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摘要:

針對(duì)傳統(tǒng)醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布線(xiàn)難、設(shè)備移動(dòng)性差、測(cè)量精度不高的問(wèn)題，提出了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)技術(shù)的醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、通信機(jī)制及軟件實(shí)現(xiàn)流程。系統(tǒng)由無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)依據(jù)無(wú)線(xiàn)通信機(jī)制形成WSNs。在分析影響WSNs能耗的主要因素和現(xiàn)有節(jié)能技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了一種基于能量均衡的數(shù)據(jù)可靠傳輸算法，即動(dòng)態(tài)能量管理分簇算法(DPMCA)，該算法把DPM技術(shù)和CA有效結(jié)合，有效解決了傳統(tǒng)醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞:

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò);環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng);能量均衡;數(shù)據(jù)可靠性傳輸

繼互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)之后，物聯(lián)網(wǎng)成為信息科技的第三波浪潮，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(wirelesssensornetworks，WSNs)技術(shù)將在物聯(lián)網(wǎng)中起到舉足輕重的作用［1］，并引起了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。近幾年，短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)得到快速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)中，然而如何實(shí)現(xiàn)一種低成本，易于維護(hù)與擴(kuò)展，測(cè)量精度高，可靠實(shí)用并適合我國(guó)國(guó)情的醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，仍是亟待解決的實(shí)際問(wèn)題。本文提出了一種基于WSNs的醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)軟硬件相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了醫(yī)院環(huán)境的溫度、濕度以及光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在分析影響WSNs能耗的主要因素和現(xiàn)有節(jié)能技術(shù)基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于能量均衡的數(shù)據(jù)可靠傳輸算法［2］，即動(dòng)態(tài)能量管理分簇算法(dynamicpowermanagementclusteringalgorithm，DPMCA)，該算法把DPM技術(shù)［3］和CA有效結(jié)合。實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果顯示:該算法有效實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

1醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在醫(yī)院樓道、科室單元設(shè)置匯聚節(jié)點(diǎn)，以環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置為單個(gè)節(jié)點(diǎn)，在樓層內(nèi)采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)把節(jié)點(diǎn)的讀數(shù)集中到位于樓層底部或中部的匯聚節(jié)點(diǎn)，然后由匯聚節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)或短信方式發(fā)送到監(jiān)控中心。系統(tǒng)主要由三部分組成:1)安裝在樓道、科室單元中有無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能的環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置(無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn));2)安裝在樓層內(nèi)的匯聚節(jié)點(diǎn);3)上位機(jī)顯示部分。整個(gè)醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置作為傳感器節(jié)點(diǎn)，它是采用自組織方式［4］進(jìn)行組網(wǎng)并利用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，節(jié)點(diǎn)都具有數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)雙重功能。節(jié)點(diǎn)對(duì)本身采集到的信息和其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給它的信息進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)處理之后以相鄰節(jié)點(diǎn)接力傳送的方式傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，然后通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)以醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)、短信等方式傳送給監(jiān)控中心，通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示醫(yī)院環(huán)境的溫度、濕度以及光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

醫(yī)院環(huán)境實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)(圖2)由微處理器、傳感器、存儲(chǔ)器、無(wú)線(xiàn)通信模塊、電源模塊等主要模塊組成。在系統(tǒng)中，處理器采用STC10L系列單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)。無(wú)線(xiàn)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0．18mmCMOS晶體的Chipcond的SmartRF04技術(shù)，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(diǎn)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(cè)區(qū)域信息，然后由A/D轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)換成微處理器能夠接收的數(shù)字量，并傳送到微處理器;微處理器主要作用就是對(duì)接收信息進(jìn)行處理和對(duì)各節(jié)點(diǎn)工作進(jìn)行協(xié)調(diào);無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)在硬件設(shè)計(jì)上主要在電源模塊部分和無(wú)線(xiàn)通信模塊部分［6］。傳感器節(jié)點(diǎn)基本靠電池供電，主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)和一定的轉(zhuǎn)發(fā)相鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的任務(wù)，所以，通過(guò)使它大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)來(lái)延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的壽命;匯聚節(jié)點(diǎn)不僅需要采集數(shù)據(jù)，而且負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)建立與發(fā)出各種命令、匯聚終端節(jié)點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并上傳至監(jiān)控中心，所以，硬件設(shè)計(jì)上需要增加存儲(chǔ)器并采用電源供電，這樣可以有效地維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于傳感器節(jié)點(diǎn)能量有限，如何有效地做到網(wǎng)絡(luò)能量均衡，延長(zhǎng)WSNs的生命周期，提高數(shù)據(jù)可靠傳輸是設(shè)計(jì)WSNs的一個(gè)重要問(wèn)題。在分析影響WSNs能耗的主要因素和現(xiàn)有節(jié)能技術(shù)基礎(chǔ)上，本文提出了DPMCA，該算法把DPM技術(shù)和CA有效結(jié)合。

3．1DPM節(jié)能技術(shù)DPM是一種能夠有效降低系統(tǒng)能耗而又不影響系統(tǒng)性能的方法［7］。在低功耗硬件設(shè)備基礎(chǔ)上，DPM技術(shù)可以進(jìn)一步減少能量消耗，延長(zhǎng)電池工作時(shí)間。節(jié)點(diǎn)周?chē)绻麤](méi)有要處理的事件發(fā)生，一部分模塊就會(huì)處于空閑狀態(tài)，這時(shí)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(guò)軟件設(shè)計(jì)DPM狀態(tài)，根據(jù)外部任務(wù)和內(nèi)部狀態(tài)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地改變系統(tǒng)的工作功率狀態(tài)。無(wú)線(xiàn)通信鏈路質(zhì)量與節(jié)點(diǎn)間無(wú)線(xiàn)通信能力密切相關(guān)。鏈路質(zhì)量可以通過(guò)包接收率(packetreceptionratio，PRR)直接度量，也可以用接收信號(hào)強(qiáng)度指示(receivedsignalstrengthindication，RSSI)和鏈路質(zhì)量指示(linkqualityindication，LQI)兩個(gè)參數(shù)來(lái)評(píng)估，而且兩者之間的關(guān)系式可以用式(1)表示。隨著環(huán)境的不同，門(mén)限值也會(huì)發(fā)生變化，一旦達(dá)到某個(gè)門(mén)限值，鏈路都可以達(dá)到一個(gè)理想的PRR，因此，使用RSSI值來(lái)評(píng)估鏈路質(zhì)量，獲得維持最小連通度的RSSI值。

3．2DPMCA為了便于研究，本文進(jìn)行如下假設(shè):1)假設(shè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的地位都是平等的，在初始狀態(tài)下，所有節(jié)點(diǎn)都具有相同能量，其能量管理策略釆用動(dòng)態(tài)能量管理，而且還具有自適應(yīng)調(diào)整發(fā)射功率的能力。如果獲得對(duì)方發(fā)射功率，節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)RSSI計(jì)算出通信距離［9］。2)假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)不僅ID標(biāo)識(shí)是唯一的，而且還具有獲取其他節(jié)點(diǎn)ID標(biāo)識(shí)的能力。借鑒LEACH的一些基本思想，并以循環(huán)方式隨機(jī)選擇簇頭，提出了一種應(yīng)用于中小規(guī)模WSNs的DPMCA，而匯聚節(jié)點(diǎn)與普通傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件實(shí)現(xiàn)存在一定的區(qū)別，匯聚節(jié)點(diǎn)的軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖3所示，普通傳感器節(jié)點(diǎn)軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖4所示。1)在初始階段:簇頭比例和第一次簇頭節(jié)點(diǎn)的選舉由匯聚節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一確定，剩下各輪簇頭節(jié)點(diǎn)通過(guò)新一輪選舉產(chǎn)生。為了能夠使簇頭達(dá)到最優(yōu)，在監(jiān)測(cè)面積和傳感器節(jié)點(diǎn)總數(shù)目已經(jīng)確定的情況下采用遺傳算法［10］合后發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。7)上位機(jī)顯示:由匯聚節(jié)點(diǎn)匯聚終端節(jié)點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并上傳至監(jiān)控中心，并在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示醫(yī)院環(huán)境的溫度、濕度以及光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。

4系統(tǒng)測(cè)試與性能分析

首先搭建了硬件系統(tǒng)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)的方式進(jìn)行無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)，最后在電腦上位機(jī)顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)。原型系統(tǒng)如圖5所示，上位機(jī)顯示如圖6所示。通過(guò)對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行單元功能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)表明:各個(gè)單元模塊可以實(shí)時(shí)采集當(dāng)?shù)乇O(jiān)測(cè)區(qū)域的環(huán)境參數(shù)，上位機(jī)正常顯示，系統(tǒng)各項(xiàng)功能運(yùn)行良好，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期效果。對(duì)簇頭進(jìn)行優(yōu)化。2)簇頭的形成:監(jiān)測(cè)區(qū)域被統(tǒng)一劃分成若干個(gè)簇，匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)最優(yōu)簇頭比例對(duì)區(qū)域進(jìn)行劃分，假設(shè)簇頭比例為所需簇頭個(gè)數(shù)與節(jié)點(diǎn)總數(shù)的比值，則對(duì)第r輪的簇頭選擇閾值如式(2)所示。3)組簇:簇頭向區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)廣播自己的ID并成為簇頭的公告(advertisementofclusterhead，AOCH)。同時(shí)，簇頭之外的傳感器節(jié)點(diǎn)(sensornodes，SN)判斷不同簇頭廣播的AOCH信號(hào)強(qiáng)度，并發(fā)送注冊(cè)(registration，REG)信息給信號(hào)強(qiáng)度最大的簇頭，加入其所在域，并形成簇內(nèi)ID信息列表ID_List。4)簇內(nèi)傳送:各個(gè)終端以單跳或多跳的形式向簇頭節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。5)判斷是否更換簇頭:簇頭根據(jù)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(nèi)成員不發(fā)生變化。6)匯聚:簇頭負(fù)責(zé)將簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)融合對(duì)DPMCA的性能進(jìn)行了評(píng)估，并做了相關(guān)實(shí)驗(yàn):在DPMCA和LEACH算法下，網(wǎng)絡(luò)存活率隨工作時(shí)間的變化情況的比較，如圖7。從圖7中可以看出:DPMCA有效地延長(zhǎng)了醫(yī)院環(huán)境無(wú)線(xiàn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的生命周期，相比傳統(tǒng)LEACH算法延長(zhǎng)了2～3倍左右，防止傳感器節(jié)點(diǎn)過(guò)早死亡引起數(shù)據(jù)丟包，從而提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

5結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)應(yīng)用當(dāng)前熱門(mén)的WSNs技術(shù)實(shí)現(xiàn)了醫(yī)院環(huán)境無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有使用方便、易于尾部、靈活可靠等特點(diǎn)，且具有很強(qiáng)的實(shí)用性。針對(duì)WSNs技術(shù)中數(shù)據(jù)可靠性傳輸問(wèn)題，提出了一種DPMCA，該算法把DPM技術(shù)和CA有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)能量均衡、延長(zhǎng)了WSNs的生命周期，防止傳感器節(jié)點(diǎn)過(guò)早死亡引起數(shù)據(jù)丟包，提高了醫(yī)院環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性。設(shè)計(jì)對(duì)醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用和研究具有一定的參考和指導(dǎo)意義。

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作者：陳遠(yuǎn)波 李青 王燕杰 申屠南瑛 單位：中國(guó)計(jì)量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院