無線生理信息傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術研究.pdf

1、真正具有一定實用價值的遠程醫(yī)療系統(tǒng)最早出現(xiàn)在20世紀50年代末,至今已有五十多年的發(fā)展歷史。雖然遠程醫(yī)療系統(tǒng)在通信技術快速發(fā)展的推動下已在遠程醫(yī)療咨詢、教育及會診等方面得到了長足的發(fā)展,但是影響遠程醫(yī)療發(fā)展的另一關鍵因素——用戶終端設備的研究沒有取得突破性進展,這在很大程度上限制了遠程醫(yī)療的廣泛應用,其核心問題主要表現(xiàn)為不能長期測量、測量設備不夠小巧方便、測量過程不舒適、在使用時會影響用戶的其它活動等。隨著移動醫(yī)療概念的提出,新一代的醫(yī)

2、療儀器----以生物傳感器為核心的穿戴式醫(yī)療儀器正逐漸引起各界的廣泛關注,它可以廣泛應用于臨床監(jiān)護、家庭保健、睡眠分析、應急救護、航空航天、特殊人群監(jiān)護、心理評價、體育訓練等方面。早期的穿戴式醫(yī)療儀器中,數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸部分通常集成在中心控制單元內(nèi),由位于身體不同測量部位的各種生理信息傳感器組成的數(shù)據(jù)采集部分采用有線方式和中心控制單元連接,隨著需監(jiān)測的生理參數(shù)增多,若仍采用有線方式連接則需要更多的電纜連接各個部分,給患者的行動帶來諸多

3、不便。為了盡量減少電纜對患者日常生活的影響并且為醫(yī)生提供更為豐富的數(shù)據(jù),生理信息傳感器的多樣化、無線化和網(wǎng)絡化已成為穿戴式醫(yī)療儀器的一個主要發(fā)展方向。本文將由具有無線通信能力的生理信息傳感器組成的網(wǎng)絡稱為無線生理信息傳感器網(wǎng)絡(Wireless Physiological Information Sensor Network,WPISN)。WPISN是隨著無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network,WSN)和無線體域

4、網(wǎng)(Wireless Body AreaNetwork,WBAN)技術的出現(xiàn)而誕生的,它實現(xiàn)了生理信息傳感器的多樣化、無線化和網(wǎng)絡化,負責完成人體多種生理信號的獲取、傳輸、分析與處理,為穿戴式醫(yī)療儀器很多急需解決的問題提供了新的技術手段。本文是教育部春暉計劃項目“無線遠程醫(yī)療系統(tǒng)”(Z2004-1—55006)的主要部分,著重研究WPISN的兩個關鍵技術:節(jié)點間的無線組網(wǎng)技術和通信單元的節(jié)能策略。主要研究內(nèi)容包括：
　　 ①提出

5、了WPISN的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、節(jié)點結(jié)構(gòu)、協(xié)議棧以及通信協(xié)議的跨層設計方法,完成了WPISN的系統(tǒng)設計。按照WBAN的技術需求選擇了適合于WPISN的短距離射頻收發(fā)芯片,分析了短距離無線通信單元的節(jié)能策略,完成了短距離無線通信單元的電路設計和短距離無線通信實驗平臺的搭建。
　　 ②在物理層,針對所選射頻收發(fā)芯片,完成了小環(huán)天線的設計并在HFSS中進行了仿真,然后使用EMScan公司的天線測試系統(tǒng)測量了小環(huán)天線的輻射方向圖,結(jié)果顯示理論與

6、實際有較好的一致性；在分析了目前短距離射頻芯片常用的調(diào)制方式的優(yōu)缺點后,選擇MSK(Minimum Shift Keying)作為WPISN短距離通信單元的調(diào)制方式；提出了一種發(fā)射功率的動態(tài)控制方法,即根據(jù)鏈路質(zhì)量和任務需求的不同動態(tài)地調(diào)整節(jié)點的發(fā)射功率,在保證信號可靠傳輸?shù)那疤嵯?盡可能降低發(fā)射功率,減少能耗。
　　 ③在數(shù)據(jù)鏈路層,提出了一種基于任務表的睡眠調(diào)度機制以減少MAC(MediaAccess Control)層上的

7、能量浪費,并設計了基于TDMA(Time Division MultipleAccess)的任務驅(qū)動的MAC協(xié)議(此協(xié)議已申請國家發(fā)明專利)；采用了停止等待ARQ(Automatic Repeat Request)協(xié)議和FEC(Forward Error Correction)結(jié)合的HEC(Hybrid Error Correction)方式進行差錯控制,針對不同的測量節(jié)點的任務特點,通過在ARQ協(xié)議中設置不同的重發(fā)次數(shù)以適應不同任務的

8、實時性要求和信道的變化情況；提出了用于WPISN的鏈路質(zhì)量快速評估方法,實驗結(jié)果表明,該方法可以快速準確地判斷出鏈路是否處于連接區(qū),為節(jié)點發(fā)射功率的動態(tài)調(diào)整提供了依據(jù)。
　　 ④在應用層,針對目前的穿戴式醫(yī)療儀器常采用的連續(xù)工作方式的不足,提出了一種任務驅(qū)動的工作方式,這種方式以醫(yī)生為主導,穿戴式醫(yī)療儀器的工作時間完全由醫(yī)生制定,減少了很多醫(yī)生不需要的數(shù)據(jù)傳輸,也延長了穿戴式醫(yī)療儀器的工作時間；提出了用于WPISN的時間同步方法