陳遠波, 李　青, 王燕杰, 申屠南瑛

(中國計量學院 機電工程學院，浙江 杭州 310018)

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基于WSNs的醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測系統設計*

陳遠波, 李青, 王燕杰, 申屠南瑛

(中國計量學院 機電工程學院，浙江 杭州 310018)

摘要:針對傳統醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測系統現場布線難、設備移動性差、測量精度不高的問題，提出了一種基于無線傳感器網絡(WSNs)技術的醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測系統，并詳細介紹了該系統的結構、通信機制及軟件實現流程。系統由無線傳感器節(jié)點依據無線通信機制形成WSNs。在分析影響WSNs能耗的主要因素和現有節(jié)能技術基礎上，提出了一種基于能量均衡的數據可靠傳輸算法,即動態(tài)能量管理分簇算法(DPMCA)，該算法把DPM技術和CA有效結合，有效解決了傳統醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測系統中存在的問題。

關鍵詞：無線傳感器網絡； 環(huán)境監(jiān)測系統； 能量均衡； 數據可靠性傳輸

0引言

繼互聯網和移動網絡之后，物聯網成為信息科技的第三波浪潮，無線傳感器網絡(wireless sensor networks,WSNs)技術將在物聯網中起到舉足輕重的作用[1],并引起了人們越來越多的關注。近幾年，短距離無線通信技術得到快速發(fā)展，被廣泛應用于無線環(huán)境監(jiān)測中，然而如何實現一種低成本，易于維護與擴展，測量精度高，可靠實用并適合我國國情的醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測系統，仍是亟待解決的實際問題。

本文提出了一種基于WSNs的醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測系統，通過軟硬件相結合實現了醫(yī)院環(huán)境的溫度、濕度以及光照強度等數據的實時監(jiān)測。在分析影響WSNs能耗的主要因素和現有節(jié)能技術基礎上，本文提出了一種基于能量均衡的數據可靠傳輸算法[2],即動態(tài)能量管理分簇算法(dynamic power management clustering algorithm,DPMCA)，該算法把DPM技術[3]和CA有效結合。實驗與仿真結果顯示：該算法有效實現了網絡能量均衡、延遲了WSNs的生命周期，提高了醫(yī)院環(huán)境監(jiān)控系統的數據傳輸可靠性。

1醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測系統方案設計

系統在醫(yī)院樓道、科室單元設置匯聚節(jié)點，以環(huán)境監(jiān)測裝置為單個節(jié)點，在樓層內采用無線網絡把節(jié)點的讀數集中到位于樓層底部或中部的匯聚節(jié)點，然后由匯聚節(jié)點經過處理后通過醫(yī)院內網或短信方式發(fā)送到監(jiān)控中心。系統主要由三部分組成：1)安裝在樓道、科室單元中有無線數據傳輸功能的環(huán)境監(jiān)測裝置(無線傳感器節(jié)點)；2)安裝在樓層內的匯聚節(jié)點；3)上位機顯示部分。整個醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測系統總體結構如圖1所示。

圖1　醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測系統總體結構Fig 1　Overall structure of hospital environment monitoring system

環(huán)境監(jiān)測裝置作為傳感器節(jié)點，它是采用自組織方式[4]進行組網并利用無線通信技術進行數據轉發(fā)，節(jié)點都具有數據采集與數據轉發(fā)雙重功能。節(jié)點對本身采集到的信息和其他節(jié)點轉發(fā)給它的信息進行初步的數據處理之后以相鄰節(jié)點接力傳送的方式傳送到匯聚節(jié)點，然后通過匯聚節(jié)點以醫(yī)院內網、短信等方式傳送給監(jiān)控中心，通過上位機實時顯示醫(yī)院環(huán)境的溫度、濕度以及光照強度等數據。

2系統硬件設計

醫(yī)院環(huán)境實時無線監(jiān)測節(jié)點(圖2)由微處理器、傳感器、存儲器、無線通信模塊、電源模塊等主要模塊組成。在系統中，處理器采用STC10L系列單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機。無線通信模塊采用的是CC1101模塊[5]，該模塊一種低成本真正單片的UHF收發(fā)器，基于0.18 mm CMOS晶體的Chipcond的SmartRF 04技術，性能穩(wěn)定、高靈敏度且功耗低，可確保短距離通信的有效性和可靠性。電源模塊主要為節(jié)點和其它模塊提供正常工作所必須的能源;傳感器模塊主要用于感知、獲取監(jiān)測區(qū)域信息,然后由A/D轉換器把模擬量轉換成微處理器能夠接收的數字量,并傳送到微處理器；微處理器主要作用就是對接收信息進行處理和對各節(jié)點工作進行協調；無線收發(fā)模塊負責與其他節(jié)點傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數據。

圖2　醫(yī)院環(huán)境實時無線監(jiān)控節(jié)點結構Fig 2　Structure of hospital environment real-timewireless monitoring node

傳感器節(jié)點與匯聚節(jié)點在硬件設計上主要在電源模塊部分和無線通信模塊部分[6]。傳感器節(jié)點基本靠電池供電，主要負責采集數據和一定的轉發(fā)相鄰節(jié)點數據的任務，所以,通過使它大部分時間處于休眠狀態(tài)來延長節(jié)點的壽命；匯聚節(jié)點不僅需要采集數據，而且負責網絡建立與發(fā)出各種命令、匯聚終端節(jié)點傳感器節(jié)點發(fā)送過來的數據并上傳至監(jiān)控中心，所以，硬件設計上需要增加存儲器并采用電源供電，這樣可以有效地維護系統的穩(wěn)定性和可靠性。

3系統軟件設計

由于傳感器節(jié)點能量有限，如何有效地做到網絡能量均衡，延長WSNs的生命周期，提高數據可靠傳輸是設計WSNs的一個重要問題。在分析影響WSNs能耗的主要因素和現有節(jié)能技術基礎上，本文提出了DPMCA，該算法把DPM技術和CA有效結合。

3.1DPM節(jié)能技術

DPM是一種能夠有效降低系統能耗而又不影響系統性能的方法[7]。在低功耗硬件設備基礎上,DPM技術可以進一步減少能量消耗,延長電池工作時間。節(jié)點周圍如果沒有要處理的事件發(fā)生,一部分模塊就會處于空閑狀態(tài),這時也可以讓這些模塊停止工作或讓其處于休眠狀態(tài)。為了能夠使功耗最小,通過軟件設計DPM狀態(tài)，根據外部任務和內部狀態(tài)實時動態(tài)地改變系統的工作功率狀態(tài)。無線通信鏈路質量與節(jié)點間無線通信能力密切相關。鏈路質量可以通過包接收率(packet reception ratio,PRR)直接度量，也可以用接收信號強度指示( received signal strength indication，RSSI)和鏈路質量指示(link quality indication,LQI)兩個參數來評估,而且兩者之間的關系式可以用式(1)表示[8]

RSSI=-(81-91LQI/255).

(1)

隨著環(huán)境的不同，門限值也會發(fā)生變化，一旦達到某個門限值,鏈路都可以達到一個理想的PRR，因此，使用RSSI值來評估鏈路質量，獲得維持最小連通度的RSSI值。

3.2DPMCA

為了便于研究，本文進行如下假設：

1)假設網絡內所有節(jié)點的地位都是平等的,在初始狀態(tài)下,所有節(jié)點都具有相同能量,其能量管理策略釆用動態(tài)能量管理,而且還具有自適應調整發(fā)射功率的能力。如果獲得對方發(fā)射功率,節(jié)點能夠根據RSSI計算出通信距離[9]。

2)假設所有節(jié)點不僅ID標識是唯一的,而且還具有獲取其他節(jié)點ID標識的能力。

借鑒LEACH的一些基本思想，并以循環(huán)方式隨機選擇簇頭，提出了一種應用于中小規(guī)模WSNs的DPMCA,而匯聚節(jié)點與普通傳感器節(jié)點的軟件實現存在一定的區(qū)別，匯聚節(jié)點的軟件實現流程圖如圖3所示，普通傳感器節(jié)點軟件實現流程圖如圖4所示。

圖3　匯聚節(jié)點軟件流程圖Fig 3　Flow chart of software in sink node

圖4　普通節(jié)點軟件流程圖Fig 4　Flow chart of software in normal node

1)在初始階段：簇頭比例和第一次簇頭節(jié)點的選舉由匯聚節(jié)點統一確定,剩下各輪簇頭節(jié)點通過新一輪選舉產生。為了能夠使簇頭達到最優(yōu),在監(jiān)測面積和傳感器節(jié)點總數目已經確定的情況下采用遺傳算法[10]對簇頭進行優(yōu)化。

2)簇頭的形成：監(jiān)測區(qū)域被統一劃分成若干個簇,匯聚節(jié)點根據最優(yōu)簇頭比例對區(qū)域進行劃分,假設簇頭比例為所需簇頭個數與節(jié)點總數的比值,則對第r輪的簇頭選擇閾值如式(2)所示

(2)

式中mod為模運算,r為網絡當前運行的輪數,在區(qū)間[0,1]內,每個節(jié)點產生隨機數i,如果節(jié)點產生的隨機數i

3)組簇：簇頭向區(qū)域內所有節(jié)點廣播自己的ID并成為簇頭的公告(advertisementofclusterhead，AOCH)。同時,簇頭之外的傳感器節(jié)點(sensornodes,SN)判斷不同簇頭廣播的AOCH信號強度,并發(fā)送注冊(registration，REG)信息給信號強度最大的簇頭,加入其所在域，并形成簇內ID信息列表ID_List。

4)簇內傳送：各個終端以單跳或多跳的形式向簇頭節(jié)點傳輸數據。

5)判斷是否更換簇頭：簇頭根據自己的剩余能量判斷是否更換簇頭，若需要更換簇頭，則重新第2步，本文采用靜態(tài)組簇的方式，即第1分簇后各簇內成員不發(fā)生變化。

6)匯聚：簇頭負責將簇內所有節(jié)點的數據進行相應融合后發(fā)送給匯聚節(jié)點。

7)上位機顯示：由匯聚節(jié)點匯聚終端節(jié)點傳感器節(jié)點發(fā)送過來的數據并上傳至監(jiān)控中心，并在上位機上實時顯示醫(yī)院環(huán)境的溫度、濕度以及光照強度等數據。

4系統測試與性能分析

首先搭建了硬件系統，并通過無線自組網的方式進行無線組網，最后在電腦上位機顯示相應數據。原型系統如圖5所示，上位機顯示如圖6所示。通過對每個模塊進行單元功能測試，實驗表明：各個單元模塊可以實時采集當地監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境參數，上位機正常顯示，系統各項功能運行良好，能夠實現預期效果。

圖5　傳感器節(jié)點原型系統Fig 5　Prototype system of sensor node

圖6　上位機顯示部分Fig 6　Upper PC display part

對DPMCA的性能進行了評估，并做了相關實驗：在DPMCA和LEACH算法下，網絡存活率隨工作時間的變化情況的比較，如圖7。

圖7　網絡存活率情況比較圖Fig 7　Comparison chart of network survival rate situation

從圖7中可以看出:DPMCA有效地延長了醫(yī)院環(huán)境無線監(jiān)控網絡的生命周期，相比傳統LEACH算法延長了2～3倍左右，防止傳感器節(jié)點過早死亡引起數據丟包，從而提高了數據傳輸的可靠性。

5結束語

該系統應用當前熱門的WSNs技術實現了醫(yī)院環(huán)境無線實時監(jiān)測系統，具有使用方便、易于尾部、靈活可靠等特點，且具有很強的實用性。針對WSNs技術中數據可靠性傳輸問題，提出了一種DPMCA，該算法把DPM技術和CA有效結合，實現了網絡能量均衡、延長了WSNs的生命周期，防止傳感器節(jié)點過早死亡引起數據丟包，提高了醫(yī)院環(huán)境監(jiān)控系統的數據傳輸可靠性。設計對醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測的應用和研究具有一定的參考和指導意義。

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Design of hospital environment monitoring system based on WSNs*

CHEN Yuan-bo, LI Qing, WANG Yan-jie, SHENTU Nan-ying

(College of Mechanical and Electrical Engineering,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China )

Abstract:Aiming at problems of traditional hospital environmental monitoring system,which are difficulty of addressing,poor mobility and measurement precision is not high,present a new hospital environmental monitoring system based on wireless sensor networks(WSNs),and introduce system structure,communication mechanism and flow chart of program in detail.Wireless sensor nodes form WSNs based on wireless communication mechanism.On the basis of analysis on main factors that influences energy consumption of WSNs and the existing energy-saving technology,propose a reliable data transmission algorithm,dynamic power management clustering algorithm (DPMCA),which is based on energy balance,it effectivly combines dynamic power consumption management technology with clustering algorithm.This system solves effectively problems in hospital environmental monitoring.

Key words:wireless sensor networks(WSNs); environmental monitoring system; energy balance; data reliability transmission

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0120—03

收稿日期：2015—05—06

*基金項目：浙江省科技計劃資助項目(2011C11069)；浙江省自然科學基金資助項目(LQ13F010003)

中圖分類號：TN 92

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)02—0120—03

作者簡介:

陳遠波(1990-)，男，浙江臺州人，碩士研究生，主要研究方向為檢測技術與自動化裝置、無線通信技術。

李青，通訊作者，E—mail:lq13306532957@163.com。