wsn基于医疗无线传感器的应用

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1、医疗无线传感器的面对的主要问题：（1）、动态组网与大规模网络中节点移动性管理，当监护系统扩展到社区，城市是指全国时，其网络规模巨大，并且监护节点与基站都具有一定的移动性，一次，必须设计一种合适的网络拓扑管理管理结构以及节点移动性管理方法。（2）、数据完整性与数据压缩，节点有时需要长达24小时的检测人体阐述，节点说采集到的数据量大，而节点的存储容量小，常采用压缩算法来减少数据的存储与传输量。然而，传统数据的压缩算法开销太大不适合传感器节点，另外，压缩算法不能损坏有时数据，负责会造成对别人的错误诊断。（3）数据安全性。无线传感器网络节点采用自组织方式组网，容易受到攻击，此外，别人的信息需要保密。然

2、而，传感器节点计算能力相当有限，传统的安全和加密技术都不适用，一次，必须设计一种适合传感器节点的加解密算法。基于无线传感器网络的普适医疗健康关怀系统项目基本信息项目名称：基于无线传感器网络的普适医疗健康关怀系统项目作者：曹啸项目大类：科技发明制作B类项目小类：信息技术二项目简介无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量具有感知、处理和无线通信能力的微型传感器节点组成的多跳自组织网络系统，其使用目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息并发送给观察者。传感器网络能够应用于军事、环境监测、健康护理、智能家居、城市交通等领域。无线传感器网络为未来的远程医疗提供更加方便、快捷的技术实现手段

3、。研究小组在此基础上设计了基于普适计算的医疗健康关怀系统，本系统自主研发UbiCell医疗传感器节点和终端软件，通过网关（网关连接无线传感器网络、无线局域网、有线网络等）与已有移动设备（PDA、笔记本电脑等）相结合，提供智能的随时随地接入的基于无线传感器网络的医疗健康护理,实时远程监护病人，提高监护效率和病人健康状况。可穿戴微型无线医疗传感器节点与医疗应用有机结合，构建先进的医疗理论与技术体系，具有重要的理论意义与应用价值。作品涉及电子信息，医疗等多个领域，有效拓展了无线传感器网络的研究领域和应用范围。以全新的理论方法和技术手段解决医疗中的技术性问题。所研究的理论还可以用于老年人护理，新生儿护

4、理等，具有广阔的推广应用前景，显著的经济效益和社会效益。三详细信息近年来，随着微电子、计算机、机电和无线通信等技术的不断进步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集，数据处理和无线通信等功能。无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量具有感知、处理和无线通信能力的微型传感器节点组成的多跳自组织网络系统，其使用目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军

5、事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。随着传感器网络的深入研究和广泛应用，传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。无线传感器网络为未来的远程健康医疗关怀提供了更加方便、快捷的技术实现手段。无线传感器网络的医疗应用包括：患者的综合监测、诊断，医院的药品管理，对人类生理数据的无线监测，在医院中对医护人员和患者进行追踪和监控。研究小组在此基础上设计了医疗健康关怀系统，实现以下目标：无线替代有线；方便病人在监控状态下行动，提高监护效率；医护人员可以在医院范围内监控病人病理信息，有效解放人力；

6、病人信息，药品信息，医护人员信息等统一管理，有效辅助健康护理。本系统整合UbiCell（UbiCell为研究小组给无线传感器节点起的名字）医疗传感器节点、无线传感器网络网关和移动终端设备（PDA、笔记本电脑等）。通过网络（无线传感器网络、无线局域网、有线网等）把医疗中使用的大范围无线通信设备整合在一起，提供智能的随时随地接入的基于无线传感器网络的医疗健康关怀,实时远程监护病人，提高监护病人健康状况的效率。将可穿戴微型无线医疗传感器与医疗关怀应用有机结合，构建先进的医疗理论与技术体系，具有重要的理论意义与应用价值。项目涉及电子信息，无线通信、计算机技术、医疗健康等多个领域，有效拓展了无线传感器网

7、络的研究领域和应用范围。作品的研究将直接用于医疗关怀应用上，以全新的理论方法和技术手段解决医疗中的技术性难题。所研究理论还可以用于健康护理，老年人护理，新生儿护理等，具有广阔的推广应用前景，显著的经济效益和社会效益。关键技术与创新点:(A)自主研发支持无线传感器网络应用的硬件基础UbiCell传感器节点，相对于国外昂贵的传感器节点(例如Mica2节点系列)，它不仅具有Mica2节点的所有功能，而且具有医疗可穿戴性，在电路设计和节能方面进行了一定优化，开发成本降低。(B)设计医疗传感器面板，采用体温、血氧、脉搏传感器，将它们统一成迷你USB接口，连接至传感器面板，通过标准通用接口与UbiCell

8、节点进行通信连接，传输传感数据，提高了传感器的集成性和扩展性。(C)引入了嵌入式操作系统内核，基于这个内核，可以很好的实现对于传感器节点处理器与内存的控制与管理，同时对于能量的管理也得到了很大的改善。摆脱对处理器与内存的繁琐控制，利用操作系统提供的系统调用，进行驱动程序的开发，这主要包括对于不同传感器的数据接收与发送的驱动等等。(D)自主研发无线传感器网络网关节点，用于连接无线传感器网络和无线局域网，将无线传感器网络的数据通过无线局域网传输到终端(如个人电脑，PDA等)。目前国内外还没有实现无线传感器网络与无线局域网对接的网关设备，该设备填补了传感器领域中这一空缺。该网关接入的是无线局域网，相

9、比较于其他无线传感器网络网关(如以太网网关、CDMA网关、GPRS网关等)，在网络覆盖、数据传输速率、网络的稳定性和设备性价比上都具有优势。(E)自主开发个人电脑和PDA等终端程序，分别采用.NetFramework与.NetCompactFramework,利用Client/Server体系结构，能够有效管理病人病理信息，并进行可视化演示及信息分析。(F)将网络平台软件、无线传感器网络网关设备与医疗传感节点相结合，形成完整的医疗关怀传感器网络模型，连接无线传感器网络与无线局域网两大网络，有效实现病房医疗健康关怀的应用。四.作品设计、发明的目的和基本思路、创新点和技术关键和主要技术指标在被监护

10、人身上安装可佩戴的传感器节点，通过无线网络监测和收集病理信息，能够及时发现异常，提高监护效率和病人的健康质量。关键技术主要包括：可穿戴微型无线医疗电子传感器械硬件节点的研制；网关设备研制；研究开发无线医疗传感器网络的平台软件；创新点在于：(1)实现两大基础网络的互联互通。即通过网关设备，将无线传感器网络与普通的无线局域网互通。传感器接收到的数据通过无线传感器网络将数据传到基站节点，通过802.11的无线局域网协议的形式与其它PC终端机或者具有局域网无线通信功能的移动设备，进行实时通信。(2)可穿戴医疗健康护理节点的设计与实现。利用传感器网络获得病理信息的主要有以下三个指标，即血氧、脉搏与体温，

11、传统医疗系统通过三个不同的硬件接口将这三个指标通过三个不同的传感器节点传至基站节点，而我们通过对于硬件电路的设计，将这三个指标统一成接口迷你USB,使得三个不同的传感器可以集成于一个传感器节点上，这样可以有效的利用通信带宽。(3)基于传感器网络操作系统的应用软件开发。我们对于传感器节点的编程引入了嵌入式操作系统。利用操作系统提供的系统调用,进行驱动程序的开发,这主要包括对于不同传感器的数据接收与发送的驱动等等。在PC终端设备以及移动设备PDA上，采用C/S的体系结构，将采集所得到的数据进行有效的数据处理,使得用户能够对于采集到的数据进行可视化的监测。五作品的科学性和先进性可穿戴微型化无线医疗电

12、子器械产品对现有的板极固化形式的节点功能部件进行更加灵活的设计，开展模块级的综合集成化开发；向高频无线通信协议的多频点，可扩频的无线医疗传感器网络节点；无线医疗传感器网络平台软件作为一个信息平面，将医疗应用中使用的大范围无线设备集成在一起，为用户提供普适、自然的人机交互接口。现有的医院医疗监测设备大多是以有线的形式，将许多繁杂的设备接入到病人体上，这样的就导致监护人员必须时刻守护在病人的旁边，进行实时的观察。而我们通过无线传感器网络的形式，可以使得监护人员在医院范围内对病人信息进行监控，如果遇到情况，可以及时的进行处理，有效合理分配时间。并且我们这个系统又不同于传统意义上的无线网络，传统的无线

13、网络对于病人有一定的辐射作用，不利于用于医疗系统的实现，我们在传感器节点发射频率上，利用的ISM频段，即用于工业，科学，医疗三个主要机构使用的频段，这个频段对于病人基本上是没有无线辐射作用，可以非常安全可靠的运用与医疗健康关怀系统当中。六.作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果获得软件著作权：基于无线传感器网络的医疗健康护理应用软件（软件著作权号：2008SR18862）七作品所处阶段改进和完善阶段八技术转让方式九作品可展示的形式作品将通过实物系统的方式进行展示十.使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济

14、效益预测在病人腕部装配好可穿戴微型化无线医疗电子器械产品，在适当位置放置基站传感器节点，并通过无线局域网连接装有医疗护理基站软件系统的PC机，通过医疗护理基站软件系统可以控制管理可穿戴型节点及采集的病理信息，医护人员通过装有医疗护理移动终端软件系统的手持PDA无线连接PC服务器，控制和获取相应的病理信息，达到实时的监控。无线传感器网络正在或必将作为一种全新的信息获取和处理技术，尤其在医疗健康护理领域，它有着传统技术不可比拟的优势。随着技术的成熟和在各个领域的应用发展以及无线医疗传感器节点平均价格的降低，随着普适计算和无线传感器网络的发展，本项目所研究与开发的可穿戴微型无线医疗电子传感器械及其平

15、台软件、系统集成产品的预计产出与投入比也将随之增长，就产业化前景而言，本项目所开发以可穿戴微型无线医疗电子传感器械为核心、面向医疗健康护理应用的无线医疗传感器网络系统能够达到工业化的水平，在无线传感器的整个产业链上，占据重要的地位。十一一.专利申报情况两份专利：基于身份识别的泛在智能人机交互芯片的实现方法申报号200810156176.0申报日期2008年10月6日一种基于智能身份识别的电子标识装置及实现方法申报号200810156175.6申报日期2008年10月6日十二当前国内外同类课题研究水平概述医疗传感器在医疗领域也有一些成功实例。罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房

16、间，使用微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。该技术是作为探讨应对老龄化社会的技术项目CenterforAgingServicesTechnologies（CAST）的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。以上是一些国外对于传感器医疗系统的研究发展现状，我们的医疗健康护理系统不仅可以解决以上的问题，并且通过利用我们自己开发的节点UbiCell节点，将多个人体测量指标集成于一个节点之上，并且具有非常强的可

17、扩展性，便于其它传感器的扩展。并且目前，无线传感器网络当中很少将两种不同的网络模型进行互联，我们利用网关设备，可以有效的将无线传感器网络与802.11的无线局域网络进行数据共享，以便大多数人可以共享到我们的数据，这样可以有效的利用已有的网络资源节约无线传感器网络的能量与带宽。对于软件方面的应用，利用嵌入式操作系统，进行节点自身的处理器、内存与能量的有效的管理，这样可以使得程序员不用像以前基于单片机开发一样，进行繁琐的基于硬件操作指令的开发应用，而是基于操作系统所提供的系统调用接口进行开发，这样可以节省大量的开发时间，并且具有很强的可扩展性，采用纯C的编程语言，利于代码的阅读。利用操作系统所提供

18、的系统接口，通过自己编写的传感器驱动，从传感器处获得原始数据，并且在操作系统上层写好对于数据的封装处理的第一层应用程序，将数据通过无线局域网传递给基站节点。当PC终端机接收到数据之后，利用VisualStudio开发平台，开发了一套基于.NET平台的可视化应用程序，以给用户最好的用户体验，使得用户可以方便的获得传感器采集的数据，最终利用PC终端机强大的处理能力，提供给用户基于传感数据更多的服务与应用。十三项目图片瑞砒Bmhi些章1匸3也;-7-Mt!HR-SHri无线传感器网络在医疗中的应用时间：2010-04-1416:35:47来源：电子设计工程作者：刘辉辉，陈晓冰，李小玲重庆邮电大学医疗

19、传感器节点与监护基站组成个人/家庭或者病房无线传感器网络，多个这样的网络可以组成社区或整个医院监护网络，甚至更大范围的远程医疗监护系统。首先，医疗传感器节点采集人体生理参数，并对采集到参数简单处理后，通过无线通信的方式直接或者间接逐跳方式把数据传输到基站上。监护基站对数据进行进一步处理后转发给监护中心，监护中心进行分析处理，并及时对病人进行信息反馈。监护中心还可以采用多种方式（Internet,移动通信网络等）进行远程数据传输，与其它监护中心共享信息。4医疗传感器节点的设计医疗传感器节点的基本结构如图2所示，包括处理模块、传感器模块和无线收发模块以及电源供电模块。传感器模块用来进行外部传感器信

20、号的感知、采集、转换。是整个节点真正与外部信号量接触的模块。然而，医用传感器是以生命体为测量对象。尤其是人体，可以说是世界上最复杂的系统，各生理变量间存在着高度的相关性而且不易接近。所以医用传感器要从众多的现象中取出预测生理量，得出可靠而有意义的测量数据，同时又要确保被测对象的安全。由于人体参数大多是微弱信号，一般只有几mV级别，甚至更低，并且存在多种噪声（测量环境噪声、仪器与人体摩擦噪声以及仪器本身噪声等）、工频干扰（由测量环境周围存在50Hz的电磁场引起的）以及各种杂音等不利因素。因此，在具体医疗传感器节点设计中，加入模拟电路处理模块，该模块一般包括以下几个部分：放大电路、滤波电路、陷波电

21、路以及模数（A/D）转换电路等。在节点设计中放大电路一般采用多级放大（三级或四级），末级放大电路除了有放大功能外一般还具有电平提升功能；滤波电路：应满足电路简洁、合理的截止频率、灵活方便的调节高低通截止频率等要求，合理的滤掉信号中的高频与低频干扰；陷波电路：目前广泛采用对称性双T阻容有源陷波器或用集成开关电容器件以及非对称阻容网络陷波器等。总之，模拟电路处理模块主要对采集到的信号进行放大、滤波、陷波等处理，去除信号中的噪音、干扰，提取出有用信号处理器模块是传感器节点的核心，负责整个节点的设备控制、任务分配与调度、数据整合与传输等。目前处理器模块中使用较多的是Atmel公司的AVR系列单片机、T

22、I公司的MSP430超低功耗处理器Motorola公司和Renesas公司的处理器以及作为32位嵌入式处理器的ARM单片机。在节点设计中，必须编程实现处理器模块对传感模块采集控制、A/D转换的实现以及控制无线通信模块的收发。无线收发模块用于节点之间的数据通信。在无线领域应用较多的无线收发模块为Chipcon公司的CClOOO、CC2420、CC2430。常用的无线通信技术有：IEEE802.llb、IEEE802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA(红外线)等。监护系统大多采用IEEE802.15.4(ZigBee)、蓝牙来实现节点以及节点与基站之间的数据

23、通信。电源模块为节点提供能量，是整个无线传感器节点的基础模块。然而，受节点体积限制，传感器节点的能量非常有限。因此，在整个节点设计中，以低功耗、高精度为主要要求，采取一系列有效的措施来节省能量。另外，医疗传感器节点不能频繁更换电池，影响人的正常生活。所以，所设计的医疗节点应该具有较长的生命周期。5医疗无线传感器网络监护系统存在的挑战尽管无线传感器网络在组建医疗监护系统方面有其独有优势，但应用到实际医疗中还存在以下挑战：(1) 动态组网与大规模网络中节点移动性管理：当监护系统扩展到社区、城市甚至全国时，其网络规模巨大，并且监护节点与基站都具有一定的移动性。因此，必须设计一种合适的网络拓扑管理结构

24、以及节点移动性管理方法。(2) 数据完整性与数据压缩：节点有时需要长达24小时的监测人体参数，节点所采集到的数据量大，而节点的存储容量小，常采用压缩算法来减少数据的存储与传输量。然而，传统数据的压缩算法开销太大不适合传感器节点。另外，压缩算法不能损坏原始数据，否则会造成对病人的错误诊断。(3) 数据安全性：无线传感器网络节点采用自组织方式组网，容易受到攻击，此外，病人的信息需要保密。然而，传感器节点计算能力相当有限，传统的安全和加密技术都不适用。因此，必须设计一种适合传感器节点的加解密算法。6总结与展望随着技术的发展，无线医疗传感器节点逐渐向多参数、智能化、微型化、低功耗等方向发展，无线传感器网络也将逐渐被实际应用于医疗领域。发展与组建具有智能化的病房与社区监护系统是当今国内外医疗发展的趋势。