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摘 要：针对婴儿培养箱无线检测数据冲突及能耗问题，提出一种ZigBee异周期数据传输方法。通过分析婴儿培养箱无线检测系统的网络拓扑结构特点，将ZigBee各终端节点的数据传输周期分配不同的数据传输参数并定期交替改变，减少多个终端节点向协调器随机发送数据产生冲突，进而减少无线数据传输冲突降低能耗。建立并推导异周期传输方法的数据传输周期参数方程，给出数据传输方法的设计实例和婴儿培养箱无线检测系统的软硬件设计及终端节点能耗测试，实现婴儿培养箱温、湿度等参数检测，在实际使用中验证该方法及检测系统可行。
关键词：婴儿培养箱；ZigBee；异周期；能耗
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2017）04-0074-04
0 引 言
婴儿培养箱是医院NICU必备设备之一，其性能直接影响婴儿生命安全[1]。计量部门依据JJF 1260——2010《婴儿培养箱校准规范》开展检测工作。当前有几款商用产品[2-3]，但仅在数据传输使用无线，5个温度点数据检测仍采用有线方式，同时难以实现批量作业。若采用ZigBee无线方式实现，则须解决无线节点能耗问题。ZigBee降耗方法主要有减少ZigBee节点数据传输量[4]、冲突退避[5-6]、同步休眠等[7-9]。減少数据传输方法无法准确得到实时数据，冲突退避算法侧重于冲突后的解决方法，并未从源头解决冲突问题，同步休眠策略的同步操作需全网协同操作，复杂性大增加通信能耗，并且这些节能降耗研究，各节点都采用相同数据采集传输周期，节点随机发送数据将导致协调器引发数据冲突，同时不可控的数据传输引起的数据冲突将成倍增长，各节点以相同周期传输数据，也进一步加大冲突概率。目前还未发现有各节点采用不同数据传输周期的研究，同时针对婴儿培养箱应用仪器集中、布点密度大的特殊性，论文提出一种面向婴儿培养箱的异周期ZigBee网络数据传输方法，该方法在保证数据传输时效性的同时，可减少数据传输不可控的随机冲突，提高检测网络生命周期，下面将对该方法作进一步阐述。
1 基于ZigBee的婴儿培养箱检测原理架构
图1为基于ZigBee的无线婴儿培养箱检测原理框图，根据JJF 1260——2010要求，需婴儿培养箱平面均匀布置5个温度节点A、B、C、D、E，用于校准仪器控制温度，同时节点A还应检测婴儿培养箱中间位置湿度。
由于婴儿培养箱在医院NICU集中使用，距离较近，同时为使每个节点能定时休眠节省能耗，故系统未放置路由节点。无线网关由ZigBee协调器与WiFi模块组成，数据将通过RS232接口透明传输。远程监测中心以客户端形式加入无线网关，接收检测数据并进行显示、运算等操作。从图1可以看出，婴儿培养箱检测模块是一个典型的ZigBee星型网络，若采用相同数据传输周期，将可能产生较大的数据传输冲突，尽管冲突后通过重传协调器仍可收到数据，但将显著增加节点能耗。由于终端节点采用电池供电，有研究表明，ZigBee的数据采集节点，其能耗主要部分来自数据传输[10-11]，故降低数据冲突重传能耗是提高系统实用性的重要课题。
2 异周期ZigBee数据传输方法
异周期数据传输方法的核心是通过差异化的数据采样、传输周期，控制各节点向协调器发送数据的时间，使节点能主动避免传输冲突发生，该方法并非完全杜绝数据传输冲突，而是使数据传输冲突减少到可控范围，尽可能减少节点能耗。图2为异周期数据传输方法工作流程图，ZigBee协调器建立无线网络后，对加入的节点进行排序，并分配不同的数据传输周期参数，终端节点根据指定的参数，定期的采样数据、传输、休眠和唤醒。同时每传输一定数量数据后改变数据传输周期。
在该方法中，最重要的是确定数据传输周期参数Ti、mi，图3是节点传输周期参数分配示意图，可以看出，序号为1的终端节点其周期与系统要求的数据传输周期T0一致，偶数终端节点其前mi次传输的周期都小于T0，产生的问题是经过若干次的数据传输后，偶数终端节点的数据将大于系统设定的数量，反之序号大于1的奇数终端节点的数据将小于系统设定的数量。为了解决该问题，同时保证各节点采集数据的时间点相差不超过1个采样周期T0，系统将控制节点在进行mi次传输后转换数据传输周期，使各节点的发送数据个数与周期为T=T0的节点一致，故对于序号为i的终端节点，若终端节点被分配的序号i为奇数的终端节点，其数据传输周期为
对于i>1的节点，需在经过mi次传输后，重新按照式（1）、式（2）调整，下面将讨论如何确定mi。mi的确定主要以i=1节点为参考，目的是让远程接收端在相同时间接收到相同数量的数据。对于i>1的节点，若与i=1节点在某时刻同时传输数据，则下一时刻同时传输的条件是周期小的节点发送的数据数量比周期大的节点发送的数据数量刚好大于1个，因此对于序号为奇数的终端节点有：miT0-Δt=（mi-1）T0，计算得：
从式（3）、式（4）可以看出，对于节点i，mi和T0与Δt的比值成正比，T0与Δt比值越大，调整传输周期的间隔越长。同时mi也可以理解为某个节点与i=1节点发生数据传输冲突后，再次发生冲突的间隔次数。因此，若数据传输周期T0固定的条件下，应尽量选择较小的Δt以减小在一定时间内发生数据传输冲突概率，进而减少终端节点数据重传次数，节省能量。由于式（3）、式（4）对不同节点的计算可能出现非整数，故在实际系统设计时对公式取整即可。
3 婴儿培养箱检测模块软硬件设计
婴儿培养箱的性能参数主要是温度与湿度，并且由于噪声参数需要在舱内与舱外分别测量，故通常采用单独的声级计便于测量，故论文主要完成基于ZigBee的无线终端节点、无线网关与远程监测中心软件系统设计。
3.1 终端节点与无线网关电路设计
图1中，检测系统终端节点采用ZigBee芯片JN5139，负责采集温湿度信息，通过锂电池供电，并采用无线充电技术充电。温度信息采用单总线高精度数字接口温度传感器Tsic 716采集，湿度信息采用双总线数字接口传感器SHT 75采集。由于模块使用3.3 V低功耗芯片，而Tsic 716要求在5 V下才能达到较高精度，故采用Max1797电平转换芯片将电压转为5 V供给Tsic 716。无线网关由ZigBee协调器与WiFi模块组成，WiFi模块采用串口透明传输模块USR-C322，在系统中采用服务器工作模式，远程监测中心作为客户端模式，按指定的IP地址和端口号加入WiFi模块建立的网络后，协调器可将终端节点数据透明传输到远程监测中心，并作进一步处理。图4为系统部分电路图。 3.2 远程监测中心软件设计
软件系统基于Microsoft Visual Studio.NET平台，主要负责接收无线网关数据并做进一步处理。软件系统以WiFi客户端形式加入无线网关，利用TCP/IP协议、MSChart图形组件等，实现数据接收、实时数据显示、数据智能处理等功能。同时，软件可动态构建当前检测的网络拓扑，直观显示当前仪器情况与终端节点工作状态。图5为系统软件功能分类图。
4 设计实例与功能验证
针对论文提出的异周期數据传输方法及分立式婴儿培养箱检测模块设计，下面将通过实例及实际运行验证其可行性。
4.1 异周期数据传输方法设计实例
在该设计实例中，假设有一个协调器，5个终端节点，并分别被排序为节点1，2，3，4，5，系统要求的数据传输周期T0=1 s，Δt=10 ms，根据式（1）～式（4）计算得T1=T0=1 s，T2=1.01 s，T3=0.99 s，T4=1.02 s，T5=0.98 s；m1=+∞，m2=100，m3=100，m4=50，m5=50。
因此，若某时刻序号为2或3的终端节点与节点1发生传输冲突，则发生下一次冲突是传输100次后，而婴儿培养箱检测要求是每2 min记录一次数据，因此根据式（3）、式（4），若增大T0，则可进一步降低传输冲突概率。
4.2 终端节点能耗测试
终端节点的能耗可分为数据采集、数据传输、空闲休眠3部分，以节点1为例，若数据采集、数据传输、空闲休眠时的电流分别为Iw、Ic、Is，对应的时长分别为tw、tc、ts，则可计算一个周期内的平均电流为
根据上述实例，对电流进行测量，采用经计量部门校准的深圳市泽宇电子科技有限公司的定制化高精度示波仪，型号为Hiwave-1A，使用电流模式，测得参数值为Iw=32 mA、Ic=42 mA、Is=10 μA，时间参数为tw=80 ms、tc=1 ms、ts=919 ms，由式（5）计算得平均电流为2.6 mA，若以容量为2 000 mAh的锂电池供电，则终端节点可连续使用超过1个月。该软件目前已经登记国家软件著作版权，系统可正常接收到5个终端节点数据，功能可满足检测要求。
5 结束语
论文讨论了一种面向婴儿培养箱检测的数据传输方法，ZigBee网络中各终端节点采用不同传输周期相比于都采用相同数据传输周期系统，可明显减少数据传输中的不可控随机冲突，实现节点低功耗运行。采用ZigBee分立式的婴儿培养箱检测模块设计方法也有别于当前商用产品，同时基于异周期的数据传输方法只要修改相关公式的参数即可应用于其他采用星型ZigBee网络的检测系统，具有较好的应用推广价值。
参考文献
[1] 莫利明. 婴儿培养箱质量控制的实践与技术探讨[J]. 中国医疗设备，2011，26（3）：49-51.
[2] 李军，王耀弘，张雯，等. 虚拟仪器平台婴儿培养箱校准试验装置设计[J]. 中国测试，2015，41（4）：74-76.
[3] 郑永明，黄秋，陈宇，等. NT-CDBI婴儿培养箱分析仪的研制[J]. 电子测量与仪器学报，2012（增刊1）：14-18.
[4] 张文静. 基于CC2530的ZigBee网络节点的低功耗设计[J].现代制造，2014（9）：123-124.
[5] DAHHAM Z， SALI A， ALI B M. An efficient backoff algorithm for IEEE 802.15.4 wireless sensor networks[J]. Wireless Personal Communications，2014，75（4）：2073-2088.
[6] YASSIEN M B， SALAYMA M， MARDINI W， et al. Fibonacci backoff algorithm for IEEE 802.15.4/ZigBee[J]. Network Protocols & Algorithms，2012，4（3）：62-78.
[7] 高广恩，刘全利，贾灵利，等. 一种基于超帧机制的Zigbee时间同步算法研究与实现[J]. 大连理工大学学报，2012（5）：719-724.
[8] COX D， JOVANOV E， MILENKOVIC A. Time synchro
nization for ZigBee networks[C]∥Proceedings of the Thirty-Seventh Southeastern Symposium on System Theory.IEEE，2005：135-138.
[9] 谢琦，刘兰涛，弋俊超. 用于ZigBee网络的同步休眠与唤醒算法[J]. 计算机应用，2010，30（增刊1）：12-14.
[10] 张冲，熊勇，房卫东，等. ZigBee网络性能测试系统研究[J]. 国外电子测量技术，2015，34（8）：74-81.
[11] 吴卓然，胡跃明，冯太合. 基于ZigBee的低功耗数据传输网络[J]. 自动化与信息工程，2015（3）：32-35.
（编辑：李妮）
关键词：婴儿培养箱；ZigBee；异周期；能耗
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2017）04-0074-04
0 引 言
婴儿培养箱是医院NICU必备设备之一，其性能直接影响婴儿生命安全[1]。计量部门依据JJF 1260——2010《婴儿培养箱校准规范》开展检测工作。当前有几款商用产品[2-3]，但仅在数据传输使用无线，5个温度点数据检测仍采用有线方式，同时难以实现批量作业。若采用ZigBee无线方式实现，则须解决无线节点能耗问题。ZigBee降耗方法主要有减少ZigBee节点数据传输量[4]、冲突退避[5-6]、同步休眠等[7-9]。減少数据传输方法无法准确得到实时数据，冲突退避算法侧重于冲突后的解决方法，并未从源头解决冲突问题，同步休眠策略的同步操作需全网协同操作，复杂性大增加通信能耗，并且这些节能降耗研究，各节点都采用相同数据采集传输周期，节点随机发送数据将导致协调器引发数据冲突，同时不可控的数据传输引起的数据冲突将成倍增长，各节点以相同周期传输数据，也进一步加大冲突概率。目前还未发现有各节点采用不同数据传输周期的研究，同时针对婴儿培养箱应用仪器集中、布点密度大的特殊性，论文提出一种面向婴儿培养箱的异周期ZigBee网络数据传输方法，该方法在保证数据传输时效性的同时，可减少数据传输不可控的随机冲突，提高检测网络生命周期，下面将对该方法作进一步阐述。
1 基于ZigBee的婴儿培养箱检测原理架构
图1为基于ZigBee的无线婴儿培养箱检测原理框图，根据JJF 1260——2010要求，需婴儿培养箱平面均匀布置5个温度节点A、B、C、D、E，用于校准仪器控制温度，同时节点A还应检测婴儿培养箱中间位置湿度。
由于婴儿培养箱在医院NICU集中使用，距离较近，同时为使每个节点能定时休眠节省能耗，故系统未放置路由节点。无线网关由ZigBee协调器与WiFi模块组成，数据将通过RS232接口透明传输。远程监测中心以客户端形式加入无线网关，接收检测数据并进行显示、运算等操作。从图1可以看出，婴儿培养箱检测模块是一个典型的ZigBee星型网络，若采用相同数据传输周期，将可能产生较大的数据传输冲突，尽管冲突后通过重传协调器仍可收到数据，但将显著增加节点能耗。由于终端节点采用电池供电，有研究表明，ZigBee的数据采集节点，其能耗主要部分来自数据传输[10-11]，故降低数据冲突重传能耗是提高系统实用性的重要课题。
2 异周期ZigBee数据传输方法
异周期数据传输方法的核心是通过差异化的数据采样、传输周期，控制各节点向协调器发送数据的时间，使节点能主动避免传输冲突发生，该方法并非完全杜绝数据传输冲突，而是使数据传输冲突减少到可控范围，尽可能减少节点能耗。图2为异周期数据传输方法工作流程图，ZigBee协调器建立无线网络后，对加入的节点进行排序，并分配不同的数据传输周期参数，终端节点根据指定的参数，定期的采样数据、传输、休眠和唤醒。同时每传输一定数量数据后改变数据传输周期。
在该方法中，最重要的是确定数据传输周期参数Ti、mi，图3是节点传输周期参数分配示意图，可以看出，序号为1的终端节点其周期与系统要求的数据传输周期T0一致，偶数终端节点其前mi次传输的周期都小于T0，产生的问题是经过若干次的数据传输后，偶数终端节点的数据将大于系统设定的数量，反之序号大于1的奇数终端节点的数据将小于系统设定的数量。为了解决该问题，同时保证各节点采集数据的时间点相差不超过1个采样周期T0，系统将控制节点在进行mi次传输后转换数据传输周期，使各节点的发送数据个数与周期为T=T0的节点一致，故对于序号为i的终端节点，若终端节点被分配的序号i为奇数的终端节点，其数据传输周期为
对于i>1的节点，需在经过mi次传输后，重新按照式（1）、式（2）调整，下面将讨论如何确定mi。mi的确定主要以i=1节点为参考，目的是让远程接收端在相同时间接收到相同数量的数据。对于i>1的节点，若与i=1节点在某时刻同时传输数据，则下一时刻同时传输的条件是周期小的节点发送的数据数量比周期大的节点发送的数据数量刚好大于1个，因此对于序号为奇数的终端节点有：miT0-Δt=（mi-1）T0，计算得：
从式（3）、式（4）可以看出，对于节点i，mi和T0与Δt的比值成正比，T0与Δt比值越大，调整传输周期的间隔越长。同时mi也可以理解为某个节点与i=1节点发生数据传输冲突后，再次发生冲突的间隔次数。因此，若数据传输周期T0固定的条件下，应尽量选择较小的Δt以减小在一定时间内发生数据传输冲突概率，进而减少终端节点数据重传次数，节省能量。由于式（3）、式（4）对不同节点的计算可能出现非整数，故在实际系统设计时对公式取整即可。
3 婴儿培养箱检测模块软硬件设计
婴儿培养箱的性能参数主要是温度与湿度，并且由于噪声参数需要在舱内与舱外分别测量，故通常采用单独的声级计便于测量，故论文主要完成基于ZigBee的无线终端节点、无线网关与远程监测中心软件系统设计。
3.1 终端节点与无线网关电路设计
图1中，检测系统终端节点采用ZigBee芯片JN5139，负责采集温湿度信息，通过锂电池供电，并采用无线充电技术充电。温度信息采用单总线高精度数字接口温度传感器Tsic 716采集，湿度信息采用双总线数字接口传感器SHT 75采集。由于模块使用3.3 V低功耗芯片，而Tsic 716要求在5 V下才能达到较高精度，故采用Max1797电平转换芯片将电压转为5 V供给Tsic 716。无线网关由ZigBee协调器与WiFi模块组成，WiFi模块采用串口透明传输模块USR-C322，在系统中采用服务器工作模式，远程监测中心作为客户端模式，按指定的IP地址和端口号加入WiFi模块建立的网络后，协调器可将终端节点数据透明传输到远程监测中心，并作进一步处理。图4为系统部分电路图。 3.2 远程监测中心软件设计
软件系统基于Microsoft Visual Studio.NET平台，主要负责接收无线网关数据并做进一步处理。软件系统以WiFi客户端形式加入无线网关，利用TCP/IP协议、MSChart图形组件等，实现数据接收、实时数据显示、数据智能处理等功能。同时，软件可动态构建当前检测的网络拓扑，直观显示当前仪器情况与终端节点工作状态。图5为系统软件功能分类图。
4 设计实例与功能验证
针对论文提出的异周期數据传输方法及分立式婴儿培养箱检测模块设计，下面将通过实例及实际运行验证其可行性。
4.1 异周期数据传输方法设计实例
在该设计实例中，假设有一个协调器，5个终端节点，并分别被排序为节点1，2，3，4，5，系统要求的数据传输周期T0=1 s，Δt=10 ms，根据式（1）～式（4）计算得T1=T0=1 s，T2=1.01 s，T3=0.99 s，T4=1.02 s，T5=0.98 s；m1=+∞，m2=100，m3=100，m4=50，m5=50。
因此，若某时刻序号为2或3的终端节点与节点1发生传输冲突，则发生下一次冲突是传输100次后，而婴儿培养箱检测要求是每2 min记录一次数据，因此根据式（3）、式（4），若增大T0，则可进一步降低传输冲突概率。
4.2 终端节点能耗测试
终端节点的能耗可分为数据采集、数据传输、空闲休眠3部分，以节点1为例，若数据采集、数据传输、空闲休眠时的电流分别为Iw、Ic、Is，对应的时长分别为tw、tc、ts，则可计算一个周期内的平均电流为
根据上述实例，对电流进行测量，采用经计量部门校准的深圳市泽宇电子科技有限公司的定制化高精度示波仪，型号为Hiwave-1A，使用电流模式，测得参数值为Iw=32 mA、Ic=42 mA、Is=10 μA，时间参数为tw=80 ms、tc=1 ms、ts=919 ms，由式（5）计算得平均电流为2.6 mA，若以容量为2 000 mAh的锂电池供电，则终端节点可连续使用超过1个月。该软件目前已经登记国家软件著作版权，系统可正常接收到5个终端节点数据，功能可满足检测要求。
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论文讨论了一种面向婴儿培养箱检测的数据传输方法，ZigBee网络中各终端节点采用不同传输周期相比于都采用相同数据传输周期系统，可明显减少数据传输中的不可控随机冲突，实现节点低功耗运行。采用ZigBee分立式的婴儿培养箱检测模块设计方法也有别于当前商用产品，同时基于异周期的数据传输方法只要修改相关公式的参数即可应用于其他采用星型ZigBee网络的检测系统，具有较好的应用推广价值。
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[6] YASSIEN M B， SALAYMA M， MARDINI W， et al. Fibonacci backoff algorithm for IEEE 802.15.4/ZigBee[J]. Network Protocols & Algorithms，2012，4（3）：62-78.
[7] 高广恩，刘全利，贾灵利，等. 一种基于超帧机制的Zigbee时间同步算法研究与实现[J]. 大连理工大学学报，2012（5）：719-724.
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[9] 谢琦，刘兰涛，弋俊超. 用于ZigBee网络的同步休眠与唤醒算法[J]. 计算机应用，2010，30（增刊1）：12-14.
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[11] 吴卓然，胡跃明，冯太合. 基于ZigBee的低功耗数据传输网络[J]. 自动化与信息工程，2015（3）：32-35.
（编辑：李妮）