陳文

[編者按]無(wú)線體域網(wǎng)是個(gè)人健康信息采集與傳輸?shù)闹匾夹g(shù)手段之一，具有重要現(xiàn)實(shí)意義和產(chǎn)業(yè)化前景，受到工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和標(biāo)準(zhǔn)化組織的廣泛關(guān)注。另外，IEEE 802.15.6 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是目前國(guó)際上公認(rèn)的一款適用于健康信息采集的未來(lái)超短距無(wú)線體域網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。講座將分3期對(duì)該技術(shù)進(jìn)行介紹：第1期講述無(wú)線體域網(wǎng)的背景、研究動(dòng)態(tài)和技術(shù)特征;第2期對(duì)無(wú)線體域網(wǎng)的頻段選取、信道建模、MAC層協(xié)議、通信技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)特征進(jìn)行介紹;第3期介紹無(wú)線體域網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集和應(yīng)用場(chǎng)景問(wèn)題。

中圖分類號(hào)：TP393 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號(hào)：1009-6868 （2014） 06-0057-03

9 無(wú)線體域網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無(wú)線體域網(wǎng)（WBAN）的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)按照其與人體位置的分布可大致分為4類：

（1）分布在人體體表的傳感器節(jié)點(diǎn)，通常為可穿戴式，如心動(dòng)電流描記儀、集成化脈搏傳感器、體溫傳感器、指環(huán)式心率感知器、脈搏率檢測(cè)傳感器。

（2）植入人體體內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)，如心臟起搏器、胰島素泵。

（3）置于人體內(nèi)膜表面的傳感器節(jié)點(diǎn)、位于人體周圍較近距離的傳感器節(jié)點(diǎn)（即可吸入的傳感器節(jié)點(diǎn)），如吸入式藥丸攝像機(jī)、吸入式藥丸溫度測(cè)量?jī)x。

（4）位于人體周圍較近距離的傳感器節(jié)點(diǎn)，如腦電圖掃描儀。

無(wú)線體域網(wǎng)的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)按其監(jiān)測(cè)目的可大致分為5類：

（1）位移傳感器，用以監(jiān)測(cè)血管內(nèi)外徑，心房、心室尺寸，骨骼肌、平滑肌的收縮等。

（2）速度傳感器，主要用于測(cè)量血流速度、排尿速度、分泌速度、呼吸氣流速度等。

（3）振動(dòng)（加速度）傳感器，應(yīng)用于監(jiān)控各種生理病理聲音，如心音、呼吸音、血管音，搏動(dòng)，震顫等。

（4）力傳感器，應(yīng)用于檢測(cè)肌收縮力、咬合力、骨骼負(fù)荷力、粘滯力等

（5）壓強(qiáng)傳感器，主要用于測(cè)量血壓、眼壓、心內(nèi)壓、顱內(nèi)壓、胃內(nèi)壓、膀胱內(nèi)壓、子宮內(nèi)壓等。

此外，還有流量傳感器、溫度傳感器、電學(xué)傳感器、輻射傳感器、光學(xué)傳感器等。

在無(wú)線體域網(wǎng)系統(tǒng)中，將上述的各種傳感器與無(wú)線收發(fā)芯片及MCU芯片集成，設(shè)計(jì)超低功耗、傳輸速率高、安全可靠的終端及中繼節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的核心。

9.1 基于無(wú)線體域網(wǎng)的天線形式及

分析與設(shè)計(jì)

基于無(wú)線體域網(wǎng)的天線形式及分析與設(shè)計(jì)的主要目的是考察人體組織的電磁特性，分析人體組織對(duì)天線特性的影響，選擇合理的天線形式及布置方式，提高信號(hào)傳輸效率，降低吸收率（SAR）。實(shí)現(xiàn)體內(nèi)及體表天線快速、精確的分析與優(yōu)化設(shè)計(jì);降低天線載體不確定性及測(cè)試環(huán)境的影響，尋找合理的橫向、縱向性能比較方式，提高天線測(cè)試方法的精確性與客觀性;結(jié)合小型化、高效率、低SAR值等要求，設(shè)計(jì)適用于血壓計(jì)、心電圖儀、腦電圖儀、膠囊胃腸鏡以及網(wǎng)關(guān)等無(wú)線體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的一體化天線。每個(gè)節(jié)點(diǎn)依據(jù)功能不同，可分為單工/雙工，都需要發(fā)射無(wú)線信號(hào)，都需要天饋系統(tǒng)來(lái)完成微波信號(hào)的放大/接收。一般的射頻器件體積較大，難于滿足要求，需要把天線和微波射頻器件一體化設(shè)計(jì)，減小體積，降低損耗。

9.2 雙向通信的中繼及超低功耗的

終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

雙向通信的中繼及超低功耗的終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的主要目的是實(shí)現(xiàn)多個(gè)人體醫(yī)療數(shù)據(jù)采集無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，同時(shí)接受協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制命令幀。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可以和上位機(jī)連接，通過(guò)Internet與遠(yuǎn)程控制中心連接，也可通過(guò)節(jié)點(diǎn)上的Wi-Fi模塊或GPRS/3G模塊以無(wú)線的方式連接遠(yuǎn)程控制中心。當(dāng)醫(yī)療采集傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)時(shí)，它們的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸會(huì)通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行。中繼節(jié)點(diǎn)本身不產(chǎn)生數(shù)據(jù)，只轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電，為節(jié)省功耗，節(jié)點(diǎn)采用休眠模式。

9.3 醫(yī)療監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

醫(yī)療監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的主要目的是實(shí)現(xiàn)人類的醫(yī)療數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，特別是患者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)一直是比較大的挑戰(zhàn)。因?yàn)楸仨殢姆浅４蟮墓材ｋ妷杭霸肼曋刑崛〕龇浅Ｎ⑷醯碾娦盘?hào)。以心電圖采樣傳感器為例，由于心臟壁收縮所引起的動(dòng)作電勢(shì)將電流由心臟傳播到整個(gè)人體，所傳播的電流在人體的不同部位產(chǎn)生不同的電勢(shì)，通過(guò)電極可以在人體體表感應(yīng)得到。該電勢(shì)屬于交流信號(hào)，帶寬為0.05～100 Hz，有時(shí)還能高達(dá)l kHz。而電勢(shì)通常處于1 mV的峰峰值，并夾雜于大量的外部高頻噪聲中。該噪聲將產(chǎn)生50/60 Hz的固有模式干擾（與電極信號(hào)混淆）以及共模模式電壓干擾（共模至所有電極信號(hào)）。心電信號(hào)具有如下主要特征：

·微弱性：人體體表的心電信號(hào)很微弱，一般只有0.05～5 mV。在采樣中必須通過(guò)放大器適當(dāng)放大，同時(shí)必須進(jìn)行濾波等抗干擾處理。

·低頻特性：人體心電信號(hào)的頻譜范圍在0.05～100 Hz，頻率比較低。

·高阻抗特性：作為心電的信號(hào)源，人體源阻抗一般較大，可達(dá)幾千歐姆至幾十千歐姆，這將給心電提取放大帶來(lái)誤差和失真。

由于其輸入阻抗很高，容易受到噪聲的干擾，因此需要設(shè)計(jì)如何盡可能屏蔽輸入回路及裸露的小信號(hào)部分。否則噪聲將竄入信號(hào)輸入模塊，使得波形帶有較多的噪聲。另外，心電圖采樣傳感器內(nèi)含精密放大器和高精度模數(shù)變換器，在電路設(shè)計(jì)的時(shí)候需要考慮電源的濾波，并且采用對(duì)電源噪聲不敏感的電路結(jié)構(gòu)，還需使得電源有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，并且有盡可能小的紋波。

除心電圖（ECG）采集無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)外，血壓測(cè)量、脈搏及血氧測(cè)量無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)等的設(shè)計(jì)還有其不同的特征。其中血壓測(cè)量傳感器節(jié)點(diǎn)將由ARM公司的MCU、電磁氣閥、充氣袖袋、壓力傳感器、放大電路、數(shù)據(jù)采集電路、無(wú)線傳輸模板等構(gòu)成，而脈搏血氧模塊中的傳感器單元擬采用雙光束脈搏測(cè)量探頭來(lái)設(shè)計(jì)。這些傳感器所采集到的數(shù)據(jù)將會(huì)通過(guò)前述的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)測(cè)中心或遠(yuǎn)程醫(yī)療中心。

10 無(wú)線體域網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)

無(wú)線體域網(wǎng)中傳感器節(jié)點(diǎn)（或設(shè)備）所要監(jiān)控的人體（生理）信號(hào)分為3類[11-14]：

（1）連續(xù)型時(shí)變生理信號(hào)

一般為各種波形居多，如肌電圖和脈搏波等，對(duì)應(yīng)的傳感器（設(shè)備）包括腦電圖掃描儀、視覺傳感器、聽覺傳感器、心動(dòng)電流儀、心電圖儀、聚偏二氟乙烯（PVDF）壓電脈象傳感器、心臟起搏器和吸入式藥丸攝像機(jī)。

（2）離散型時(shí)變生理信號(hào)

如體溫、血壓和血氧飽和度等生理參數(shù)值，對(duì)應(yīng)的傳感器（設(shè)備）包括吸入式藥丸溫度測(cè)量?jī)x、胰島素泵、肺功能傳感器、葡萄糖檢測(cè)傳感器、出汗量檢測(cè)傳感器、指環(huán)式心率感知器、血氧飽和度傳感器、體溫傳感器、非入侵血壓監(jiān)測(cè)儀和脈搏率檢測(cè)傳感器。

（3）人體活動(dòng)及動(dòng)作信號(hào)

用于監(jiān)控病人的日?；顒?dòng)或人體活動(dòng)，對(duì)應(yīng)的傳感器包括人體活動(dòng)傳感器、加速度傳感器、動(dòng)作傳感器、耳戴式活動(dòng)識(shí)別傳感器和螺旋儀。

對(duì)于無(wú)線體域網(wǎng)數(shù)據(jù)融合框架的設(shè)計(jì)需要完成以下功能：

（1）對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸量的控制

由于進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收時(shí)對(duì)于電能的消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于進(jìn)行運(yùn)算所消耗的電能，因此需要對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行控制。而對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸量的控制是在保證系統(tǒng)能正常正確運(yùn)行的前提下進(jìn)行。

（2）對(duì)于融合算法的要求

對(duì)于不同類型節(jié)點(diǎn)需要采取不同的數(shù)據(jù)融合算法，例如對(duì)于采集節(jié)點(diǎn)處的融合算法必須簡(jiǎn)單，需要不影響到數(shù)據(jù)采集，不會(huì)導(dǎo)致未進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)積壓的情況出現(xiàn)，而對(duì)于簇頭節(jié)點(diǎn)乃至匯聚節(jié)點(diǎn)，是進(jìn)行功能性的融合，需要解決數(shù)據(jù)正確性和對(duì)命題支持性程度的融合。

（3）數(shù)據(jù)融合過(guò)程中需要重視上下文信息的作用

上下文感知會(huì)對(duì)被監(jiān)護(hù)者的狀態(tài)進(jìn)行判斷，例如利用監(jiān)護(hù)者身上體動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)可以判斷出被監(jiān)護(hù)者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即靜止、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之一，這些狀態(tài)值會(huì)對(duì)生理指標(biāo)產(chǎn)生影響，最終也會(huì)影響到融合的結(jié)果。

采集節(jié)點(diǎn)處采集到的數(shù)據(jù)類型有3種：正常數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)以及異常數(shù)據(jù)。

（1）正常數(shù)據(jù)

正常數(shù)據(jù)是指符合采集對(duì)象數(shù)值變化的規(guī)律性以及變化趨勢(shì)的數(shù)據(jù)。例如人的體溫，正常人值一般在36～37 ℃左右，不同個(gè)體之間存在少許差異，而且受內(nèi)、外因素的影響會(huì)有一些波動(dòng)，下午體溫比早晨體溫要稍高一點(diǎn)，劇烈運(yùn)動(dòng)或者進(jìn)餐以后體溫也會(huì)略微升高，但是波動(dòng)范圍一般不會(huì)超過(guò)1 ℃。

（2）錯(cuò)誤數(shù)據(jù)

錯(cuò)誤數(shù)據(jù)一般由傳感器節(jié)點(diǎn)的失效或者環(huán)境惡劣等因素引起，正常的傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，偏離正常的數(shù)據(jù)范圍;失效的傳感器節(jié)點(diǎn)也會(huì)產(chǎn)生任意的讀數(shù)，這兩種數(shù)據(jù)都是錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。錯(cuò)誤數(shù)據(jù)是沒有規(guī)律的，具有任意性。

（3）異常數(shù)據(jù)

異常數(shù)據(jù)是除了正常數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)以外的數(shù)據(jù)，這時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)可以正常采集數(shù)據(jù)，沒有失效，但是采集到的數(shù)據(jù)不是在正常范圍之內(nèi)，比如發(fā)燒會(huì)導(dǎo)致溫度高于正常范圍等等。這種數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是具有短暫性，短時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)脫離正常范圍，例如發(fā)燒的時(shí)候體溫高于正常范圍，退燒以后體溫又會(huì)回到正常范圍。

11 無(wú)線體域網(wǎng)的典型應(yīng)用

場(chǎng)景

無(wú)線體域網(wǎng)的最典型應(yīng)用是在醫(yī)療領(lǐng)域，包括人體傳感器網(wǎng)絡(luò)和人體（健康）狀況監(jiān)控等。人體傳感器主要是采集人體的一些重要的數(shù)據(jù)信息，如心率、腦電圖（EEG）、心電圖（ECG）、體溫、血壓，以及某些化學(xué)物質(zhì)的水平，如血液中的氧氣和藥物等數(shù)據(jù)傳送到控制中心，控制中心分析這些數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步判斷被監(jiān)測(cè)人體的身體狀況。目前研究認(rèn)為，人體上或者內(nèi)部大約可以部署10～20個(gè)各類傳感器。由于傳送的大部分為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因此所要求的數(shù)據(jù)傳輸速率比較低，一般低于10 kb/s。人體感應(yīng)及保健醫(yī)療傳感器通過(guò)生命體征/音頻/視頻信號(hào)供長(zhǎng)期的個(gè)人健康狀況檢測(cè)。最常見的場(chǎng)景為醫(yī)院中監(jiān)測(cè)重癥病人、醫(yī)院外監(jiān)測(cè)普通病人以及監(jiān)控老人的身體狀況。以無(wú)線的方式監(jiān)測(cè)病人，病人可以擺脫有線儀器的困擾，可以給醫(yī)院和病人帶來(lái)極大的便利。醫(yī)院病人的監(jiān)控一般采用星型拓?fù)?，?shù)據(jù)信息傳送到病人身邊的監(jiān)控器，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，該監(jiān)控器能發(fā)出警報(bào)。此外，在醫(yī)院外部或者家里對(duì)病人或老人的監(jiān)測(cè)和醫(yī)院里采用的拓?fù)涫且粯拥?，所不同的是：監(jiān)控器被一個(gè)數(shù)據(jù)收集器或者網(wǎng)關(guān)所取代，如PDA、手機(jī)等。這樣，在人體身上構(gòu)建一個(gè)微型的無(wú)線體域網(wǎng)，病人就可以自己監(jiān)控自己的身體狀況，并及時(shí)將身體狀況信息通過(guò)現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)/Wi-Fi傳送到遠(yuǎn)程的監(jiān)控中心。由此可見，無(wú)線體域網(wǎng)是無(wú)處不在的醫(yī)療保健網(wǎng)絡(luò)的一部分，可以通過(guò)廣域空中接口連接到后端醫(yī)療保健機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)施，給病人帶來(lái)更大的自由空間，提高了效率和監(jiān)控的實(shí)時(shí)性。

除了在醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用之外，無(wú)線體域網(wǎng)在人們的日常生活中也起著重要的作用?，F(xiàn)今社會(huì)，殘疾病人越來(lái)越受到關(guān)注，無(wú)線體域網(wǎng)在殘疾人群中備受歡迎。如在一個(gè)眼疾病人的身上穿戴一個(gè)無(wú)線體域網(wǎng)，就可以為該病人實(shí)時(shí)地提供路況信息，提供導(dǎo)航和定位功能。對(duì)于一個(gè)耳聾病人，在公共場(chǎng)所，如地鐵或公交上，無(wú)線體域網(wǎng)可以將聲音放大或者將信息通過(guò)身體上的小顯示器顯示出來(lái)供病人查看。電子支付是無(wú)線體域網(wǎng)用于殘疾病人的另外一種應(yīng)用場(chǎng)景。當(dāng)盲人乘坐地鐵或者去超市購(gòu)物，在超市或地鐵的出入口處安置具有體域網(wǎng)功能的傳感器，當(dāng)盲人出入時(shí)，身體上的中央控制單元就會(huì)檢測(cè)到盲人靠近出入口處的傳感器，中央控制器就會(huì)把盲人的電子支付卡信息傳遞到足部傳感器，然后這些信息通過(guò)足部傳感器傳遞到出入口處的傳感器，這樣出入口處的傳感器就可以檢測(cè)并驗(yàn)證盲人的信用卡信息，從而提供更快更便捷的服務(wù)。

無(wú)線體域網(wǎng)除了幫助殘疾病人解決生活上的不便以外，還可以為更多的人提供諸如體育運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)，危險(xiǎn)區(qū)域信息監(jiān)測(cè)等。在比較危險(xiǎn)的場(chǎng)合，如消防、探險(xiǎn)及軍事場(chǎng)合，通過(guò)無(wú)線體域網(wǎng)可以提供警示信息，從而可以及時(shí)采取對(duì)抗措施，避免不必要的人員傷亡。如消防員出入高溫、有毒氣體的環(huán)境，如果溫度和有毒氣體的濃度超出危險(xiǎn)閾值，攜帶在身體上的設(shè)備就會(huì)發(fā)出警示信息，提示消防員該采取什么措施急救;登高探險(xiǎn)員，在高原缺氧環(huán)境下也可以攜帶無(wú)線體域網(wǎng)設(shè)備，用來(lái)提示空氣的稀疏度對(duì)人體的危害;通過(guò)無(wú)線體域網(wǎng)還可以將重要的軍事情報(bào)發(fā)送到控制中心或者遠(yuǎn)程指揮軍隊(duì)作戰(zhàn)。在運(yùn)動(dòng)員身上構(gòu)建人體域網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練時(shí)的身體狀況，以控制訓(xùn)練的強(qiáng)度。這些應(yīng)用在我們的日常生活中起著不可或缺的作用。

無(wú)線體域網(wǎng)技術(shù)除了醫(yī)療和保健中的應(yīng)用，近年來(lái)已逐步向其他領(lǐng)域發(fā)展。在娛樂(lè)、體育運(yùn)動(dòng)、軍事、建筑等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。目前已有的無(wú)線交互舞蹈表演系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)反應(yīng)時(shí)的測(cè)量系統(tǒng)、戰(zhàn)士生理狀態(tài)監(jiān)控及救助、真實(shí)環(huán)境下防跌倒監(jiān)控等都是比較成功的例子。當(dāng)今，航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，也使得無(wú)線體域網(wǎng)有了重要的應(yīng)用空間。我們可以設(shè)想，在航天員的身上安置一個(gè)無(wú)線體域網(wǎng)，在太空倉(cāng)的某些設(shè)備裝置無(wú)線體域網(wǎng)的傳感器，這樣可以將一些重要的航空信息及宇航員的身體狀況通過(guò)衛(wèi)星通信的方式返回到地面的控制中心。當(dāng)前的登月計(jì)劃為人體域網(wǎng)絡(luò)提供了廣闊的應(yīng)用空間。

隨著傳感器技術(shù)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線體域網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)在今后的醫(yī)療領(lǐng)域、健康監(jiān)控、體育運(yùn)動(dòng)及娛樂(lè)、軍事及航空航天領(lǐng)域等有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，其社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益都是非常可觀的。 ? （續(xù)完）

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