付 蔚 稅夢玲 王 平

(重慶郵電大學工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點實驗室，重慶 400065)

0 引言

無線傳感網(wǎng)(wireless sensor network，WSN)集合了微電子技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等先進技術(shù)［1－3］，其通過傳感器節(jié)點來監(jiān)測環(huán)境及其他情況。這為監(jiān)護和照顧獨居老人以及家中的認知障礙者、殘疾人、慢性病者、嬰幼兒等提供了解決方案。

傳感器節(jié)點嵌入IP地址是無線傳感網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的必然選擇，而地址資源豐富、地址自動配置、安全性高、移動性好的下一版本互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議IPv6［4］，可滿足無線傳感網(wǎng)在地址和安全等方面的需求。因此互聯(lián)網(wǎng)工程任務組織(IETF)成立了 IPv6 over LR-WPAN(6LoWPAN［5］)工作組，著力于制定基于 IPv6 的低速無線個域網(wǎng)標準，即 IPv6 over IEEE 802.15.4［6］，使傳感器節(jié)點嵌入IP地址成為可能。本文提出基于6LoWPAN無線傳感網(wǎng)的家人健康監(jiān)護及遠程醫(yī)療服務方案，可實現(xiàn)預知疾病、監(jiān)護家人等功能。

1 6LoWPAN家庭無線醫(yī)療傳感網(wǎng)

盡管TCP/IP已經(jīng)發(fā)展得十分成熟并廣泛運行于互聯(lián)網(wǎng)中，但傳感器設(shè)備畢竟不同于通用計算機，它在能量、運算能力及存儲容量等方面受到極大的限制，往往只執(zhí)行特定的功能，而無法在嵌入式設(shè)備上實現(xiàn)完整的TCP/IP協(xié)議棧［7］。因此，傳感網(wǎng)中的傳感器節(jié)點只能運行低功耗輕量級IPv6協(xié)議棧。然而運行輕量級IPv6協(xié)議棧的6LoWPAN無線傳感網(wǎng)并不能與IPv6網(wǎng)絡(luò)通信，因為IPv6主機不能識別6LoWPAN的壓縮、分片與尋址方式。雖然IPv6將會在不久的將來完全替代IPv4，但目前中國絕大多數(shù)接入互聯(lián)網(wǎng)的主機都還是IPv4主機，所以需要解決6LoWPAN無線傳感網(wǎng)與IPv4網(wǎng)絡(luò)的通信問題。在此，采用一種硬件資源相對豐富的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備如網(wǎng)關(guān)，將6LoWPAN包轉(zhuǎn)換成IPv4主機可識別的IPv4包，從而實現(xiàn)6LoWPAN無線傳感網(wǎng)與IPv4網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。基于網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)的家庭無線醫(yī)療傳感網(wǎng)通信示意圖如圖1所示。

使用6LoWPAN組建無線醫(yī)療傳感網(wǎng)絡(luò)，可以提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率、增強安全性。其中，傳感器節(jié)點包括測量體溫、心率、血氧飽和度、血壓、檢測心電、呼吸、睡眠等的傳感器，可根據(jù)監(jiān)護對象情況的不同來選擇。被監(jiān)護者可選擇腕帶式、臂帶式、胸帶式、夾克式等方式［8］佩戴相應的傳感器，在WSN范圍內(nèi)，可靜止也可任意走動(有些傳感器要求在靜止的情況下測量)。這些無線醫(yī)療傳感器運行于精簡的、低功耗的6LoWPNA網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，上電后自動讀取MAC地址，并配置好所需的IPv6地址;采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)如血壓數(shù)據(jù)、心電數(shù)據(jù)等，通過多跳Mesh組網(wǎng)的方法送到網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)處理;最后接入各種承載網(wǎng)絡(luò)(如WiFi、以太網(wǎng)、GSM、3G)，將信息發(fā)送到服務器(服務器設(shè)于每個社區(qū)的醫(yī)療服務中心)。

圖1 通信示意圖Fig.1 Schematic diagram of communication

2 6LoWPAN心電體溫監(jiān)測節(jié)點

傳感器節(jié)點由電源、感知部件、嵌入式處理器、通信部件和相關(guān)軟件等幾個部分組成，各部分相互協(xié)調(diào)，共同完成對外界信息的感知功能。感知部件使用合肥華科電子研究所的HKD-10B單導心電體溫信號采集模塊，可同時測量心電和體溫數(shù)據(jù)，減少了患者佩戴傳感器的數(shù)量，降低了成本。嵌入式處理器采用Atmel公司的一款AVR單片機ATMega2561，其工作主頻達8 MHz，內(nèi)部集成了 256 kB Flash、4 kB EEPROM、8 kB內(nèi)部SRAM，提供了2個串口、1個SPI接口。RF收發(fā)器選用Atmel公司的AT86RF212芯片，與ATMega2561通過SPI接口進行通信，可選擇工作于779～787 MHz的中國WPAN頻段。該芯片具有高達－110 dBm的接收靈敏度，以及高達－10 dBm的可編程發(fā)送輸出功率，能夠提供業(yè)界最佳的120 dB鏈路預算。

HKD-10B信號采集模塊通過佩戴在監(jiān)測者身上的心電電級片和體溫傳感器，采集人體的心電和體溫數(shù)據(jù);在對數(shù)據(jù)進行處理后，通過串口將二進制數(shù)字信號發(fā)送給ATMega2561處理器，ATMega2561將接收到的心電體溫數(shù)據(jù)封裝成幀;最后通過AT86RF212收發(fā)器發(fā)送數(shù)據(jù)幀。其中，ATMega2561處理器運行輕量級6LoWPAN協(xié)議棧，并且使用UDP作為其傳輸層協(xié)議。軟件開發(fā)基于Atmel集成開發(fā)環(huán)境的工程仿真調(diào)試環(huán)境AVR Studio，使用開源的contiki平臺協(xié)議棧軟件進行二次開發(fā)。6LoWPAN技術(shù)底層采用IEEE 802.15.4的物理層和競爭式MAC層，網(wǎng)絡(luò)層采用IPv6協(xié)議。IEEE 802.15.4中定義的最大幀為127 B，MAC包頭最大長度為25 B，而 IPv6的 MAC負載最大長度為1280 B，因此在網(wǎng)絡(luò)層和MAC層之間增加一個網(wǎng)絡(luò)適配層，用來完成報頭壓縮、分片與重組，從而實現(xiàn)MAC層與網(wǎng)絡(luò)層的無縫連接。節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The hardware structure of the node

圖2中省略了電源及外圍電路部分。節(jié)點工作電壓為2.0～3.6 V，支持休眠及喚醒功能，以降低功耗。本文只給出了一種醫(yī)療監(jiān)測節(jié)點的實現(xiàn)，若要實現(xiàn)其他的監(jiān)測功能，只需選擇不同的感知部件，如選用心率傳感器或者血壓測量傳感器，即可實現(xiàn)對心率、血壓的測量。這些6LoWPA網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采集的不同信息，最后都將通過多跳無線通信發(fā)送給基站。

3 6LoWPAN無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)絡(luò)中使用IPv6協(xié)議，可實現(xiàn)IPv6設(shè)備端到端的通信，但由于兼容性的問題，IPv4主機不能與6LoWPAN無線傳感網(wǎng)直接建立連接，因此需要通過網(wǎng)關(guān)來完成IPv6包和IPv4包的轉(zhuǎn)換［9］。IPv4主機、網(wǎng)關(guān)和6LoWPAN無線醫(yī)療傳感網(wǎng)之間的消息流向示意圖如圖3所示。

圖3 消息流向示意圖Fig.3 Schematic diagram of the flow direction of messages

網(wǎng)關(guān)的中央處理器選用韓國三星公司的基于ARM9內(nèi)核的32位嵌入式微處理器 S3C2440A。S3C2440A通過串口與基站節(jié)點(安裝了基站應用程序的節(jié)點)進行通信，收集WSN的數(shù)據(jù)或轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到WSN節(jié)點。為了監(jiān)聽IPv4數(shù)據(jù)包，網(wǎng)關(guān)開始工作時即創(chuàng)建IPv4套接字接口。當收到IPv4數(shù)據(jù)包時，判斷此數(shù)據(jù)包是否需要轉(zhuǎn)發(fā)到無線傳感網(wǎng)。若需要轉(zhuǎn)發(fā)，則對IPv4包頭進行壓縮和解壓，對大的消息進行分片與重組，將其轉(zhuǎn)換成無線傳感網(wǎng)可識別的數(shù)據(jù)包;同理，6LoWPAN數(shù)據(jù)包接口用于接收無線傳感網(wǎng)的消息流，當收到6LoWPAN數(shù)據(jù)包時，將其轉(zhuǎn)換成IPv4數(shù)據(jù)包并發(fā)回IPv4主機。

4 遠程醫(yī)療

城市由許多的社區(qū)組成，社區(qū)又由一戶戶的住宅組成，一個社區(qū)往往會設(shè)立一個社區(qū)醫(yī)療服務中心，幾個社區(qū)又可能會共享多個醫(yī)院，若能有效便捷地利用這些醫(yī)療服務，將會提高人民的生活質(zhì)量。以6LoWPAN家庭無線醫(yī)療傳感網(wǎng)為最小單元，提出的遠程醫(yī)療體系結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 遠程醫(yī)療體系結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Architecture of telemedicine

社區(qū)醫(yī)療服務中心作為整個小區(qū)的數(shù)據(jù)處理中心(每個社區(qū)服務中心設(shè)有專用服務器)，對所屬社區(qū)注冊家庭的醫(yī)療監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理和分析并存儲到數(shù)據(jù)庫，服務器可采用瀏覽器/服務器架構(gòu)。家庭用戶可通過Web服務器接入互聯(lián)網(wǎng)，采用用戶名、密碼登錄社區(qū)醫(yī)療服務網(wǎng)站，即可在任何時間、任何地點在線查詢家人健康記錄。

此外，社區(qū)服務中心網(wǎng)站應提供以下服務:①用戶注冊、信息更改、數(shù)據(jù)下載、銷戶等服務;②用戶可上傳家人健康數(shù)據(jù)，完善用戶家人電子健康檔案;③用戶遠程預約門診，在家接受社區(qū)醫(yī)療機構(gòu)的上門服務;④引導用戶進行自我醫(yī)療的服務，針對用戶測量的各項參數(shù)值，給出科學的建議;⑤對特殊病人提供實時遠程監(jiān)控的服務，若患者出現(xiàn)異常，立刻對患者進行地理定位，醫(yī)護人員趕往現(xiàn)場，并及時通知患者家人;⑥用戶更換居住地，可將用戶數(shù)據(jù)信息移交給用戶新社區(qū)醫(yī)療服務中心進行管理;⑦與用戶要求的醫(yī)院實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)共享的服務。

5 結(jié)束語

IPv6是專為支持安全性(IPsec)(需要AH和ESP報頭的支持)和移動性(移動 IPv6，可選)而設(shè)計的［4，9］。將IPv6應用到WSN中，既滿足了無線傳感網(wǎng)地址和安全方面的需求，又便于醫(yī)療設(shè)備代碼加載升級、地址更新、節(jié)點配置管理、組網(wǎng)管理、狀態(tài)管理。但與此同時，還需在協(xié)議棧的裁減方面作出努力，同時功耗、帶寬消耗，以及能量供應、能量消耗、能量管理等問題也有待解決。相信隨著醫(yī)療傳感器技術(shù)的發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大力推進，遠程醫(yī)療必將為人們帶來更便捷、更安全的醫(yī)療服務。

［1］余子軒.無線傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)的地位和作用［J］.射頻世界，2010(4):54－56.

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