(译文)智能家居中的ZigBee多级实时健康监测系统.doc
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智能家居中的ZigBee多级实时健康监测系统摘要:我们提出了一个采用ZigBee技术的无线健康监测系统,用于智能家居中。通过3层架构,收集和处理生命信号。第一层装置是携带在人身上的移动设备,其上运行一些有线和无线的探针,这个装置也执行一些基本的处理,如心脏速率和生命死亡检测。在第二层,由本地服务器对移动设备连续发送的原始数据进行进一步处理。原始数据也存储在该服务器中。经处理的数据,以及由此得出的结果,再发送到中央服务器中心,用作专家对诊断的评审并储存。本文所推荐的系统的主要优点是:(1)具有无线检测身体区域网络(BAN)信号的能力。(2)低功耗和ZigBee网络节点间可靠的数据检测。(3)通过自适应的分层结构进行优化和分析数据,并能使三个层次合起来的处理和计算能力效用最大化。目前,我们正在为所提出的系统建立一个原型,它使用内部心电图(ECG)探头和ZigBee无线模块。关键字:ZigBee,心电图(ECG),健康监测I.引言个人区域网络(WPAN)作为众多无线技术之一而出现。如今,人们对于医疗保健监控、智能家居、工业控制的兴趣增长显著。ZigBee是第一个工业标准的WPAN技术,可提供短距离、低功耗和低数据率通信,并且支持mesh网络和多跳。虽然在智能家居的许多应用领域(如照明、安全和气候控制)中,ZigBee标准都是被建议采用的对象,但其在医疗保健应用中没有得到应有的重视,尽管它很重要和具有高的附加值。在这里,我们提出了一个无线实时健康监测系统的原型,用在智能家居领域中。有许多关于实时病人监测系统已被报道过。UbiMon(无处不在的可穿戴和植入式传感器监测环境)项目,旨在提供一个连续的和隐蔽的患者监测系统,以捕捉短暂、但危及生命的事件。CodeBlue项目探讨无线传感器网络技术在医疗方面的应用,包括院前急救、医院急诊护理、灾害响应中和风患者的康复。大多数现有的系统缺乏两个重要的特征:(1)合乎标准并且可靠的无线操作(2)能与智能家居系统兼容。我们这套以ZigBee为基础的系统是建立在这样的前提下的:智能家居能同已经广泛应用的无线技术相结合——这是医疗监控系统有效利用的关键。传感、传输和处理步骤的实用性是普及的主要障碍。因此,我们认为,基于新兴智能家居无线ZigBee技术的医疗监测系统具有很大潜力。此外,优化收集来的数据很关键。所谓优化,是指在三层(即移动装置、本地服务器和中央服务器)中的每一层里对计算和存储能力的最佳使用。例如,在无线网络连接的紧急情况下,移动装置可以在用户提醒方面发挥重要的作用,因此,移动装置可以再最紧迫的情况下用于检测。本地服务器通常具有很大的容量,从而可以执行更复杂的任务。在本文中,我们提供了系统的基本构架,我们目前正在开发它,并计划在未来两年实施一个试点市场。若取得了更多的进展,我们将会发布详细的算法以及试点项目的结果。下一节,我们将对ZigBee技术作个简要的介绍。然后再介绍心电图(ECG)信号的基本知识,它是我们在开发的第一阶段所要收集和处理的原始数据。随后是我们所用方法的某些具体细节,最后是一些结论性意见和对正在进行工作的讨论。II.ZigBee的无线传感和传输医疗数据基于标准的无线技术将使许多医疗应用受益,这种无线技术可靠、安全、运行、功耗低。已有的无线应用标准,如蓝牙和IEEE802.11,有较高的传输速率,但功耗高,应用程序复杂、成本高。ZigBee方面,ZigBee网络主要用于与低占空比传感器,激活时间小于1%。比如,一个脱机的节点可以在在大约30ms内连接到一个网络。唤醒一个沉睡的节点需要大约15ms,和访问通道或传输数据花的时间一样。像读氧气罐中压力这样的应用,传感器可以每小时发送一次读数,然后进入睡眠。低功耗要求远程传感有长的电池时间。ZigBee名称来自蜜蜂在花间飞行的曲折的路径(比喻数据包在节点间传送)。我们通过参照7层OSI模型(一种分层通信系统)来描述ZigBee。ZigBee联盟指定ZigBee底部三层(物理层,数据链路层,网络层),以及应用程序编程接口(API),使开发者能设计自定义应用程序来方便使用下层所提供的服务。图1显示了该联盟所采用的分层协议结构。应当指出,ZigBee联盟选择使用了一个已经存在的数据链路层和物理层规范,就是最近出版的IEEE802.15.4标准,它主要用于低速率的个人区域网络。以下,我们描述每个层的主要特点。ZigBee协议的完整描述可以在参考文献[1],[2]中找到。图1ZigBee协议栈示意图A.物理层主要功能IEEE802.15.4标准定义的操作的三个频段:868MHZ,916MHZ和2.4GHZ频段。我们将专注于2.4GHz频段,因为这是现在最常用的,除此之外,这个频段在物理层提供的最高数据传输速率