輕量級(jí)的數(shù)據(jù)融合模型以及一系列信號(hào)處理技術(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、 分析和識(shí)別算法等技術(shù)，通過(guò)搭建一種新的w b a n 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)中醫(yī)脈象信息的采集， 達(dá)到能夠抽取脈搏波形的特征點(diǎn)，智能處理和分析特征點(diǎn)信息，并給出診斷結(jié)果等【9 1 。 此外，韓國(guó)東西大學(xué)和釜慶大學(xué)研究的可穿戴式智能襯衫( w e a r a b l es m a r ts h i r t ) 項(xiàng) 目也具有代表性，它是在特制的襯衫上布置生理傳感器節(jié)點(diǎn)，以采集和提取使用者的 心電信號(hào)和加速度信號(hào)，并通過(guò)i e e e8 0 2 1 5 4 標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)線傳輸?shù)奖O(jiān)護(hù)基站，以方便醫(yī) 4 長(zhǎng)安大學(xué)碩士學(xué)位論文 務(wù)工作人員分析監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)【2 3 1 。 1 3 論文研究?jī)?nèi)容和目標(biāo) 本文在分析了無(wú)線體域網(wǎng)和z i g b e e 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，針對(duì)人體心電信號(hào) 的采集、數(shù)據(jù)處理、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)日归_(kāi)了一系列的研究，設(shè)計(jì)了一種新的人體心電 信號(hào)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。本課題主要研究?jī)?nèi)容如下： 1 研究無(wú)線體域網(wǎng)和z i g b e e 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、基本特性和關(guān)鍵技術(shù)； 2 根據(jù)人體心電信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理，心電信號(hào)的特點(diǎn)、干擾性和心電信號(hào)的檢測(cè)要 求，設(shè)計(jì)心電信號(hào)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，包括芯片的選型、放大電路設(shè)計(jì)、濾波 電路設(shè)計(jì)、處理器外圍電路和串口電路設(shè)計(jì)等； 3 在分析心電信號(hào)的特點(diǎn)和系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)心電信號(hào)采集系統(tǒng)的軟 件，完成數(shù)據(jù)采集和后期處理工作，并設(shè)計(jì)完成上位機(jī)測(cè)試軟件程序； 4 完成系統(tǒng)功能測(cè)試，包括心電采集節(jié)點(diǎn)測(cè)試、組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試及定位實(shí)驗(yàn)?zāi)M等， 分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，做出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。 本課題研究的目標(biāo)如下： 1 本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的心電信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)硬件電路能夠達(dá)到心電信號(hào)放大要求、濾波 電路頻率響應(yīng)良好，可以提取出人體心電信號(hào)； 2 系統(tǒng)的心電信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)可以準(zhǔn)確地對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行采集、a d 處理 等，上位機(jī)測(cè)試軟件可以準(zhǔn)確地顯示心電波形； 3 系統(tǒng)要具有比較簡(jiǎn)單的操作性、可以安全、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行； 4 系統(tǒng)可以在z i g b e e 協(xié)議棧上進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)適用于醫(yī)院、療養(yǎng)院或者養(yǎng)老院 等場(chǎng)合的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。 1 4 論文組織結(jié)構(gòu) 本文在分析無(wú)線體域網(wǎng)和z i g b e e 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究了基于 z i g b e e 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的人體心電信號(hào)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè) 計(jì)以及無(wú)線傳輸?shù)汝P(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了深入的分析和研究。 論文共分為七章，其內(nèi)容安排如下： 第一章為緒論，主要闡述了論文研究的背景及意義和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，明確了論 5 第一章緒論 文的研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)，并給出論文的組織結(jié)構(gòu)。 第二章分析了無(wú)線體域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及其關(guān)鍵技術(shù)，并通過(guò)對(duì)幾種常用短 距離無(wú)線通信技術(shù)的比較，引出了z i g b e e 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并對(duì)其網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、 特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。最后，研究了人體心電信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理、特 點(diǎn)、干擾性和檢測(cè)原理。 第三章介紹了本系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則、體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)各 個(gè)模塊的總體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)等。 第四章詳細(xì)地介紹了系統(tǒng)各個(gè)模塊的硬件設(shè)計(jì)。 第五章介紹了系統(tǒng)各個(gè)模塊的軟件設(shè)計(jì)。 第六章對(duì)本文的研究工作做了系統(tǒng)的測(cè)試，包括心電檢測(cè)電路的硬件測(cè)試、系統(tǒng) 軟件測(cè)試、心電信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)整體實(shí)驗(yàn)測(cè)試和z i g b e e 組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試、定位實(shí)驗(yàn)?zāi)M演 示等。 第七章對(duì)本文的工作做了總結(jié)，提出了本系統(tǒng)還存在的問(wèn)題，并對(duì)該領(lǐng)域今后的 研究作了展望。 1 5 本章小結(jié) 本章主要引出了w b a n 和w s n 的概念，以及兩者之間的聯(lián)系，闡述了兩者目前 的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出了本論文的研究?jī)?nèi)容，并給出了論文的組織結(jié)構(gòu)。 6 長(zhǎng)安大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究 2 1 無(wú)線體域網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究 2 1 1 無(wú)線體域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu) 無(wú)線體域網(wǎng)，簡(jiǎn)單地講，是指將數(shù)個(gè)功能不同的醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)以及數(shù)個(gè)便攜式 移動(dòng)設(shè)備放置在人體的不同部位，用于監(jiān)測(cè)人體生命體征信息或?yàn)槿藗兲峁└鞣N無(wú)線 應(yīng)用的短距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)【l o 】。無(wú)線體域網(wǎng)是由大量安置于人的身體體表或體內(nèi)的具 有數(shù)據(jù)處理能力和無(wú)線通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)具有采集、處理、傳輸 一種或多種生理數(shù)據(jù)信息的功能，比如心電信號(hào)、腦電波信號(hào)、血壓、體溫、脈搏等， 同時(shí)無(wú)線體域網(wǎng)也可由監(jiān)測(cè)譬如濕度、光度等信息的環(huán)境參數(shù)的傳感器節(jié)點(diǎn)組成。一 個(gè)典型的無(wú)線體域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)如圖2 1 所示。 圖2 1 無(wú)線體域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu) 在無(wú)線體域網(wǎng)中，人的身體上布置了各種各樣的傳感器，如體溫傳感器、脈搏傳 感器、心電信號(hào)( e c g ) 傳感器、腦電信號(hào)( e e g ) 傳感器，這些傳感器不但具有采 集人體生命體征信息的功能，而且具有無(wú)線通信功能。同時(shí)，為用戶提供不同類型服 務(wù)的手機(jī)、耳機(jī)、m p 3 等設(shè)備也可以加入網(wǎng)絡(luò)。這些傳感器及其它設(shè)備均采用電池或 者其它能源設(shè)備供電，每個(gè)傳感器采集一種或多種生理數(shù)據(jù)，并把采集到的數(shù)據(jù)以無(wú) 線傳輸?shù)姆绞剿椭羺R聚節(jié)點(diǎn)( s i n kn o d e ) ；匯聚節(jié)點(diǎn)用于接收各個(gè)傳感器發(fā)送過(guò)來(lái)的 各種數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)通過(guò)外部網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到控制中心；控制中心對(duì)無(wú)線體域網(wǎng)進(jìn)行控制 和管理，同時(shí)也可根據(jù)監(jiān)測(cè)需要，對(duì)無(wú)線體域網(wǎng)發(fā)布檢測(cè)任務(wù)、進(jìn)行管理、配置或是 收集回傳數(shù)據(jù)等；外部網(wǎng)絡(luò)可以是家庭網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、w s n 、互聯(lián)網(wǎng)等。 7 第二章心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究 2 1 2 無(wú)線體域網(wǎng)的特點(diǎn) 無(wú)線體域網(wǎng)作為一種新興的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò)( 如i n t e m e t 、 移動(dòng)通信網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)) 相比較，有著自己獨(dú)有的特點(diǎn)【l o l ，主要有以下幾點(diǎn)： 1 規(guī)模小、近距離、可擴(kuò)展、以人體為中心的網(wǎng)絡(luò) 無(wú)線體域網(wǎng)受人體結(jié)構(gòu)的限制使其網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很小，通信距離也就相應(yīng)很小。同時(shí) 無(wú)線體域網(wǎng)也可以讓手機(jī)、m p 3 、耳機(jī)等微型便攜式設(shè)備加入到網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供各 種應(yīng)用，所以無(wú)線體域網(wǎng)是一個(gè)擴(kuò)展性很好的網(wǎng)絡(luò)，它可以提供各種服務(wù)的空中接口。 2 數(shù)據(jù)多樣性、相關(guān)性的網(wǎng)絡(luò) 無(wú)線體域網(wǎng)可以提供多種業(yè)務(wù)服務(wù)，如生命體征數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、視頻、音頻、i n t e m e t 服務(wù)等，同時(shí)對(duì)于同一種應(yīng)用場(chǎng)景，如在醫(yī)療應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)中所處理的數(shù)據(jù)會(huì)因?yàn)閭?感器的不同而呈現(xiàn)多樣性的特點(diǎn)，如脈搏、體溫、心電圖、血壓、心率等。并且這些 生理信息會(huì)因?yàn)槟承?shù)據(jù)的變化而在一定程度上表現(xiàn)出相關(guān)性，比如，當(dāng)一個(gè)病人發(fā) 燒時(shí)，那么其體溫、血壓、心率等生理參數(shù)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)地變化，這些參數(shù)的相關(guān)性 會(huì)影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸業(yè)務(wù)的相關(guān)性，這就要求多種生理數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間同步性。 3 動(dòng)態(tài)、混合型的網(wǎng)絡(luò) 由于無(wú)線體域網(wǎng)是以人體為中心的網(wǎng)絡(luò)，所以人體在活動(dòng)過(guò)程中，可能會(huì)導(dǎo)致傳 感器節(jié)點(diǎn)的通信中斷，同時(shí)，節(jié)點(diǎn)能量的耗盡會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的廢棄，新節(jié)點(diǎn)的加入等都 要求無(wú)線體域網(wǎng)能夠適應(yīng)這些變化，保證網(wǎng)絡(luò)能夠在這些變化的情況下可以正常通信。 另外，如果不同的傳感器節(jié)點(diǎn)工作的頻率范圍有所不同，節(jié)點(diǎn)之間的通信機(jī)制也就有 所不同，那么整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信道將表現(xiàn)出混合型的特點(diǎn)。 4 以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò) 無(wú)線體域網(wǎng)是監(jiān)測(cè)人體生理信號(hào)或者為用戶提供其它應(yīng)用服務(wù)，這就使得無(wú)線體 域網(wǎng)是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 2 1 3w b a n 關(guān)鍵技術(shù) 無(wú)線體域網(wǎng)是結(jié)合了無(wú)線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多方面的新型網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)，在許多領(lǐng)域和關(guān)鍵技術(shù)2 0 l 有待進(jìn)一步研究，主要包括： 1 路由協(xié)議：w b a n 要實(shí)現(xiàn)源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的通信，就必須尋找節(jié)點(diǎn)間 的優(yōu)化路徑，并使數(shù)據(jù)沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在能耗、動(dòng)態(tài)性、擴(kuò)展 性等方面的限制，所以高效合理的路由協(xié)議是無(wú)線體域網(wǎng)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。 8 長(zhǎng)安大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 傳感器技術(shù)：傳感器技術(shù)是w b a n 研究的重要基礎(chǔ)，由于人體幾何結(jié)構(gòu)的局 限性，研究微型化、智能化、高精度、低功率的各類傳感器就成為w b a n 的必要條 件。特別是對(duì)于植入到人體內(nèi)部的傳感器來(lái)說(shuō)，它們只能靠電池來(lái)供電，低功耗的傳 感器對(duì)于維持整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的意義顯得尤為重要。 3 數(shù)據(jù)融合技術(shù)：在無(wú)線體域網(wǎng)中，對(duì)數(shù)據(jù)的采集是由多個(gè)傳感器來(lái)完成的， 在數(shù)據(jù)的采集過(guò)程中，單個(gè)節(jié)點(diǎn)單獨(dú)傳輸數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點(diǎn)是不可能的，因此，通過(guò)數(shù) 據(jù)融合技術(shù)，將多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，組合出高效的符合用戶要求的 數(shù)據(jù)顯得尤為重要。 4 其它技術(shù)：主要包括數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩夹g(shù)，時(shí)間同步技術(shù)等。此外，從保護(hù) 身體健康方面出發(fā)，w b a n 還要求對(duì)外界及系統(tǒng)的電磁干擾具有良好的屏蔽能力。 2 2z i g b e e 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 2 2 1w s n 常用通信技術(shù)比較 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信問(wèn)題，主要使用的是短距離無(wú)線通信技術(shù)。目前， 世界上業(yè)界熱點(diǎn)的無(wú)線通信技術(shù)有無(wú)線局域網(wǎng)( w i f i ) 、藍(lán)牙( b l u e t o o t h ) 、超寬頻 ( u w b ) 、z i g b e e 等，其中每一種技術(shù)都有自己的立足之處，但是同時(shí)也有著自己的不 足，這就必須對(duì)這些技術(shù)在各個(gè)方面進(jìn)行比較，然后根據(jù)應(yīng)用要求做出相應(yīng)的選擇， 如表2 1 所示。 表2 1 常用無(wú)線通信技術(shù)比較 w i f ib l u e t o o t hu w b z i g b e e 通信范圍1 0 0 m 之內(nèi) 1 0 m ，l o o ml o r eo 一7 5m 電池壽命( 天) l 5l 7l o o 2 0 0 01 0 0 1 0 0 0 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù) 3 27l o o +2 5 5 - 6 5 5 3 5 傳輸速率 1 0 m b p s1 m b p s 4 8 0 - 10 0 0m b p s 2 0 - 2 5 0 k b p s 抗干擾性較強(qiáng)較強(qiáng) 強(qiáng)強(qiáng) 成本高高 高低 優(yōu)點(diǎn) 高速、適應(yīng)性強(qiáng)易操作高速、低功耗安全、可靠、低功耗 通過(guò)對(duì)以上幾種常用的無(wú)線通信技術(shù)性能比較，可以得出結(jié)論，z i g b e e 技術(shù)以其 自己很大的優(yōu)點(diǎn)在w s n 中有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。 9 第二章心電船護(hù)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究 2 2 2z i g b e e 技術(shù)協(xié)議體系 z i g b e e 技術(shù)作為一種新興的雙向無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有著低功耗、低成本、低速 率、短時(shí)延、近距離、高容量、高安全、兼容性好、可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)【2 3 2 1 。正 是因?yàn)檫@些優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，z i g b e e 技術(shù)有著很大的應(yīng)用價(jià)值。 z i g b e e 規(guī)范主要是由i e e e8 0 2 1 5 4 小組與z i g b e e 聯(lián)盟制定。其中i e e e 8 0 2 1 5 4 標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面的兩層：物理層( p h y ) 和介質(zhì)接入控制予層( m a c ) ，并與2 0 0 3 年5 月通過(guò)了i e e e8 0 2 1 5 4 標(biāo)準(zhǔn)【2 2 】；z i g b e e 聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上提供了網(wǎng)絡(luò)層( n w k ) 和應(yīng)用層( a p l ) 框架的設(shè)計(jì)，并于2 0 0 5 年6 月2 7 日公布了第一份z i g b e e 規(guī)藩z i g b e e s p e c i f i c a t i o nv 1 0 1 1 6 1 z i g b e e 體系結(jié)構(gòu)模型如圖2 2 所示。 圖2 2z i g b e e 體系結(jié)構(gòu)模型圖2 3z i g b e e 協(xié)議整體結(jié)構(gòu) z i g b e e 協(xié)議棧是在o s i 七層模型的基礎(chǔ)上根據(jù)市場(chǎng)和應(yīng)用的實(shí)際需要而定義的， 整體結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單，且每一層為其上一層提供一組特定的服務(wù)：一個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)體提供 數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，一個(gè)管理實(shí)體提供全部其它服務(wù)。所有的服務(wù)實(shí)體都通過(guò)服務(wù)接入點(diǎn) ( s e r v i c ea c c e s sp o i n t ，s a p ) 為其上層提供服務(wù)接口，并且每個(gè)s a p 都支持一定數(shù)量的 服務(wù)原語(yǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的功能瞄】。z i g b e e 協(xié)議框架如圖2 3 所示。 物理層決定了網(wǎng)絡(luò)通信頻率( 8 6 8 m h z 、9 1 5 m h z 及2 4 g h z ) 和無(wú)線信道( 2 7 個(gè)) 的分配。其中8 6 8 m h z 頻段定義了o 號(hào)信道，數(shù)據(jù)傳輸速率為2 0 k b i t s ；9 1 5 m h z 頻段 附近定義了l 1 0 號(hào)信道，信道間隔為2 m h z ，數(shù)據(jù)傳輸速率為4 0 k b i t s ；2 4 g h z 頻段 定義了1 1 - 2 6 號(hào)信道，信道間隔為5 m h z ，數(shù)據(jù)傳輸速率為2 5 0 k b i t t s ，表2 2 給出了 z i g b e e 無(wú)線信道的組成。同時(shí)，物理層通過(guò)射頻固件和射頻硬件，定義了m a c 子層 和物理信道間的接口，并提供了物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)，主要功能有激活和關(guān)閉 1 0 長(zhǎng)安大學(xué)碩士學(xué)位論文 射頻收發(fā)器、當(dāng)前信道能量檢鋇, l j ( e n e r g yd e t e c t ，e d ) 、為接收數(shù)據(jù)包提供鏈路質(zhì)量指 示( l i n kq u a l i t yi n d i c a t i o n ，l q i ) 、為載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)免沖撞機(jī)鋁f j ( c a r r i e rs e n s o r m u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ，c s m a - c a ) 提供空閑信道評(píng)估( c l e a rc h a n n e l a s s e s s m e n t ，c c a ) 、信道工作頻率的選擇、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等笳】。 表2 2 z i g b e e 無(wú)線信道的組成 信道編號(hào) 中心頻率m h z信道間隔m h z頻率下限小l h z 頻率上限小眥z k = 08 6 8 38 6 8 08 6 8 6 k = i ，2 ，3 ，1 09 0 6 + 2 ( k - 1 ) 29 0 2 09 2 8 0 k = il ，1 2 ，1 3 ，2 6 2 4 0 5 + 5 0 ( - 11 ) 52 4 0 0 02 4 8 3 5 m a c 層處理所有物理層無(wú)線信道的接入，主要功能包括支持個(gè)域網(wǎng)( p a n ) 鏈路 的建立和斷開(kāi)、與信標(biāo)同步、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安全提供支持、 處理和維護(hù)保護(hù)時(shí)隙( g t s ) 機(jī)制、信道接入方式采用免沖突載波檢測(cè)多址接入 ( c s m a c a ) 機(jī)制以及在兩個(gè)對(duì)等的m a c 實(shí)體之間提供可靠的通信鏈路等【2 6 1 。 網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的連接，主要功能包括采用一定機(jī)制連接 或斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)、幀信息在傳輸過(guò)程中所采用的安全性機(jī)制、設(shè)備的路由發(fā)現(xiàn)、維護(hù)和轉(zhuǎn) 交、完成對(duì)一跳( o n e h o p ) 鄰居設(shè)備的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)節(jié)點(diǎn)信息的存儲(chǔ)、為新加入的設(shè)備 分配短地址，并且網(wǎng)絡(luò)層還提供一些必要的函數(shù)，確保z i g b e e 的m a c 層正常工作， 為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。 應(yīng)用層框架包括：應(yīng)用支持層( a p s ) ，主要功能為維持綁定表、在綁定的設(shè)備 之間進(jìn)行消息傳遞； z i g b e e 設(shè)備對(duì)象( z d o ) ，主要功能為定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)層中的 角色( 如z i g b e e 協(xié)調(diào)器、路由器或終端設(shè)備) 、發(fā)起和響應(yīng)綁定請(qǐng)求、在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之 間建立安全機(jī)制、發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，并且決定向它們提供何種應(yīng)用服務(wù)；制造商 所定義的應(yīng)用對(duì)象，用戶可以在這一層定義自己的應(yīng)用對(duì)象。 2 2 3z i g b e e 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù) z i g b e e 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由傳感器、感知對(duì)象和觀察者三個(gè)要烈2 l 】構(gòu)成的。一個(gè) 典型的z i g b e e 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是由若干個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)、具有無(wú)線接收功能的 匯聚節(jié)點(diǎn)( s i n kn o d e ) 、i n t e m e t 或其它通信網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程控制中心構(gòu)成。傳感器節(jié)點(diǎn)用 于采集和監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的各種數(shù)據(jù)并以無(wú)線通信方式、多跳自組網(wǎng)方式發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)到 s i n k 節(jié)點(diǎn)；s i n k 節(jié)點(diǎn)用于接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的各種數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)通過(guò)i n t e m e t 、 第二章心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究 衛(wèi)星或其它網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程控制中心；遠(yuǎn)程控制中心接收s i n k 節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)并進(jìn) 行處理，同時(shí)也可根據(jù)監(jiān)測(cè)需要，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和配置、發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù) 或是收集回傳數(shù)據(jù)等，以達(dá)到用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和交互式管理。圖2 4 描述了z i g b e e 無(wú)線 傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。 圖2 4z i g b e e 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 在i e e e8 0 2 1 5 4 網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)設(shè)備的功能完整性，可以分為全功能設(shè)備 ( f u l l f u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) 和精簡(jiǎn)功能設(shè)備( r e d u c e d f u n c t i o nd e v i c e ，i 疆d ) 。f f d 之 間以及f f d 和r f d 之間都可以相互通信，但r f d 只能與f f d 通信，而不能與其它 r f d 通信。r f d 在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中一般作為通信終端，主要用于簡(jiǎn)單的控制、采集數(shù)據(jù)等 應(yīng)用。f f d 擁有網(wǎng)絡(luò)控制和管理的功能，需要功能相對(duì)較強(qiáng)的m c u 。z i g b e e 網(wǎng)絡(luò)是 由協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備組成。其中協(xié)調(diào)器由f f d 功能設(shè)備構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò) 的建立和網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)配置；路由器一般由f f d 功能設(shè)備構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)尋找、建立以 及修復(fù)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的路由信息，并負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文；終端設(shè)備由r f d 構(gòu)成，具有加入、 退出網(wǎng)絡(luò)的功能，并可以接收和發(fā)送網(wǎng)絡(luò)報(bào)文。 z i g b e e 網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用的需要可以組織成3 種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星形網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò) ( m e s h ) 和簇狀網(wǎng)絡(luò)。這3 種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 5 所示。在星狀結(jié)構(gòu)中，路由器是沒(méi)有 作用的，所有的設(shè)備都與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò) 與星狀網(wǎng)絡(luò)不同，只要在網(wǎng)絡(luò)范圍之內(nèi)，任何兩個(gè)f f d 設(shè)備就能直接通信。在m e s h 中，每一個(gè)f f d 設(shè)備都可以認(rèn)為是路由器，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能；簇狀網(wǎng) 絡(luò)可以看作是一個(gè)擴(kuò)展的星狀網(wǎng)絡(luò)或是由多個(gè)簡(jiǎn)單的星形網(wǎng)絡(luò)組成的網(wǎng)絡(luò)。 吠念耀 星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渫瑺罹W(wǎng)絡(luò)拓?fù)?同絡(luò)協(xié)調(diào)器( d 同絡(luò)路由器 塵 圖2 5z i g b e e 網(wǎng)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 1 2 長(zhǎng)安人學(xué)碩士學(xué)位論文 z i g b e e 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)( 無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信網(wǎng)等) 相比較，具有大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)、傳感器節(jié)點(diǎn)體積小、成本低、功耗低、自組織網(wǎng)絡(luò)、動(dòng)態(tài) 性網(wǎng)絡(luò)、以及以應(yīng)用相關(guān)和數(shù)據(jù)為中心等特點(diǎn) 1 4 , 1 6 1 。同時(shí)，它作為個(gè)全新的研究領(lǐng) 域在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、能量管理、定位技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、安全技術(shù)及無(wú)線通信技術(shù)f 1 6 ，2 2 1 中對(duì)科研工作者提出了大量具有挑戰(zhàn)性的課題。其中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的路由協(xié)議和介質(zhì) 訪問(wèn)控制協(xié)議( m a c ) 對(duì)z i g b e e 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗有著關(guān)鍵作用；合理有 效的能量管理對(duì)于延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命至關(guān)重要；定位技術(shù)的研究使得用戶知道“在 網(wǎng)絡(luò)的什么位置或者特定區(qū)域發(fā)生了什么樣的事 ；數(shù)據(jù)融合技術(shù)能將網(wǎng)絡(luò)中的多份數(shù) 據(jù)進(jìn)行處理和組合之后，準(zhǔn)確、快速地傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量；安全技術(shù)的 成熟是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用的前提，尤其是應(yīng)用在軍事領(lǐng)域。 2 3 心電信號(hào)及其采集 無(wú)線體域網(wǎng)以及z i g b e e 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)方面有著很大的應(yīng) 用價(jià)值。心臟病是威脅人類生命的嚴(yán)重疾病之一，在現(xiàn)代化日益發(fā)展的今天，人們生 活節(jié)奏的加快和生活壓力的增加導(dǎo)致了心臟病的發(fā)病率也迅速增加。在美國(guó)、日本和 歐洲，心臟疾病在人v i 疾病死亡率中占居第一位，在我國(guó)居第三位【2 刀。心電信號(hào)是一 種典型的生物電信號(hào)，具有生物電信號(hào)頻率、相位、振幅、時(shí)間差等特征要素，它對(duì) 心臟疾病的診斷的有著重要依據(jù)，因此心電信號(hào)的提取，對(duì)于適時(shí)治療、預(yù)防心臟病 突發(fā)死亡，具有十分重要的意義，對(duì)心臟疾病的臨床診斷和治療過(guò)程中也具有非常重 要的參考價(jià)值1 2 8 , 2 9 1 。 2 3 1 心電信號(hào)生理學(xué)基礎(chǔ) 心電信號(hào)反映了人體心臟活動(dòng)的整個(gè)過(guò)程，在每個(gè)心臟活動(dòng)周期內(nèi)，心臟各部分 興奮過(guò)程中出現(xiàn)的電位變化的次序、方向、振幅和時(shí)間都有一定的規(guī)律，這種有規(guī)律 的生物電變化通過(guò)心臟周圍的體液和導(dǎo)電組織反映到身體表面，可用置于體表的一定 電極檢測(cè)出來(lái)p 0 】。將測(cè)量電極放置在人體表面的一定部位，記錄出來(lái)的心肌細(xì)胞生物 電信號(hào)隨著時(shí)間變化的曲線即為臨床常規(guī)心電圖( e c g ) t a l l ，它反映的是人體心臟活動(dòng) 過(guò)程中的生物電變化規(guī)律。正常的心電圖反映人的正常心律，在一個(gè)周期內(nèi)，它是由 一系列不同的波群組成的，如圖2 6 3 2 】所示。如果人體心臟器官發(fā)生異常情況或者病 變，就會(huì)在心電信號(hào)上有所改變，顯現(xiàn)出異常的或者病態(tài)的心電圖。 1 3 第二章心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究 o2 o5 圖2 6 典型心電圖 各波段反映不同階段心電信號(hào)的變化情況，具體說(shuō)明如下： p 波：它反映左右兩個(gè)心房的電激