BSN傳感器與無線通訊研究現(xiàn)狀

1、BSN傳感器與無線通訊研究現(xiàn)狀     引言隨著人口老齡化問題的日益突出，心血管疾病和腦血管疾病對老年人的健康構成了極大的威脅。在美國每年大約萬人死于心血管疾病，萬人死于腦血管疾?。辉陧n國，死于腦血管疾病者占死亡人數(shù)的；而在英國因心血管疾病造成的死亡更是達到了。越來越多的國家開始加大對醫(yī)療健康系統(tǒng)的資金投入，研究人員開始逐漸著手于遠程醫(yī)療監(jiān)控、特殊群體監(jiān)護和公共社區(qū)醫(yī)療服務系統(tǒng)。傳統(tǒng)的醫(yī)療方法大多為病發(fā)后治療，不能很好地進行長期監(jiān)護、預防和實時診斷治療，而作為無線傳感器網(wǎng)絡（，）的一個分支，體域網(wǎng) （，；，）代表的新技術則能實現(xiàn)對生理參數(shù)的采集，以及對信

2、號的實時分析，從而對疾病進行預警，并將平時和發(fā)病時采集到的重要生理信息保存下來，通過無線技術發(fā)送至服務器以供 后 續(xù) 的 診 斷 治 療。無 線 體 域 網(wǎng) （，）由于年首次提出，逐漸成為了國際研究的熱點。技術不僅可以應用于醫(yī)療保健、健康恢復等方面，還可擴展到娛樂領域、體育運動領域，甚至是軍事領域和社會公共領域，。雖然有著廣闊的應用前景，仍面臨諸多關鍵技術挑戰(zhàn)。例如基于傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)融合技術；用于提高識別精度和實現(xiàn)環(huán)境感知的情景感知技術；通信鏈路的可靠性和安全性等。這些關鍵技術都是構建系統(tǒng)所必須涉及到的，不僅有理論研究價值，更有重要的實際應用價值。本文將重點介紹傳感器節(jié)點、通信技術等方面的技

3、術挑戰(zhàn)、最新進展和發(fā)展趨勢，還就目前國內(nèi)外的相關研究項目展開討論。的概念是基于的一種具有特殊應用的網(wǎng)絡，它是由體積小、集成度高的穿戴在人體身上或植入到人體內(nèi)的傳感器節(jié)點，中心節(jié)點，遠程服務器等共同形成的一個無線網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點負責監(jiān)控人體的生命體征，連續(xù)檢測多種生理參數(shù)并提供實時反饋，成為診斷過程、慢性疾病患者監(jiān)護、外科手術后的健康恢復和藥物治療效果監(jiān)測的一部分。每個傳感器節(jié)點都能處理各自的任務，并通過網(wǎng)絡與中心節(jié)點通信。中心節(jié)點負責匯聚傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)進行初步分析并發(fā)送到遠程服務器以便進行進一步的分析。整個系統(tǒng)架構如圖所示。注重盡早發(fā)現(xiàn)對身體構成威脅的慢性疾病和身體的某些異常狀態(tài)。患者甚至可

4、以在居家日常生活活動情況下長期監(jiān)護生理狀態(tài)，提高治療質(zhì)量。用于診斷和治療的植入式醫(yī)療方式的普及，可顯著提高患者的生活質(zhì)量，該治療方式可以用來恢復并控制癱瘓的四肢，控制膀胱和腸道肌肉，保持心律等。是一種新型的疾病監(jiān)控預防、治療監(jiān)護的解決方案，更是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。其目的是提供一個集成硬件監(jiān)測、軟件分析和無線通信技術的應用平臺，并為大眾的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)和未來發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)提供必備的條件。傳感器網(wǎng)絡及傳感器雖然是的一個分支，但是兩者對傳感器節(jié)點的要求卻存在不少差異。表顯示了和網(wǎng)絡的差異。圖則顯示了、和無線局域網(wǎng)（，）的網(wǎng)絡特點。由表和圖可知，因為應用對象的不同，相比于普通的和，對網(wǎng)絡參數(shù)的要求較高，特

5、別是在節(jié)點類型的多樣性和傳感器節(jié)點的共存性等方面，它強調(diào)生物傳感器節(jié)點的尺寸大小及節(jié)點之間的低能耗無線通信等特性。傳感器節(jié)點負責采集與人體生理狀態(tài)或者身體活動有關的模擬信號并將它轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并以無線方式發(fā)送至中心節(jié)點。按照其測量的信號的不同，將其分為三類：生理傳感器，主要是測量動態(tài)血壓、體溫、血氧以及其他相關的生理參數(shù)，如心電圖、腦電圖、肌電圖；生物動力學傳感器，如加速度傳感器、角速率傳感器和陀螺儀；用來測量外界環(huán)境參數(shù)的傳感器，如濕度、光照度、聲壓等級、溫度等參數(shù)。心電監(jiān)護是中的一個典型應用，心電圖可以幫助監(jiān)測用戶的健康狀態(tài)。近年來人們逐漸開始使用植入衣服的柔性電極進行長期監(jiān)測。跟傳統(tǒng)的

6、氯化銀電極相比，柔性電極的形狀能適應人體動作，更加柔韌有效，可以避免傳統(tǒng)方法中產(chǎn)生的問題。而加速度傳感器通過測量振動以及重力加速度，陀螺儀通過測量角動量來獲得定位信息，它們已經(jīng)廣泛應用于醫(yī)療保健、運動和電子游戲領域。鑒于中傳感器類型的不同，其對應節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸速率也不盡相同。表展示了針對不同人體參數(shù)測量的設備的一些平均統(tǒng)計數(shù)據(jù)。傳感技術是整個的重要基礎，是連接物理世界和電子系統(tǒng)的橋梁，其技術指標受微電子機械系統(tǒng)、納米技術等技術影響。中的節(jié)點由不同類型的、完成特定感知功能的傳感器構成，其主要由以下幾個部分組成：傳感器模塊；信號處理模塊；通信模塊。由于傳感器節(jié)點一般放置于體表或者植入到體內(nèi)用于健康

7、監(jiān)控、診斷，在體積、功耗、存儲能力、計算能力和通信速率方面具有一定的限制，因此設計傳感器節(jié)點時必須考慮以下幾點：體積小，為了便于穿戴在身上或者植入到體內(nèi)，傳感器節(jié)點的舒適度、生物兼容性等問題必須考慮在內(nèi)；低功耗設計；天線和接口設計等問題；另外傳感器節(jié)點的無線電輻射及其相應能耗必須降低到最小程度，以避免對人體產(chǎn)生潛在的危害。總之，傳感器節(jié)點設計應綜合考慮安全性、可用性和能量消耗的要求，在三者之間取得均衡。針對設計中所面臨的技術挑戰(zhàn)，新一代傳感器節(jié)點主要發(fā)展趨勢為：研究集成度高的傳感器（結合傳感、信號處理、通信等功能），最大限度地減少節(jié)點的功耗、縮小體積、減少通信輻射；研 究 能 量 獲 取 技

8、術；完 善 相 應 的標準。通信技術植入式技術的發(fā)展使得傳感器可以植入到人體內(nèi)或者放置在體表測量人體的各個生理參數(shù)。射頻技術的發(fā)展使得傳感器節(jié)點可以與中心節(jié)點進行無線通信。根據(jù)的結構（見圖），將通信技術分成兩個部分：體內(nèi)通信和體外通信。下面描述常見的幾種通信技術。體內(nèi)通信電磁感應在植入式傳感器節(jié)點增加一個貼近皮膚的耦合線圈，當另外一個線圈靠近植入式的耦合線圈時，植入式傳感器節(jié)點通過電磁感應獲得能量，并通過改變耦合線圈的電阻與外部線圈通信。這種通信有兩個特點：植入式傳感器節(jié)點無需電源；可以持續(xù)并長期地通信。這種通信技術已經(jīng)應用于識別被注入電子標簽的動物，其通信頻率一般是或者。但這種通信方式也存在

9、以下缺點：線圈位置必須靠近體表；通信速率低；體內(nèi)的傳感器節(jié)點不能主動建立通信連接。射頻通信相比于電磁感應通信，射頻通信具有更寬的通信帶寬和雙向通信的能力。基于植入式醫(yī)學通信服務的體內(nèi)通信頻帶獲得了國際認可，這個頻帶被分成帶寬為的多個頻道，其上限功耗為。人體作為一個通信媒介，其產(chǎn)生的阻抗會隨著年齡、體重甚至姿態(tài)的變化而變化，具有不可預見性。這就給設計植入式傳感器節(jié)點天線帶來了困難，也給無線通信帶來了一些挑戰(zhàn)。半導體公司推出了第一款可供植入式設備通過射頻方式進行通信的芯片。人體耦合通信（，）目前不少科學家也在研究基于人體電容和電耦合的通信方式，其通信頻率為。首次向人們展示了基于人體信道的低功耗、無

10、接口的數(shù)據(jù)通信方式。人體的骨骼肌系統(tǒng)以低功耗、安全、非侵入式的方式來傳輸數(shù)據(jù)，可以在人體的各個部位檢測到衰減后的信號。電耦合被認為是胸腔和四肢的一種潛在的通信方式，甚至可以通過握手方式將信號傳送給另一個人。等在設計傳感器節(jié)點時使用人體耦合通信和射頻通信兩種通信方式，采用人體耦合通信方式來識別和喚醒同一個中的傳感器節(jié)點，提高了的保密性和可靠性，但到目前為止其速率僅達到了。體外通信藍牙（）藍牙技術作為一個短距離無線通信技術，能夠在設備間實現(xiàn)方便快捷、靈活安全、低成本、低功耗的數(shù)據(jù)和語音通信。藍牙技術簡單的通信協(xié)議、星型網(wǎng)絡（沒有復雜的路由算法）、注重短距離無線通信等特點迎合了的要求，是目前實現(xiàn)的主

11、流技術之一。藍牙低功耗技術和藍牙相比，增加了低功耗和低成本的特性。目前在中使用較多的是支持低功耗和高效能的網(wǎng)絡。聯(lián)盟借助其低功耗和低傳輸速率的特點，一直致力于解決智能能源、樓宇自動化和工業(yè)自動化等問題。它的工作頻率分幾種：（傳輸速率為）適用于歐洲；（傳輸速率為）適用于美國；（傳輸速率為）全球通用。其網(wǎng)絡拓撲結構有三類：星型網(wǎng)絡；樹簇網(wǎng)絡；蜂窩網(wǎng)絡。其中樹簇網(wǎng)絡和蜂窩網(wǎng)絡都支持多跳路由協(xié)議。超 寬 帶 技 術 （，）技術以其抗干擾性能強、傳輸速率高、系統(tǒng)容量大的特點得到了越來越多的關注。根據(jù)美國聯(lián)邦通訊委 員 會 的 規(guī) 定，頻 帶 寬 度 相 當 大 （直至數(shù)），同時在免費許可的的頻帶中，有著

12、較低的發(fā)射功率譜密度，這一特性使得在短距離通信有著巨大的潛力。基于技術的商用芯片的數(shù)據(jù)傳輸速率極高，例如“”設備的傳輸速率高達。技術也是中精確定位系統(tǒng)中的一個理想技術。其他通信技術：是以低功耗、的傳輸速率、輕量級協(xié)議棧的基于時分多址的專屬傳感器網(wǎng)絡技術，工作頻率為。其特點是高效、無縫連接、低功耗。這項技術已經(jīng)被應用到一些產(chǎn)品中，如手表、心率表、體重秤、計算機等。目前具有多個聯(lián)盟成員的互操作系統(tǒng)實現(xiàn)了運動、健身、健康護理產(chǎn)品的無線連接，制造商可以在運動和健康監(jiān)護方面選擇一種高效、低功 耗 和 無 縫 的 用 戶 體 驗 的 解 決 方 案。：也稱為，使用長磁波信號通信、字節(jié)的雙向通信、活躍的無線

13、協(xié)議。類似于的協(xié)議，但它使用的信號作載波。的波特率只有，功耗更低，適用于惡劣環(huán)境下的實時庫存應用，甚至可以在金屬和水的附近以及存在電磁噪音的環(huán)境中工作。與射頻識別技術類似，它們之間最主要的區(qū)別是主要使用磁場中的低頻頻段，而射頻識別技術一般使用電場中的高頻率、超高頻或超高頻率頻段；：提供了一個針對人體各種應用的低傳輸速率的超低功耗（，）平臺。它采用星型網(wǎng)絡，每個節(jié)點周期性地發(fā)送數(shù)據(jù)給中心節(jié)點，其他時間處于睡眠模式或者待機模式。：作為一種針對植入式醫(yī)療設備的通信技術，使用編碼方式并結合校驗實現(xiàn)可靠的通信鏈路，這一功能通過專用低功耗射頻發(fā)送芯片實現(xiàn)。收發(fā)器一般處于休眠狀態(tài)以減少功耗，能通過基于的特殊

14、編碼的無線信號或者處理器喚醒。世界上第一個可吞咽膠囊相機的無線模塊便是在基于的射頻芯片基礎上設計的。目前已經(jīng)有許多關于健康監(jiān)測的科研項目利用或者來組網(wǎng)，然而大部分的網(wǎng)絡模型是基于特定芯片所做，而沒有深層次的利用無線網(wǎng)絡特點。等指出網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸會受到的干擾，的網(wǎng)絡的工作頻率是，當人體周圍存在相近頻率的通信時，會嚴重影響整個的通信質(zhì)量。而且還指出網(wǎng)絡可能在樓宇智能化和工業(yè)自動化方面有廣闊的前景，至于在方面，如果低功耗藍牙技術在成本和功耗上能與匹敵的話，則藍牙技術有更大的潛力。另外網(wǎng)絡支持的通信速率上限是，對大型和實時反饋性能產(chǎn)生一定影響。再者網(wǎng)絡的功耗、供電問題、通信頻率也使不少研究者轉(zhuǎn)向研究新

15、型的通信技術，比如（）。體內(nèi)通信中的人體耦合通信方式雖然有著廣闊的前景，但生物兼容性等問題必須加以考慮。無線通信技術在中的應用仍然存在以下技術難點：低功耗的無線傳輸技術和協(xié)議，傳感器節(jié)點一般由電池供電，長時間連續(xù)監(jiān)控對電池使用壽命有很高的要求；通信的可靠性和安全性問題，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)涉及到個人生理信息，其可靠性和安全性必須得到保證；網(wǎng)絡的服務質(zhì)量、人體的動作均會對信號檢測和通信質(zhì)量產(chǎn)生影響，高質(zhì)量的網(wǎng)絡服務是完善的要求之一。研究狀況目前在世界范圍內(nèi)已經(jīng)有不少科研小組在研究。和等針對處理的通信問題和多層次的醫(yī)療服務器，構建了一個系統(tǒng)模型，傳感器節(jié)點使用藍牙或者技術實現(xiàn)單跳通信。他們使用現(xiàn)成的無線傳感

16、器模塊設計了類似于的模型。比利時研發(fā)的工程旨在通過在的無線網(wǎng)絡基礎上建立一個動態(tài)腦電圖和心電圖系統(tǒng)，構建了一個高度微型化和自動化的便攜式系統(tǒng)，并且于年研發(fā)了由體溫供電的無線脈沖光電血氧儀。此系統(tǒng)能耗較低，使用節(jié)電池可以持續(xù)工作大概個月。為了保持系統(tǒng)的長期使用，研發(fā)者增加了熱電發(fā)生器來獲取能量，還嘗試了其他的通信技術（比如）以降低功耗。歐洲的項目開發(fā)了一個終端節(jié)點到終端節(jié)點的平臺，通過移動通訊系統(tǒng)和網(wǎng)絡對患者施行動態(tài)監(jiān)測。平臺通過穿戴在患者身上的不同傳感器來持續(xù)監(jiān)測患者的重要生理參數(shù)，如血壓、心率、心電圖等。系統(tǒng)的通信則是通過單跳的藍牙或者網(wǎng)絡來實現(xiàn)。這個項目的主要研究方向是的安全性、通信可靠性和數(shù)據(jù)高效傳輸。法國的項目打算在消費電子、運動和醫(yī)學領域構建一個最優(yōu)化的無線通信系統(tǒng)，其中包括構建 系 統(tǒng) 框 架、系 統(tǒng) 模 式 和 對 相 關 技 術 的 研究。他們重點研究的無線通信信道、協(xié)議和與其他無線網(wǎng)絡的共存性問題。德國的項目旨在構建一個完整的平臺。英國帝國理工大學對中周圍環(huán)境感知和情景感知進行研究；美國加州大學和伯克利大學等重點對資源優(yōu)化、可穿戴性和擴展性等進行研究；中國香港中文大學等探討了用多種通信方式構建混合的，并對中跟蹤技術和能量感知等進行了相關研究，。結論本文圍繞的基本概念、傳感器節(jié)點、無線通信技術等問題給出了較全面的介紹和分析。技術具有