无线体域网

陈文

[编者按]无线体域网是个人健康信息采集与传输的重要技术手段之一，具有重要现实意义和产业化前景，受到工业界、学术界和标准化组织的广泛关注。另外，IEEE 802.15.6 协议标准是目前国际上公认的一款适用于健康信息采集的未来超短距无线体域网协议标准。讲座将分3期对该技术进行介绍：第1期讲述无线体域网的背景、研究动态和技术特征;第2期对无线体域网的频段选取、信道建模、MAC层协议、通信技术和数据处理技术特征进行介绍;第3期介绍无线体域网的节点设计、数据采集和应用场景问题。

中图分类号：TP393    文献标志码：A   文章编号：1009-6868 （2014） 06-0057-03

9 无线体域网的节点设计

无线体域网（WBAN）的无线传感节点按照其与人体位置的分布可大致分为4类：

（1）分布在人体体表的传感器节点，通常为可穿戴式，如心动电流描记仪、集成化脉搏传感器、体温传感器、指环式心率感知器、脉搏率检测传感器。

（2）植入人体体内的传感器节点，如心脏起搏器、胰岛素泵。

（3）置于人体内膜表面的传感器节点、位于人体周围较近距离的传感器节点（即可吸入的传感器节点），如吸入式药丸摄像机、吸入式药丸温度测量仪。

（4）位于人体周围较近距离的传感器节点，如脑电图扫描仪。

无线体域网的无线传感节点按其监测目的可大致分为5类：

（1）位移传感器，用以监测血管内外径，心房、心室尺寸，骨骼肌、平滑肌的收缩等。

（2）速度传感器，主要用于测量血流速度、排尿速度、分泌速度、呼吸气流速度等。

（3）振动（加速度）传感器，应用于监控各种生理病理声音，如心音、呼吸音、血管音，搏动，震颤等。

（4）力传感器，应用于检测肌收缩力、咬合力、骨骼负荷力、粘滞力等

（5）压强传感器，主要用于测量血压、眼压、心内压、颅内压、胃内压、膀胱内压、子宫内压等。

此外，还有流量传感器、温度传感器、电学传感器、辐射传感器、光学传感器等。

在无线体域网系统中，将上述的各种传感器与无线收发芯片及MCU芯片集成，设计超低功耗、传输速率高、安全可靠的终端及中继节点是系统实际应用和产业化的核心。

9.1 基于无线体域网的天线形式及

分析与设计

基于无线体域网的天线形式及分析与设计的主要目的是考察人体组织的电磁特性，分析人体组织对天线特性的影响，选择合理的天线形式及布置方式，提高信号传输效率，降低吸收率（SAR）。实现体内及体表天线快速、精确的分析与优化设计;降低天线载体不确定性及测试环境的影响，寻找合理的横向、纵向性能比较方式，提高天线测试方法的精确性与客观性;结合小型化、高效率、低SAR值等要求，设计适用于血压计、心电图仪、脑电图仪、胶囊胃肠镜以及网关等无线体域网节点的一体化天线。每个节点依据功能不同，可分为单工/双工，都需要发射无线信号，都需要天馈系统来完成微波信号的放大/接收。一般的射频器件体积较大，难于满足要求，需要把天线和微波射频器件一体化设计，减小体积，降低损耗。

9.2 双向通信的中继及超低功耗的

终端节点设计

双向通信的中继及超低功耗的终端节点设计的主要目的是实现多个人体医疗数据采集无线传感器节点将采集的数据发送给协调器节点，同时接受协调器节点发送的控制命令帧。协调器节点可以和上位机连接，通过Internet与远程控制中心连接，也可通过节点上的Wi-Fi模块或GPRS/3G模块以无线的方式连接远程控制中心。当医疗采集传感器节点与协调器节点距离较远时，它们的无线数据传输会通过中继节点进行。中继节点本身不产生数据，只转发无线传感器节点或协调器节点的数据。无线传感器节点采用电池供电，为节省功耗，节点采用休眠模式。

9.3 医疗监测传感器节点设计

医疗监测传感器节点设计的主要目的是实现人类的医疗数据采集系统，特别是患者监测系统。其对设计者来说一直是比较大的挑战。因为必须从非常大的共模电压及噪声中提取出非常微弱的电信号。以心电图采样传感器为例，由于心脏壁收缩所引起的动作电势将电流由心脏传播到整个人体，所传播的电流在人体的不同部位产生不同的电势，通过电极可以在人体体表感应得到。该电势属于交流信号，带宽为0.05～100 Hz，有时还能高达l kHz。而电势通常处于1 mV的峰峰值，并夹杂于大量的外部高频噪声中。该噪声将产生50/60 Hz的固有模式干扰（与电极信号混淆）以及共模模式电压干扰（共模至所有电极信号）。心电信号具有如下主要特征：

·微弱性：人体体表的心电信号很微弱，一般只有0.05～5 mV。在采样中必须通过放大器适当放大，同时必须进行滤波等抗干扰处理。

·低频特性：人体心电信号的频谱范围在0.05～100 Hz，频率比较低。

·高阻抗特性：作为心电的信号源，人体源阻抗一般较大，可达几千欧姆至几十千欧姆，这将给心电提取放大带来误差和失真。

由于其输入阻抗很高，容易受到噪声的干扰，因此需要设计如何尽可能屏蔽输入回路及裸露的小信号部分。否则噪声将窜入信号输入模块，使得波形带有较多的噪声。另外，心电图采样传感器内含精密放大器和高精度模数变换器，在电路设计的时候需要考虑电源的滤波，并且采用对电源噪声不敏感的电路结构，还需使得电源有足够的驱动能力，并且有尽可能小的纹波。

除心电图（ECG）采集无线传感器节点外，血压测量、脉搏及血氧测量无线传感器节点等的设计还有其不同的特征。其中血压测量传感器节点将由ARM公司的MCU、电磁气阀、充气袖袋、压力传感器、放大电路、数据采集电路、无线传输模板等构成，而脉搏血氧模块中的传感器单元拟采用双光束脉搏测量探头来设计。这些传感器所采集到的数据将会通过前述的无线网络传送到监测中心或远程医疗中心。

10 无线体域网的数据采集

系统

无线体域网中传感器节点（或设备）所要监控的人体（生理）信号分为3类[11-14]：

（1）连续型时变生理信号

一般为各种波形居多，如肌电图和脉搏波等，对应的传感器（设备）包括脑电图扫描仪、视觉传感器、听觉传感器、心动电流仪、心电图仪、聚偏二氟乙烯（PVDF）压电脉象传感器、心脏起搏器和吸入式药丸摄像机。

（2）离散型时变生理信号

如体温、血压和血氧饱和度等生理参数值，对应的传感器（设备）包括吸入式药丸温度测量仪、胰岛素泵、肺功能传感器、葡萄糖检测传感器、出汗量检测传感器、指环式心率感知器、血氧饱和度传感器、体温传感器、非入侵血压监测仪和脉搏率检测传感器。

（3）人体活动及动作信号

用于监控病人的日常活动或人体活动，对应的传感器包括人体活动传感器、加速度传感器、动作传感器、耳戴式活动识别传感器和螺旋仪。

对于无线体域网数据融合框架的设计需要完成以下功能：

（1）对于数据传输量的控制

由于进行数据发送和接收时对于电能的消耗远远大于进行运算所消耗的电能，因此需要对于数据传输进行控制。而对于数据传输量的控制是在保证系统能正常正确运行的前提下进行。

（2）对于融合算法的要求

对于不同类型节点需要采取不同的数据融合算法，例如对于采集节点处的融合算法必须简单，需要不影响到数据采集，不会导致未进行处理的数据积压的情况出现，而对于簇头节点乃至汇聚节点，是进行功能性的融合，需要解决数据正确性和对命题支持性程度的融合。

（3）数据融合过程中需要重视上下文信息的作用

上下文感知会对被监护者的状态进行判断，例如利用监护者身上体动传感器的数据可以判断出被监护者的运动状态，即静止、运动状态之一，这些状态值会对生理指标产生影响，最终也会影响到融合的结果。

采集节点处采集到的数据类型有3种：正常数据、错误数据以及异常数据。

（1）正常数据

正常数据是指符合采集对象数值变化的规律性以及变化趋势的数据。例如人的体温，正常人值一般在36～37 ℃左右，不同个体之间存在少许差异，而且受内、外因素的影响会有一些波动，下午体温比早晨体温要稍高一点，剧烈运动或者进餐以后体温也会略微升高，但是波动范围一般不会超过1 ℃。

（2）错误数据

错误数据一般由传感器节点的失效或者环境恶劣等因素引起，正常的传感器节点会产生错误数据，偏离正常的数据范围;失效的传感器节点也会产生任意的读数，这两种数据都是错误数据。错误数据是没有规律的，具有任意性。

（3）异常数据

异常数据是除了正常数据和错误数据以外的数据，这时，传感器节点可以正常采集数据，没有失效，但是采集到的数据不是在正常范围之内，比如发烧会导致温度高于正常范围等等。这种数据的特点是具有短暂性，短时间内数据脱离正常范围，例如发烧的时候体温高于正常范围，退烧以后体温又会回到正常范围。

11 无线体域网的典型应用

场景

无线体域网的最典型应用是在医疗领域，包括人体传感器网络和人体（健康）状况监控等。人体传感器主要是采集人体的一些重要的数据信息，如心率、脑电图（EEG）、心电图（ECG）、体温、血压，以及某些化学物质的水平，如血液中的氧气和药物等数据传送到控制中心，控制中心分析这些数据，并进一步判断被监测人体的身体状况。目前研究认为，人体上或者内部大约可以部署10～20个各类传感器。由于传送的大部分为数据业务，因此所要求的数据传输速率比较低，一般低于10 kb/s。人体感应及保健医疗传感器通过生命体征/音频/视频信号供长期的个人健康状况检测。最常见的场景为医院中监测重症病人、医院外监测普通病人以及监控老人的身体状况。以无线的方式监测病人，病人可以摆脱有线仪器的困扰，可以给医院和病人带来极大的便利。医院病人的监控一般采用星型拓扑，数据信息传送到病人身边的监控器，当出现异常情况时，该监控器能发出警报。此外，在医院外部或者家里对病人或老人的监测和医院里采用的拓扑是一样的，所不同的是：监控器被一个数据收集器或者网关所取代，如PDA、手机等。这样，在人体身上构建一个微型的无线体域网，病人就可以自己监控自己的身体状况，并及时将身体状况信息通过现有的蜂窝网络/Wi-Fi传送到远程的监控中心。由此可见，无线体域网是无处不在的医疗保健网络的一部分，可以通过广域空中接口连接到后端医疗保健机构的基础设施，给病人带来更大的自由空间，提高了效率和监控的实时性。

除了在医疗领域的广泛应用之外，无线体域网在人们的日常生活中也起着重要的作用。现今社会，残疾病人越来越受到关注，无线体域网在残疾人群中备受欢迎。如在一个眼疾病人的身上穿戴一个无线体域网，就可以为该病人实时地提供路况信息，提供导航和定位功能。对于一个耳聋病人，在公共场所，如地铁或公交上，无线体域网可以将声音放大或者将信息通过身体上的小显示器显示出来供病人查看。电子支付是无线体域网用于残疾病人的另外一种应用场景。当盲人乘坐地铁或者去超市购物，在超市或地铁的出入口处安置具有体域网功能的传感器，当盲人出入时，身体上的中央控制单元就会检测到盲人靠近出入口处的传感器，中央控制器就会把盲人的电子支付卡信息传递到足部传感器，然后这些信息通过足部传感器传递到出入口处的传感器，这样出入口处的传感器就可以检测并验证盲人的信用卡信息，从而提供更快更便捷的服务。

无线体域网除了帮助残疾病人解决生活上的不便以外，还可以为更多的人提供诸如体育运动强度监测，危险区域信息监测等。在比较危险的场合，如消防、探险及军事场合，通过无线体域网可以提供警示信息，从而可以及时采取对抗措施，避免不必要的人员伤亡。如消防员出入高温、有毒气体的环境，如果温度和有毒气体的浓度超出危险阈值，携带在身体上的设备就会发出警示信息，提示消防员该采取什么措施急救;登高探险员，在高原缺氧环境下也可以携带无线体域网设备，用来提示空气的稀疏度对人体的危害;通过无线体域网还可以将重要的军事情报发送到控制中心或者远程指挥军队作战。在运动员身上构建人体域网络，用来监测运动员训练时的身体状况，以控制训练的强度。这些应用在我们的日常生活中起着不可或缺的作用。

无线体域网技术除了医疗和保健中的应用，近年来已逐步向其他领域发展。在娱乐、体育运动、军事、建筑等领域都有广泛的应用。目前已有的无线交互舞蹈表演系统，运动反应时的测量系统、战士生理状态监控及救助、真实环境下防跌倒监控等都是比较成功的例子。当今，航天事业的蓬勃发展，也使得无线体域网有了重要的应用空间。我们可以设想，在航天员的身上安置一个无线体域网，在太空仓的某些设备装置无线体域网的传感器，这样可以将一些重要的航空信息及宇航员的身体状况通过卫星通信的方式返回到地面的控制中心。当前的登月计划为人体域网络提供了广阔的应用空间。

随着传感器技术和无线网络传输技术的发展，无线体域网系统会在今后的医疗领域、健康监控、体育运动及娱乐、军事及航空航天领域等有着越来越广泛的应用，其社会价值和经济效益都是非常可观的。   （续完）

参考文献

[11] IEEE Std 802.15.6-2012. IEEE Standard for Local and metropolitan area networks - Part 15.6： Wireless Body Area Networks [S]. IEEE， 2012.

[12] ASTRIN A W， LI H B， KOHNO R. Standardization for Body Area Networks [J]. IEICE Transactions on Communications， 2009，E92.B（2）：366-372.

[13] 陆凯. 无线体域网（WBAN）通信关键技术研究 [D]. 南京邮电大学硕士学位论文， 2009.

[14] 情景感知在体域网上的应用 [EB/OL]. （2014-05-01）. http：//wenku.baidu.com/view/3cf36926de80d4d8d15a4fcd.html.