萬喬喬，張俊然，趙 斌

(1.四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都610065;2.廣東醫(yī)學(xué)院 附屬醫(yī)院，廣東 湛江524001)

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)的研究起源于20 世紀(jì)70 年代，是從軍事領(lǐng)域研究開始的，之后，美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目開啟了現(xiàn)代傳感器研究的先河［1］。而通信協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信的基礎(chǔ)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計(jì)目的是為了使具體的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制與上層分離，為傳感器節(jié)點(diǎn)提供自組織的無線網(wǎng)絡(luò)通信功能［1］。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議可按頻段、傳輸距離、發(fā)明年份等多種方式進(jìn)行分類，如按發(fā)明時(shí)間的先后可分為IEEE 802.11 系列(1991年)、通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)(1993 年BT Cellnet 公司提出)、超寬帶(UWB)(1995 年最早提出，2002 年正式商業(yè)化)、藍(lán)牙(1998 年)及Zig Bee(2001 年)，長期演進(jìn)(long term evolution，LTE)(2004 年，首次在日本提出，2009 年12 月，首次使用LTE 網(wǎng)絡(luò)，2011 年，北美運(yùn)營商開始LTE商用)等。每一種協(xié)議的主要應(yīng)用領(lǐng)域不同，對(duì)其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究更是甚少。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議統(tǒng)計(jì)分類

2005～2014 年，EI 數(shù)據(jù)庫收錄無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有通信協(xié)議的文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)量如下:

Zig Bee 為296 篇，IEEE 802.11(WiFi)為111 篇，Bluetooth 為108 篇，UWB 為97 篇，GPS 為85 篇，GPRS 為43 篇，IEEE 802.15 為23 篇，LTE/4G 為19 篇，IEEE 802.16 為9 篇，近場通信(near field communication，NFC)為5 篇，WiMedia 為3 篇，5G 為1 篇，其余為18 篇。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所有通信協(xié)議研究最多的是Zig Bee 協(xié)議，文獻(xiàn)數(shù)量為296 篇，其次是IEEE 802.11系列，Bluetooth，UWB，GPS，GPRS等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，其中GPRS 和前三種協(xié)議是目前應(yīng)用較成熟且在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域比較常見的協(xié)議;UWB 和NFC 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域還處于初期研發(fā)階段，應(yīng)用較少;GPS 和LTE 則更傾向于技術(shù)，且GPS 經(jīng)常和其他協(xié)議聯(lián)合應(yīng)用;部分科研機(jī)構(gòu)針對(duì)某些特殊領(lǐng)域(如海洋通信)和專用無線通信系統(tǒng)(如，小型衛(wèi)星通信、移動(dòng)機(jī)器人)設(shè)計(jì)的非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議總共18 篇;而處在研發(fā)階段的協(xié)議主要是IEEE 802.15，IEEE 802.16，WiMedia，5G。對(duì)于IEEE 802.11，Bluetooth，Zig Bee 和GPRS 這四種主流協(xié)議的對(duì)比和分類介紹見圖1。

圖1 對(duì)比分析四種主流協(xié)議不同應(yīng)用領(lǐng)域的文獻(xiàn)計(jì)量Fig 1 Contrast analysis on 4 primary protocols in different application fields

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的應(yīng)用領(lǐng)域分析

2.1 Zig Bee 協(xié)議

對(duì)Zig Bee 在不同領(lǐng)域的應(yīng)用分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果為:工業(yè)自動(dòng)控制為90 篇，家庭和樓宇為64 篇，公共場所為61 篇，農(nóng)業(yè)控制為33 篇，醫(yī)療領(lǐng)域?yàn)?6 篇，商業(yè)領(lǐng)域?yàn)?2 篇。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:Zig Bee 通信協(xié)議在無線工業(yè)自動(dòng)控制、家庭和樓宇控制、農(nóng)業(yè)控制(如無線數(shù)據(jù)采集等)、醫(yī)療系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用都較為廣泛，其在醫(yī)療系統(tǒng)的主要應(yīng)用體現(xiàn)在病人監(jiān)護(hù)、醫(yī)護(hù)保健、生物醫(yī)學(xué)工程、生物醫(yī)學(xué)傳感器及醫(yī)學(xué)影像等方面。文獻(xiàn)［2～4］基于Zig Bee 協(xié)議，組建了溫度環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過程表明:該系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定，且有效地簡化了現(xiàn)場設(shè)備安裝與拆移等過程;文獻(xiàn)［5，6］基于了Zig Bee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)，將Zig Bee 技術(shù)和穿戴式傳感器結(jié)合，構(gòu)建了Zig Bee 個(gè)人監(jiān)護(hù)網(wǎng)，負(fù)責(zé)采集心電、脈搏波、血氧容積液、呼吸等4 個(gè)重要生理參數(shù)，再利用家用電腦將波形數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)，并向遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)中心傳送數(shù)據(jù)，供醫(yī)生遠(yuǎn)程分析、診斷［7］。

2.2 藍(lán)牙協(xié)議

通過分析圖1，可以看出:藍(lán)牙通信協(xié)議(按目前藍(lán)牙產(chǎn)品的具體應(yīng)用分類［8］)主要應(yīng)用在手機(jī)和電腦、醫(yī)療保健、嵌入式設(shè)備(如家用電器)、其他數(shù)字設(shè)備(攝影機(jī)、照相機(jī))等領(lǐng)域。對(duì)比其他協(xié)議，藍(lán)牙在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用最多，鑒于此，本文對(duì)藍(lán)牙在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)出文獻(xiàn)較多的刊物及其相應(yīng)的文獻(xiàn)數(shù)進(jìn)行計(jì)量分析，見表1。

表1 結(jié)果表明:美國的《IEEE－EMBS》會(huì)議集錄產(chǎn)出藍(lán)牙通信協(xié)議在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的文獻(xiàn)數(shù)量最多，總共22篇，并在2011 年產(chǎn)出的文獻(xiàn)最多。通過對(duì)來源期刊的計(jì)量分析，可以幫助對(duì)此領(lǐng)域有興趣的研究者快速有效地查閱相關(guān)資料，也便于此領(lǐng)域的專家有針對(duì)性地開展學(xué)術(shù)交流活動(dòng)，從而擴(kuò)大此領(lǐng)域研究成果的影響范圍。

表1 藍(lán)牙在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域出版文獻(xiàn)較多的刊物與相應(yīng)的文獻(xiàn)數(shù)計(jì)量分析Tab 1 More journals published literature of Bluetooth in field of medicine and corresponding literature numbers quantitative analysis

藍(lán)牙在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域協(xié)議有代表性的應(yīng)用成果有:文獻(xiàn)［9］基于藍(lán)牙協(xié)議，設(shè)計(jì)了一種專門針對(duì)殘疾人的智能家居系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在距離主控器25 m 范圍內(nèi)，此系統(tǒng)的每個(gè)開關(guān)都可以成功地作用;文獻(xiàn)［10］設(shè)計(jì)了一種多生理參數(shù)檢測系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:藍(lán)牙無線傳輸系統(tǒng)可以對(duì)多生理參數(shù)完成可靠無創(chuàng)傳輸;文獻(xiàn)［11～13］基于藍(lán)牙建立了一種無線監(jiān)控醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)，使便攜式健康監(jiān)護(hù)儀和智能手機(jī)之間形成暢通的信息反饋系統(tǒng)。

2.3 IEEE 802.11 系列

IEEE 802.11 系列的應(yīng)用主要體現(xiàn)在無線上網(wǎng)、交通等方面，最佳應(yīng)用領(lǐng)域是以手機(jī)和筆記本為主的無線局域網(wǎng)，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用較少;在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域比較有代表性的是:文獻(xiàn)［14］利用IEEE 802.11b 較高的傳輸速率(實(shí)際傳輸速率可達(dá)4 ～5 Mbps)，通過采用無線橋接模式，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)院集團(tuán)與下級(jí)醫(yī)院、社區(qū)醫(yī)院及健康中心之間的數(shù)據(jù)共享、醫(yī)院信息化管理、健康保健中心的遠(yuǎn)程醫(yī)療等功能。

2.4 GPRS 協(xié)議

基于GPRS，目前以LTE 網(wǎng)絡(luò)為主的4G LTE 的出現(xiàn)大大地推動(dòng)了可穿戴式醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展［15～17］，這種遠(yuǎn)距離通信技術(shù)使得遠(yuǎn)程監(jiān)控被試生理狀況成為可能，如，Maxine Integrated 試制出了能夠測量生命體特征的T 恤“Fit 衫”，F(xiàn)it 衫利用內(nèi)嵌的傳感器來測量心電圖、體溫及用戶活動(dòng)量等，供醫(yī)療機(jī)構(gòu)持續(xù)監(jiān)測患者的生命體征。不僅國外，國內(nèi)于2013 年6 月底出現(xiàn)了首款可穿戴式醫(yī)療設(shè)備“魔豆”，戴在脖子上，白天可以監(jiān)測人們的運(yùn)動(dòng)類型和運(yùn)動(dòng)量，晚上可以監(jiān)測睡眠狀態(tài)。文獻(xiàn)［18］研制了一種基于GPRS 的針對(duì)兒童監(jiān)護(hù)的腕帶式裝置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:此裝置不受地域限制，使得兒童在發(fā)生意外或疾病時(shí)能夠?qū)崟r(shí)采集兒童生理信號(hào)，并通過GPRS 模塊將此信號(hào)傳到父母手機(jī)端，使得兒童及時(shí)得到救助。

3 各協(xié)議在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)

目前，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域常見的無線通信協(xié)議有Bluetooth，Zig Bee，GPRS，IEEE 802.11，主要應(yīng)用在病人監(jiān)護(hù)、醫(yī)療保健、生物醫(yī)學(xué)工程等方面。

對(duì)各協(xié)議在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)來說:2005 ～2012 年國內(nèi)外藍(lán)牙通信協(xié)議在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展處于上升趨勢(shì)，2012 年以后，呈下降趨勢(shì);Zig Bee 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展較為平穩(wěn);GPRS 自2008 年起有嚴(yán)重的下降趨勢(shì)(這可能和3G 通信技術(shù)、4G—LTE 技術(shù)的應(yīng)用和替代相關(guān));IEEE 802.11 的發(fā)展趨勢(shì)很不穩(wěn)定，自2005 年至今，呈波谷、波峰、波谷、波峰的趨勢(shì))，最近3 年又呈下降趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各通信協(xié)議來說，每一種協(xié)議都專長于特定應(yīng)用，在各自的小領(lǐng)域存在優(yōu)勢(shì);但是同一協(xié)議不同版本(發(fā)布方、年份不同)之間還存在版本兼容性問題，各不同協(xié)議之間存在著較大的兼容性和版本競爭問題.而在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)各協(xié)議的研究還處于初級(jí)階段，存在著較大的發(fā)展空間;如目前還沒有一個(gè)專門應(yīng)用于某一狹小醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的主導(dǎo)協(xié)議，尤其是在近幾年興起的遠(yuǎn)程大容量影像數(shù)據(jù)傳輸和人體傳感器網(wǎng)絡(luò)(BSN)［19～22］領(lǐng)域，一方面研究者需要考慮目前提出的新協(xié)議(NFC，UWB)是否可用，另一方面，研究者還需考慮自行設(shè)計(jì)針對(duì)這一領(lǐng)域的主導(dǎo)協(xié)議。

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