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(gòu)成了極大的威脅。在美國每年大約萬人死于心血管疾病，萬人死于腦血管疾病；在韓國，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(dá)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(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控、特殊群體監(jiān)護(hù)和公共社區(qū)醫(yī)療服務(wù)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(jìn)行長期監(jiān)護(hù)、預(yù)防和實(shí)時診斷治療，而作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（，）的一個分支，體域網(wǎng) （，；，）代表的新技術(shù)則能實(shí)現(xiàn)對生理參數(shù)的采集，以及對信

2、號的實(shí)時分析，從而對疾病進(jìn)行預(yù)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(shù)發(fā)送至服務(wù)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(diǎn)。技術(shù)不僅可以應(yīng)用于醫(yī)療保健、健康恢復(fù)等方面，還可擴(kuò)展到娛樂領(lǐng)域、體育運(yùn)動領(lǐng)域，甚至是軍事領(lǐng)域和社會公共領(lǐng)域，。雖然有著廣闊的應(yīng)用前景，仍面臨諸多關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。例如基于傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)；用于提高識別精度和實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知的情景感知技術(shù)；通信鏈路的可靠性和安全性等。這些關(guān)鍵技術(shù)都是構(gòu)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(shí)際應(yīng)用價值。本文將重點(diǎn)介紹傳感器節(jié)點(diǎn)、通信技術(shù)等方面的技

3、術(shù)挑戰(zhàn)、最新進(jìn)展和發(fā)展趨勢，還就目前國內(nèi)外的相關(guān)研究項(xiàng)目展開討論。的概念是基于的一種具有特殊應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)，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(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)，遠(yuǎn)程服務(wù)器等共同形成的一個無線網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)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(shí)時反饋，成為診斷過程、慢性疾病患者監(jiān)護(hù)、外科手術(shù)后的健康恢復(fù)和藥物治療效果監(jiān)測的一部分。每個傳感器節(jié)點(diǎn)都能處理各自的任務(wù)，并通過網(wǎng)絡(luò)與中心節(jié)點(diǎn)通信。中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)匯聚傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析并發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器以便進(jìn)行進(jìn)一步的分析。整個系統(tǒng)架構(gòu)如圖所示。注重盡早發(fā)現(xiàn)對身體構(gòu)成威脅的慢性疾病和身體的某些異常狀態(tài)?；颊呱踔量?/p>

4、以在居家日常生活活動情況下長期監(jiān)護(hù)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(fù)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(yù)防、治療監(jiān)護(hù)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(shù)的應(yīng)用平臺，并為大眾的醫(yī)療監(jiān)護(hù)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(luò)及傳感器雖然是的一個分支，但是兩者對傳感器節(jié)點(diǎn)的要求卻存在不少差異。表顯示了和網(wǎng)絡(luò)的差異。圖則顯示了、和無線局域網(wǎng)（，）的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)。由表和圖可知，因?yàn)閼?yīng)用對象的不同，相比于普通的和，對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的要求較高，特

5、別是在節(jié)點(diǎn)類型的多樣性和傳感器節(jié)點(diǎn)的共存性等方面，它強(qiáng)調(diào)生物傳感器節(jié)點(diǎn)的尺寸大小及節(jié)點(diǎn)之間的低能耗無線通信等特性。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集與人體生理狀態(tài)或者身體活動有關(guān)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(diǎn)。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(guān)的生理參數(shù)，如心電圖、腦電圖、肌電圖；生物動力學(xué)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(hù)是中的一個典型應(yīng)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(jìn)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(yīng)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(yīng)用于醫(yī)療保健、運(yùn)動和電子游戲領(lǐng)域。鑒于中傳感器類型的不同，其對應(yīng)節(jié)點(diǎn)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(shè)備的一些平均統(tǒng)計數(shù)據(jù)。傳感技術(shù)是整個的重要基礎(chǔ)，是連接物理世界和電子系統(tǒng)的橋梁，其技術(shù)指標(biāo)受微電子機(jī)械系統(tǒng)、納米技術(shù)等技術(shù)影響。中的節(jié)點(diǎn)由不同類型的、完成特定感知功能的傳感器構(gòu)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(diǎn)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(shè)計傳感器節(jié)點(diǎn)時必須考慮以下幾點(diǎn)：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(diǎn)的舒適度、生物兼容性等問題必須考慮在內(nèi)；低功耗設(shè)計；天線和接口設(shè)計等問題；另外傳感器節(jié)點(diǎn)的無線電輻射及其相應(yīng)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?？傊?，傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計應(yīng)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(shè)計中所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，新一代傳感器節(jié)點(diǎn)主要發(fā)展趨勢為：研究集成度高的傳感器（結(jié)合傳感、信號處理、通信等功能），最大限度地減少節(jié)點(diǎn)的功耗、縮小體積、減少通信輻射；研 究 能 量 獲 取 技

8、術(shù)；完 善 相 應(yīng) 的標(biāo)準(zhǔn)。通信技術(shù)植入式技術(shù)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(shù)的發(fā)展使得傳感器節(jié)點(diǎn)可以與中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信。根據(jù)的結(jié)構(gòu)（見圖），將通信技術(shù)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(shù)。體內(nèi)通信電磁感應(yīng)在植入式傳感器節(jié)點(diǎn)增加一個貼近皮膚的耦合線圈，當(dāng)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(diǎn)通過電磁感應(yīng)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(diǎn)：植入式傳感器節(jié)點(diǎn)無需電源；可以持續(xù)并長期地通信。這種通信技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于識別被注入電子標(biāo)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(diǎn)：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(diǎn)不能主動建立通信連接。射頻通信相比于電磁感應(yīng)通信，射頻通信具有更寬的通信帶寬和雙向通信的能力?；谥踩胧结t(yī)學(xué)通信服務(wù)的體內(nèi)通信頻帶獲得了國際認(rèn)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(yù)見性。這就給設(shè)計植入式傳感器節(jié)點(diǎn)天線帶來了困難，也給無線通信帶來了一些挑戰(zhàn)。半導(dǎo)體公司推出了第一款可供植入式設(shè)備通過射頻方式進(jìn)行通信的芯片。人體耦合通信（，）目前不少科學(xué)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(rèn)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(shè)計傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，提高了的保密性和可靠性，但到目前為止其速率僅達(dá)到了。體外通信藍(lán)牙（）藍(lán)牙技術(shù)作為一個短距離無線通信技術(shù)，能夠在設(shè)備間實(shí)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(lán)牙技術(shù)簡單的通信協(xié)議、星型網(wǎng)絡(luò)（沒有復(fù)雜的路由算法）、注重短距離無線通信等特點(diǎn)迎合了的要求，是目前實(shí)現(xiàn)的主

11、流技術(shù)之一。藍(lán)牙低功耗技術(shù)和藍(lán)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(luò)。聯(lián)盟借助其低功耗和低傳輸速率的特點(diǎn)，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(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三類：星型網(wǎng)絡(luò)；樹簇網(wǎng)絡(luò)；蜂窩網(wǎng)絡(luò)。其中樹簇網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)都支持多跳路由協(xié)議。超 寬 帶 技 術(shù) （，）技術(shù)以其抗干擾性能強(qiáng)、傳輸速率高、系統(tǒng)容量大的特點(diǎn)得到了越來越多的關(guān)注。根據(jù)美國聯(lián)邦通訊委 員 會 的 規(guī) 定，頻 帶 寬 度 相 當(dāng) 大 （直至數(shù)），同時在免費(fèi)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(shù)的商用芯片的數(shù)據(jù)傳輸速率極高，例如“”設(shè)備的傳輸速率高達(dá)。技術(shù)也是中精確定位系統(tǒng)中的一個理想技術(shù)。其他通信技術(shù)：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(luò)技術(shù)，工作頻率為。其特點(diǎn)是高效、無縫連接、低功耗。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到一些產(chǎn)品中，如手表、心率表、體重秤、計算機(jī)等。目前具有多個聯(lián)盟成員的互操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動、健身、健康護(hù)理產(chǎn)品的無線連接，制造商可以在運(yùn)動和健康監(jiān)護(hù)方面選擇一種高效、低功 耗 和 無 縫 的 用 戶 體 驗(yàn) 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(shí)時庫存應(yīng)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(shù)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(shù)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(yīng)用的低傳輸速率的超低功耗（，）平臺。它采用星型網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)送數(shù)據(jù)給中心節(jié)點(diǎn)，其他時間處于睡眠模式或者待機(jī)模式。：作為一種針對植入式醫(yī)療設(shè)備的通信技術(shù)，使用編碼方式并結(jié)合校驗(yàn)實(shí)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(shí)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(jī)的無線模塊便是在基于的射頻芯片基礎(chǔ)上設(shè)計的。目前已經(jīng)有許多關(guān)于健康監(jiān)測的科研項(xiàng)目利用或者來組網(wǎng)，然而大部分的網(wǎng)絡(luò)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(luò)特點(diǎn)。等指出網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸會受到的干擾，的網(wǎng)絡(luò)的工作頻率是，當(dāng)人體周圍存在相近頻率的通信時，會嚴(yán)重影響整個的通信質(zhì)量。而且還指出網(wǎng)絡(luò)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(lán)牙技術(shù)在成本和功耗上能與匹敵的話，則藍(lán)牙技術(shù)有更大的潛力。另外網(wǎng)絡(luò)支持的通信速率上限是，對大型和實(shí)時反饋性能產(chǎn)生一定影響。再者網(wǎng)絡(luò)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(shù)，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(shù)在中的應(yīng)用仍然存在以下技術(shù)難點(diǎn)：低功耗的無線傳輸技術(shù)和協(xié)議，傳感器節(jié)點(diǎn)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(luò)的服務(wù)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(luò)服務(wù)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(wù)器，構(gòu)建了一個系統(tǒng)模型，傳感器節(jié)點(diǎn)使用藍(lán)牙或者技術(shù)實(shí)現(xiàn)單跳通信。他們使用現(xiàn)成的無線傳感

16、器模塊設(shè)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(luò)基礎(chǔ)上建立一個動態(tài)腦電圖和心電圖系統(tǒng)，構(gòu)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(shù)（比如）以降低功耗。歐洲的項(xiàng)目開發(fā)了一個終端節(jié)點(diǎn)到終端節(jié)點(diǎn)的平臺，通過移動通訊系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)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(lán)牙或者網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。這個項(xiàng)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(xiàng)目打算在消費(fèi)電子、運(yùn)動和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域構(gòu)建一個最優(yōu)化的無線通信系統(tǒng)，其中包括構(gòu)建 系 統(tǒng) 框 架、系 統(tǒng) 模 式 和 對 相 關(guān) 技 術(shù) 的 研究。他們重點(diǎn)研究的無線通信信道、協(xié)議和與其他無線網(wǎng)絡(luò)的共存性問題。德國的項(xiàng)目旨在構(gòu)建一個完整的平臺。英國帝國理工大學(xué)對中周圍環(huán)境感知和情景感知進(jìn)行研究；美國加州大學(xué)和伯克利大學(xué)等重點(diǎn)對資源優(yōu)化、可穿戴性和擴(kuò)展性等進(jìn)行研究；中國香港中文大學(xué)等探討了用多種通信方式構(gòu)建混合的，并對中跟蹤技術(shù)和能量感知等進(jìn)行了相關(guān)研究，。結(jié)論本文圍繞的基本概念、傳感器節(jié)點(diǎn)、無線通信技術(shù)等問題給出了較全面的介紹和分析。技術(shù)具有