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无线体域传感器网络(Wireless Body Area Sensor Networks,WBASN)通过部署于人体的多种传感器节点能够实时监测人的生理参数信息、肢体运动信息、位置信息以及周围环境信息等。WBASN在远程医疗、社区和家庭医疗保健、紧急医疗救援、病理学研究、老龄和残疾人群监护、运动辅助训练等领域具有重大应用需求。本文在综述了WBASN相关研究的基础上,指出了现有研究的不足及未来研究重点。在此基础上进行了面向医疗应用和健康监测需求的WBASN系统及数据可靠传输机制的设计与研究。
设计了面向WBASN节点设计应用的简约式无线通信系统软硬件平台,并基于硬件平台设计了面向生理参数监测应用的血氧和体温集成监测传感器节点、心电信号监测节点以及通用节点。通过优化的设计方案确保了硬件平台的低功耗及小尺寸,平台尺寸为24.8mm×19.0mm,且在睡眠状态时功耗低至1.5uA;软件平台包括型操作系统MOS和硬件驱动程序,其采用模块化编程思想设计,有利于移植和应用。传感器节点采用穿戴式方案设计,兼顾了体积、功耗、电路的抗干扰能力以及穿戴的舒适度等多种因素。
设计了面向WBASN应用的两种数据可靠传输协议,分别为适用于星状拓扑网络的SNT协议和适用于两级树状拓扑网络的GRDT协议。除了两种协议均采用的时分多址机制以外,GRDT协议还采用了频分多址和信道的空间复用机制来控制节点的信道接入,避免了网内节点间的传输干扰;采用了跳频扩频机制来智能躲避网络外部通信干扰;同时,采用了链路层重传机制来降低丢包率。协议提出了低复杂度的时隙分配算法、干扰评估算法、跳频管理机制以及信道分配算法(仅GRDT协议)确保了上述机制的可靠应用。协议算法所需运算量小,节点完全能够在线执行。实测实验表明,SNT协议和GRDT协议分别能够提供99.89%和99.86%的网络数据传输成功率。
搭建了面向医疗应用和健康监测需求的WBASN应用系统。基于无线通信系统软件平台编写了生理参数监测传感器节点和汇聚节点的嵌入式软件,软件集成了SNT可靠传输协议;编写了上位机监控系统软件,该软件能够控制网络运行并以文本或图形化的方式显示监测数据;进行了系统监测实验,实验结果表明该系统能够对人体的血氧饱和度、体表温度、心率、心电信号等生理参数进行实时监测,系统运行正常,网络数据传输稳定、可靠。