吳國(guó)光，張 向

（廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣東 廣州 510405）

面向嬰兒培養(yǎng)箱的異周期數(shù)據(jù)傳輸方法研究

吳國(guó)光，張 向

（廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣東 廣州 510405）

針對(duì)嬰兒培養(yǎng)箱無(wú)線(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)沖突及能耗問(wèn)題，提出一種ZigBee異周期數(shù)據(jù)傳輸方法。通過(guò)分析嬰兒培養(yǎng)箱無(wú)線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將ZigBee各終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸周期分配不同的數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)并定期交替改變，減少多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器隨機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生沖突，進(jìn)而減少無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸沖突降低能耗。建立并推導(dǎo)異周期傳輸方法的數(shù)據(jù)傳輸周期參數(shù)方程，給出數(shù)據(jù)傳輸方法的設(shè)計(jì)實(shí)例和嬰兒培養(yǎng)箱無(wú)線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)及終端節(jié)點(diǎn)能耗測(cè)試，實(shí)現(xiàn)嬰兒培養(yǎng)箱溫、濕度等參數(shù)檢測(cè)，在實(shí)際使用中驗(yàn)證該方法及檢測(cè)系統(tǒng)可行。

嬰兒培養(yǎng)箱；ZigBee；異周期；能耗

0 引 言

嬰兒培養(yǎng)箱是醫(yī)院NICU必備設(shè)備之一，其性能直接影響嬰兒生命安全[1]。計(jì)量部門(mén)依據(jù)JJF 1260——2010《嬰兒培養(yǎng)箱校準(zhǔn)規(guī)范》開(kāi)展檢測(cè)工作。當(dāng)前有幾款商用產(chǎn)品[2-3]，但僅在數(shù)據(jù)傳輸使用無(wú)線(xiàn)，5個(gè)溫度點(diǎn)數(shù)據(jù)檢測(cè)仍采用有線(xiàn)方式，同時(shí)難以實(shí)現(xiàn)批量作業(yè)。若采用ZigBee無(wú)線(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)，則須解決無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)能耗問(wèn)題。ZigBee降耗方法主要有減少ZigBee節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸量[4]、沖突退避[5-6]、同步休眠等[7-9]。減少數(shù)據(jù)傳輸方法無(wú)法準(zhǔn)確得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，沖突退避算法側(cè)重于沖突后的解決方法，并未從源頭解決沖突問(wèn)題，同步休眠策略的同步操作需全網(wǎng)協(xié)同操作，復(fù)雜性大增加通信能耗，并且這些節(jié)能降耗研究，各節(jié)點(diǎn)都采用相同數(shù)據(jù)采集傳輸周期，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)將導(dǎo)致協(xié)調(diào)器引發(fā)數(shù)據(jù)沖突，同時(shí)不可控的數(shù)據(jù)傳輸引起的數(shù)據(jù)沖突將成倍增長(zhǎng)，各節(jié)點(diǎn)以相同周期傳輸數(shù)據(jù)，也進(jìn)一步加大沖突概率。目前還未發(fā)現(xiàn)有各節(jié)點(diǎn)采用不同數(shù)據(jù)傳輸周期的研究，同時(shí)針對(duì)嬰兒培養(yǎng)箱應(yīng)用儀器集中、布點(diǎn)密度大的特殊性，論文提出一種面向嬰兒培養(yǎng)箱的異周期ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法，該方法在保證數(shù)據(jù)傳輸時(shí)效性的同時(shí)，可減少數(shù)據(jù)傳輸不可控的隨機(jī)沖突，提高檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)生命周期，下面將對(duì)該方法作進(jìn)一步闡述。

1 基于ZigBee的嬰兒培養(yǎng)箱檢測(cè)原理架構(gòu)

圖1為基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)嬰兒培養(yǎng)箱檢測(cè)原理框圖，根據(jù)JJF 1260——2010要求，需嬰兒培養(yǎng)箱平面均勻布置 5個(gè)溫度節(jié)點(diǎn) A、B、C、D、E，用于校準(zhǔn)儀器控制溫度，同時(shí)節(jié)點(diǎn)A還應(yīng)檢測(cè)嬰兒培養(yǎng)箱中間位置濕度。

圖1 基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)嬰兒培養(yǎng)箱檢測(cè)原理框圖

由于嬰兒培養(yǎng)箱在醫(yī)院NICU集中使用，距離較近，同時(shí)為使每個(gè)節(jié)點(diǎn)能定時(shí)休眠節(jié)省能耗，故系統(tǒng)未放置路由節(jié)點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)由ZigBee協(xié)調(diào)器與WiFi模塊組成，數(shù)據(jù)將通過(guò)RS232接口透明傳輸。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心以客戶(hù)端形式加入無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)，接收檢測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示、運(yùn)算等操作。從圖1可以看出，嬰兒培養(yǎng)箱檢測(cè)模塊是一個(gè)典型的ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)，若采用相同數(shù)據(jù)傳輸周期，將可能產(chǎn)生較大的數(shù)據(jù)傳輸沖突，盡管沖突后通過(guò)重傳協(xié)調(diào)器仍可收到數(shù)據(jù)，但將顯著增加節(jié)點(diǎn)能耗。由于終端節(jié)點(diǎn)采用電池供電，有研究表明，ZigBee的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，其能耗主要部分來(lái)自數(shù)據(jù)傳輸[10-11]，故降低數(shù)據(jù)沖突重傳能耗是提高系統(tǒng)實(shí)用性的重要課題。

2 異周期ZigBee數(shù)據(jù)傳輸方法

異周期數(shù)據(jù)傳輸方法的核心是通過(guò)差異化的數(shù)據(jù)采樣、傳輸周期，控制各節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間，使節(jié)點(diǎn)能主動(dòng)避免傳輸沖突發(fā)生，該方法并非完全杜絕數(shù)據(jù)傳輸沖突，而是使數(shù)據(jù)傳輸沖突減少到可控范圍，盡可能減少節(jié)點(diǎn)能耗。圖2為異周期數(shù)據(jù)傳輸方法工作流程圖，ZigBee協(xié)調(diào)器建立無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)后，對(duì)加入的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序，并分配不同的數(shù)據(jù)傳輸周期參數(shù)，終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)指定的參數(shù)，定期的采樣數(shù)據(jù)、傳輸、休眠和喚醒。同時(shí)每傳輸一定數(shù)量數(shù)據(jù)后改變數(shù)據(jù)傳輸周期。

圖2 異周期數(shù)據(jù)傳輸方法工作流程圖

在該方法中，最重要的是確定數(shù)據(jù)傳輸周期參數(shù)Ti、mi，圖3是節(jié)點(diǎn)傳輸周期參數(shù)分配示意圖，可以看出，序號(hào)為1的終端節(jié)點(diǎn)其周期與系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)傳輸周期T0一致，偶數(shù)終端節(jié)點(diǎn)其前mi次傳輸?shù)闹芷诙夹∮赥0，產(chǎn)生的問(wèn)題是經(jīng)過(guò)若干次的數(shù)據(jù)傳輸后，偶數(shù)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)將大于系統(tǒng)設(shè)定的數(shù)量，反之序號(hào)大于1的奇數(shù)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)將小于系統(tǒng)設(shè)定的數(shù)量。為了解決該問(wèn)題，同時(shí)保證各節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的時(shí)間點(diǎn)相差不超過(guò)1個(gè)采樣周期T0，系統(tǒng)將控制節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行mi次傳輸后轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)傳輸周期，使各節(jié)點(diǎn)的發(fā)送數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)與周期為T(mén)=T0的節(jié)點(diǎn)一致，故對(duì)于序號(hào)為i的終端節(jié)點(diǎn)，若終端節(jié)點(diǎn)被分配的序號(hào)i為奇數(shù)的終端節(jié)點(diǎn)，其數(shù)據(jù)傳輸周期為

若終端節(jié)點(diǎn)被分配的序號(hào)i為偶數(shù)的終端節(jié)點(diǎn)，其數(shù)據(jù)傳輸周期為

其中tj、tk為任意時(shí)間點(diǎn)。

圖3 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸周期參數(shù)分配示意圖

從式（3）、式（4）可以看出，對(duì)于節(jié)點(diǎn) i，mi和 T0與Δt的比值成正比，T0與Δt比值越大，調(diào)整傳輸周期的間隔越長(zhǎng)。同時(shí)mi也可以理解為某個(gè)節(jié)點(diǎn)與i=1節(jié)點(diǎn)發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸沖突后，再次發(fā)生沖突的間隔次數(shù)。因此，若數(shù)據(jù)傳輸周期T0固定的條件下，應(yīng)盡量選擇較小的Δt以減小在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸沖突概率，進(jìn)而減少終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)重傳次數(shù)，節(jié)省能量。由于式（3）、式（4）對(duì)不同節(jié)點(diǎn)的計(jì)算可能出現(xiàn)非整數(shù)，故在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)公式取整即可。

3 嬰兒培養(yǎng)箱檢測(cè)模塊軟硬件設(shè)計(jì)

嬰兒培養(yǎng)箱的性能參數(shù)主要是溫度與濕度，并且由于噪聲參數(shù)需要在艙內(nèi)與艙外分別測(cè)量，故通常采用單獨(dú)的聲級(jí)計(jì)便于測(cè)量，故論文主要完成基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.1 終端節(jié)點(diǎn)與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)電路設(shè)計(jì)

圖1中，檢測(cè)系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)采用ZigBee芯片JN5139，負(fù)責(zé)采集溫濕度信息，通過(guò)鋰電池供電，并采用無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)充電。溫度信息采用單總線(xiàn)高精度數(shù)字接口溫度傳感器Tsic 716采集，濕度信息采用雙總線(xiàn)數(shù)字接口傳感器SHT 75采集。由于模塊使用3.3V低功耗芯片，而Tsic 716要求在5V下才能達(dá)到較高精度，故采用Max1797電平轉(zhuǎn)換芯片將電壓轉(zhuǎn)為5V供給Tsic 716。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)由ZigBee協(xié)調(diào)器與WiFi模塊組成，WiFi模塊采用串口透明傳輸模塊USR-C322，在系統(tǒng)中采用服務(wù)器工作模式，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心作為客戶(hù)端模式，按指定的IP地址和端口號(hào)加入WiFi模塊建立的網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器可將終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)透明傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心，并作進(jìn)一步處理。圖4為系統(tǒng)部分電路圖。

圖4 終端節(jié)點(diǎn)部分電路圖

3.2 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)基于Microsoft Visual Studio.NET平臺(tái)，主要負(fù)責(zé)接收無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)并做進(jìn)一步處理。軟件系統(tǒng)以WiFi客戶(hù)端形式加入無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)，利用TCP/IP協(xié)議、MSChart圖形組件等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)智能處理等功能。同時(shí)，軟件可動(dòng)態(tài)構(gòu)建當(dāng)前檢測(cè)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，直觀顯示當(dāng)前儀器情況與終端節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)。圖5為系統(tǒng)軟件功能分類(lèi)圖。

圖5 嬰兒培養(yǎng)箱檢測(cè)軟件功能分類(lèi)圖

4 設(shè)計(jì)實(shí)例與功能驗(yàn)證

針對(duì)論文提出的異周期數(shù)據(jù)傳輸方法及分立式嬰兒培養(yǎng)箱檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)，下面將通過(guò)實(shí)例及實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證其可行性。

4.1 異周期數(shù)據(jù)傳輸方法設(shè)計(jì)實(shí)例

在該設(shè)計(jì)實(shí)例中，假設(shè)有一個(gè)協(xié)調(diào)器，5個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，并分別被排序?yàn)楣?jié)點(diǎn) 1，2，3，4，5，系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)傳輸周期 T0=1s，Δt=10ms，根據(jù)式（1）～式（4）計(jì)算得 T1=T0=1s，T2=1.01s，T3=0.99s，T4=1.02s，T5=0.98s；m1=+∞，m2=100，m3=100，m4=50，m5=50。

因此，若某時(shí)刻序號(hào)為2或3的終端節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)1發(fā)生傳輸沖突，則發(fā)生下一次沖突是傳輸100次后，而嬰兒培養(yǎng)箱檢測(cè)要求是每2 min記錄一次數(shù)據(jù)，因此根據(jù)式（3）、式（4），若增大 T0，則可進(jìn)一步降低傳輸沖突概率。

4.2 終端節(jié)點(diǎn)能耗測(cè)試

終端節(jié)點(diǎn)的能耗可分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、空閑休眠3部分，以節(jié)點(diǎn)1為例，若數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、空閑休眠時(shí)的電流分別為Iw、Ic、Is，對(duì)應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)分別為tw、tc、ts，則可計(jì)算一個(gè)周期內(nèi)的平均電流為

根據(jù)上述實(shí)例，對(duì)電流進(jìn)行測(cè)量，采用經(jīng)計(jì)量部門(mén)校準(zhǔn)的深圳市澤宇電子科技有限公司的定制化高精度示波儀，型號(hào)為Hiwave-1A，使用電流模式，測(cè)得參數(shù)值為 Iw=32mA、Ic=42mA、Is=10μA，時(shí)間參數(shù)為 tw=80 ms、tc=1 ms、ts=919 ms，由式（5）計(jì)算得平均電流為2.6 mA，若以容量為2 000 mAh的鋰電池供電，則終端節(jié)點(diǎn)可連續(xù)使用超過(guò)1個(gè)月。該軟件目前已經(jīng)登記國(guó)家軟件著作版權(quán)，系統(tǒng)可正常接收到5個(gè)終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，功能可滿(mǎn)足檢測(cè)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

論文討論了一種面向嬰兒培養(yǎng)箱檢測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸方法，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中各終端節(jié)點(diǎn)采用不同傳輸周期相比于都采用相同數(shù)據(jù)傳輸周期系統(tǒng)，可明顯減少數(shù)據(jù)傳輸中的不可控隨機(jī)沖突，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)低功耗運(yùn)行。采用ZigBee分立式的嬰兒培養(yǎng)箱檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)方法也有別于當(dāng)前商用產(chǎn)品，同時(shí)基于異周期的數(shù)據(jù)傳輸方法只要修改相關(guān)公式的參數(shù)即可應(yīng)用于其他采用星型ZigBee網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)系統(tǒng)，具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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（編輯：李妮）

Research on the method of different data transmission period for infant incubator

WU Guoguang，ZHANG Xiang
（Guangdong Province Institute of Metrology，Guangzhou 510405，China）

This paper put forward a method of data transmission in different periods in ZigBee network so as to solve the problem of data conflict and energy consumption of wireless detection of infant incubator.By analyzing network topology characteristics of the wireless detection system of infant incubator，the terminal nodes of ZigBee network were allocated with parameters of different data transmission periods and alternated periodically，by which the number of nodes causing data conflict via random delivery to coordinator was reduced and the energy consumption reduction by wireless data transmission conflict was improved.This paper also established the periodic parameter equation ofdata transmission method in differentcycles，given design examples ofdata transmission method，and software and hardware design of the wireless detection system of infant incubator and consumption test of terminal node，and also realized infant incubator detection of temperature，humidity and other parameters.The method and detection system were proven to be feasible in practical use.

infant incubator；ZigBee；different period；energy consumption

A

1674-5124（2017）04-0074-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.04.016

2016-11-15；

2016-12-29

廣東省質(zhì)監(jiān)局科技項(xiàng)目（2015CJ01）

吳國(guó)光（1983-），男，廣東梅州市人，工程師，博士，主要從事醫(yī)學(xué)計(jì)量及智能檢測(cè)技術(shù)研究。