无线传感器网络在医疗监护中的应用

B14011115无线传感器网络在医疗监护中的应用通信与信息工程学院电子信息工程B14011115导语或摘要无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）已成为当今热门的研究领域之一，并广泛的应用于当今社会的各个领域。本文主要想将无线传感器网络与现代医学领域结合起来，从自己有限的知识中谈一谈对无线传感器网络应用的想法。比较仓促，有很多不足，希望老师谅解。应用背景无线传感网络（WirelessSensorNetwork，WSN）是近年来得到迅速发展和普遍重视的新型网络技术，它的出现和发展对现代科学技术产生了极其深刻的影响，与传统的网络技术不同，无线传感器网络技术将是现代无线通信技术、微型传感器技术和网络技术有机的融为一体，综合了传感器技术、自动控制技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，已经是近几年来国内外研究的热点，引起了世界上许多国家军界、学术界和工业界的高度重视，其引用前景十分广阔。现代医学中，应用到医学传感器的地方无处不在。医学传感器作为拾取生命体征信息的媒介，他们的作用日益显著，并得到广泛的应用。例如，在图像处理、临床化学检验、生命体征参数的监护检测、呼吸、神经、心血管疾病的诊断与治疗等方面应用十分普及。传感器在现代医学设备中的普及，传感器网络的应用也应运而生。包括远程健康管理、重症病人或老龄人看护、生活支持设备、病理数据实时采集与管理和紧急救护等。通过传感器与传感器网络的运作，医护人员可以快速有效的了解病人的实时情况，做到对病人的有效治疗，并且可以同时的掌握多个病人的病情，大大减少医护人员的工作量。需求分析医疗监护可以定义为通过通信网络将病人所处环境的信息和病人的生命体征信息传送到监护中心，并作出相应反馈的一个系统，所以我们可以将医疗监护系统看成三个部分：远端监护设备（传感器）、通信网络、监护中心。可以看成如下的一个结构图。1.远端监护设备根据监护对象和监护目的的不同，远端监护设备可以有很多种，按用途可以分为三类：（1）生理体征检测设备，这类设备可以帮助医生掌握对象的病情，并提供及时的医疗指导。检测的生理信息主要包括：心电图、脑电图、心率、血压、脉搏、血氧饱和度、体温、血糖等。（2）环境检测设备，这类设备主要是对特殊的病人的生活环境进行检测并及时调节，如室温、含氧量、湿度、无菌环境等。（3）护理检测设备，如瘫痪病人的尿检测设备、可以降低护理人员的劳动强度。2.通信系统连接远端设备和监护中心的通信方式主要包括程控电话（PSTN）、交互电视、综合网服务数字网（ISDN）、非对称数字用户线环路（ASDL）、光纤网（ATM）、微波通信、卫星通信、无线蜂窝通信（移动电话GSM）等。远端监护设备监护中心通信网络B140111153.监护中心监护中心可以位于急救中心、社区医院、中心医院等医护人员集中场所，主要是处理出现问题的患者，并对传感器的某些问题做出反馈，如调节室温、湿度，及时帮助患者、缓解症状。总体设计方案这个医疗监护无线传感器网络可以看成是由数据获取网络、数据分布网络和控制管理中心三部分组成的。该系统由监护基站设备和ZigBee传感器节点构成一个监护网络。其主要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和通信模块的节点，各节点通过协议自组成一个分布式网络，再将采集来的数据通过优化后经ZigBee无线电波传输给信息处理中心。因为节点的数量巨大类型众多，而且还处在随时变化的环境中，这就使它有着不同于普通传感器网络的独特“个性”。（1）传感器节点医疗传感器节点可以根据不同的需要而设置，因此该系统具有极大的灵活性和扩展性。在此举几个例子说明。1.温度传感器和热敏原件温度传感器主要由热敏原件构成。热敏原件品种比较多，常见的有双金属片、铜热电阻、铂热电阻、热电阻及半导体热敏电阻等。其中以半热敏电阻为探测元件的温度传感器应用广泛。因为半导体电阻具有体积小，灵敏度高，且制造工艺简单、价格低廉。所以用来设计体温计和室温计。2.气敏传感器和气敏原件气敏传感器可以用来检测气体，也可以用半导体气敏传感器来检测气体含量，当然，我们也可以用化学型的传感器和生物型的传感器来检测气体污染等，这些在医疗系统中都是被广泛应用的。其中，生物体中能够选择性的分辨出某种物质的物质有酶、抗体、组织细胞等，通过识别过程可与被检测目标结合成复合物，可以有效的检测出病人的病情。在这方面设计时选择适合测定对象的识别物质是极其重要的。3.智能应力传感器智能应力传感器具有测量、程控放大、转换、处理、模拟量输出、打印、键盘监控以及通过串行口与上位微型计算机进行通信的功能。对智能应力传感器进行模块化和结构化的设计，包括信息采集、数据处理、故障诊断等模块。如下图：数据处理模块信号采集模块故障诊断模块键盘输入及显示模块输出及打印模块通信模块开机主程序模块B14011115主程序模块完成自检、初始化、通道选择等功能。信号采集模块完成各路信号放大、A/D转换及数据读取功能。数据处理模块完成数据滤波、非线性补偿、信号处理、误差修正及检索查表等功能。故障诊断模块对各应力传感器的信号进行分析，判断各传感器的工作状态是否出现异常，也就是能对病人的情况进行自动检测。键盘输入及显示模块查询是否有按键按下，若有按键按下则反馈给主程序模块，主程序模块根据不同按键的含义执行或调用相应的功能模块，并显示各路传感器的数据和工作状态（包括按键信息）。输出及打印模块控制模拟量输出及控制打印机完成打印任务。通信模块主要控制RS-232串行通信和上位微机的通信。以温度传感器为例，设计一个只能应力传感器，原理图如下：图中，共有6路应力传感器和2路温度传感器，其中每一路应力传感器由4个应变片构成的全桥电路和前几放大器组成，用于测量应力大小。温度传感器用于测量环境温度，对应力传感器进行误差修正。采用8031单片机作为数据处理和控制单元。多路开关根据单片机发出的命令轮流选通各个传感器通道，0通道为温度传感器通道，1~6通道分别为6个应力传感器通道。程控放大器在单片机的控制下分别选择不同的放大倍数对各路信号进行放大。通过智能应力传感器与个种传感器的混合应用，我们可以提高整个节点的实用性和智能性。（2）通信网络WSN协议栈多采用五层协议：应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。与以太网协议栈的五层协议相对应。另外，协议栈还应包括能量管理器、拓扑管理器和任务管理器。这些管理器使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制；网络层主要负责路由生成与路由选择；传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件。医疗传感器源信号要依靠电磁波传输必需要通过调制技术变成高频信号，当抵达接受端时，又通过解调技术还原成原始信号。目前采用的调制方法分为模拟调制和数字调制两种。它们的区别就在于调制信号所用的基带信号的模式不同而已（一为数字，一为模拟）。信号仅经过调制是不行的，还需要进行扩频。扩频，顾名思义，就是将待传输数据进行频谱扩展的技术。它的好处是：增强了抗干扰能力，可进行多地址通信，保密性提高。常见的扩频技术包括直接序列扩频、跳频、跳时以及线性调频。在物理层面上，无线传感器网络遵从的主要是IEEE802.15.4标准。依照此标准，物理层主要进行如下工作：激活和去活无线收发器，检测当前信道的能量，发送指示，信道频率的……D/A串行接口模拟量输出应力传感器1应力传感器2温度传感器多路开关程控放大器A/D控制逻辑8031单片机RAMROM键盘及显示器打印机B14011115选择，数据发送与接收。IEEE802.15.4标准规划了几个工作频段。其中，2.4GHz频段的物理层可提供250Kb/s的数据传输率，适用于高吞吐量、低延时或低作业周期的场合；工作在869/915MHz频段的物理层则能提供20Kb/s的数据传输率，适用于低速率、高灵敏度和大覆盖面积的场合。依据IEEE802.15.4标准的协议被称为Zigbee，其传输带宽虽然没有Wi-Fi和BlueTooth大，但是能耗较低，非常适合在医疗监护系统中使用无线传感器网络。MAC层协议信号的传输要靠信道，因此信道也就成为了一种宝贵的资源。怎样合理有效的分配信道、传输各个医疗传感器的各个不同信号而不发生混淆，就是数据链路层中的MAC子层要解决的问题了。无线传感器网络经常使用的有三种MAC协议：传感器协议（S-MAC），分布式能量意识协议（DE-MAC）和协调设备协议。S-MAC协议通过调配节点的休眠方式来有效地分配信道；DE-MAC则采用周期性监听和休眠机制，避免空闲监听和串音，其目的是减少能耗和增加网络的生存周期；MD协议则能为大规模、低占空比运行的节点提供了不需要高精度时钟的可靠通信。总体来说，无线传感器网络的MAC协议在分配信道的同时还要保证系统的能耗最低。关键技术无线通信技术、能量收集技术、传感器技术、嵌入式操作系统技术、低功耗技术、多跳自组织网络的路由协议、数据融合和数据管理技术和信息安全技术等。这里要提及的是无中心和自组网特性。在无线传感器网络中，所有节点的地位都是平等的，没有预先指定的中心，各节点通过分布式算法来相互协调，在无人值守的情况下，节点就能自动组织起一个测量网络。而正因为没有中心，网络便不会因为单个节点的脱离而受到损害。存在的问题和挑战网络拓扑的动态变化。网络中的传感器节点是处于不断变化的环境中，它的状态也在相应地发生变化，加之无线通信信道的不稳定性，网络拓扑因此也在不断地调整变化，而这种变化方式是无人能准确预测出来的。传输能力的有限性。无线传感器网络通过无线电波进行数据传输，虽然省去了布线的烦恼，但是相对于有线网络，低带宽则成为它的天生缺陷。同时，信号之间还存在相互干扰，信号自身也在不断地衰减，诸如此类。不过因为单个节点传输的数据量并不算大，这个缺点还是能忍受的。能量的限制。为了测量真实世界的具体值，各个节点会密集地分布于待测区域内，人工补充能量的方法已经不再适用。每个节点都要储备可供长期使用的能量，或者自己从外汲取能量（太阳能）。安全性的问题。无线信道、有限的能量，分布式控制都使得无线传感器网络更容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的常见方式。因此，安全性在网络的设计中至关重要。参考资料B14011115《无线传感器网络技术及应用开发》清华大学出版社熊茂华熊欣刘萍编著徐建闵主审《传感器原理与应用》机械工业出版社黄传河主编张文涛刘丹丹周浩编著《传感器原理、设计与应用（第5版）》国防工业出版社刘迎春叶湘滨编著