一种基于无线传感器网络的生理信号采集系统_英文_

合集下载

基于无线传感器网络的环境监测与控制系统设计

基于无线传感器网络的环境监测与控制系统设计

基于无线传感器网络的环境监测与控制系统设计一、引言无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是一种由大量分布式传感器节点组成的网络系统,用于监测和控制环境中的物理和化学参数。

WSN已经广泛应用于环境监测、农业、工业自动化等领域。

本文旨在设计一种基于无线传感器网络的环境监测与控制系统,通过对环境参数的实时监测和控制来提高资源利用效率、降低能源消耗,实现对环境的智能化管理。

二、系统架构设计2.1 传感器节点传感器节点是WSN中最基本的组成单元,负责采集环境参数并将数据传输给基站。

在本系统中,每个传感器节点由一个或多个传感器模块、一个微处理器和一个无线通信模块组成。

其中,传感器模块负责采集温度、湿度等环境参数,并将数据转换为数字信号;微处理器负责对采集到的数据进行处理和分析;无线通信模块则负责将处理后的数据发送给基站。

2.2 基站基站是WSN中负责接收并处理来自各个传感器节点数据的设备。

在本系统中,基站由一台高性能计算机和一个无线通信模块组成。

无线通信模块负责接收传感器节点发送的数据,并将数据传输给计算机进行处理。

计算机通过对接收到的数据进行分析和处理,得到环境参数的变化趋势,并根据需求制定相应的控制策略。

2.3 控制器控制器是根据基站分析得到的环境参数变化趋势,对环境进行控制的设备。

在本系统中,控制器由一个执行机构和一个控制算法组成。

执行机构负责根据控制算法给出的指令,对环境参数进行调节;控制算法则根据基站分析得到的数据和预设的目标值,通过数学模型计算出相应的调节策略。

三、系统工作流程3.1 环境参数采集传感器节点通过传感器模块采集环境中温度、湿度等参数,并将采集到的数据转换为数字信号。

3.2 数据传输传感器节点通过无线通信模块将采集到的数据发送给基站。

基站接收到来自各个传感器节点发送过来的数据,并将其存储在计算机中。

3.3 数据处理与分析基站上运行着一套完善的数据处理与分析算法,通过对接收到的数据进行分析,得到环境参数的变化趋势。

基于无线传感器网络生理参数采集系统设计

基于无线传感器网络生理参数采集系统设计

第23卷 第2期电子测量与仪器学报V ol 123 N o 12 ・94 ・ J OU R N A L O F EL EC T RO N I C M EA S U R EM EN T A N D I N S T RUM EN T 2009年2月本文于2008年4月收到。

3基金项目:广东省自然科学基金(编号:07010116)资助项目。

基于无线传感器网络生理参数采集系统设计3王 骥1 沈玉利2 林 菁1(1.广东海洋大学信息学院,湛江524088;2.仲恺农业工程学院,广州510225)摘 要:针对医院外人员远程监护,提出了一种基于无线传感器网络的人体动态生理参数采集系统。

系统将传感器网络节点布置于人体相应部位连续采集多种生理信息,直接无线发送到网关,经网关处理后将有价值信息通过CDMA 网络上传因特网送至专家系统,实现远程电子全双向的互诊。

利用所研制系统对受试者距离监测中心30km 外进行心音采集实验,实验结果与客观相符,实验数据误差不大于0.2%。

实验证明,系统稳定地工作在950M HzISM 频段,接收灵敏度-98dBm ,发射功率0.75mW ,数据速率40kbp s ,通信距离2.5km 。

而且较好地满足了实时远程监测的要求。

系统符合人类生活健康质量高要求的趋势,实现了远程医疗资源共享,因此具有特别旺盛生命。

关键词:生理信息采集;远程会诊;无线传感器网络;码分多址中图分类号:TP393.1TP873文献标识码:A国家标准学科分类代码:510.4010;520.20Design of collection system of physiological parameters based onwireless sensor net w orksWang Ji 1 Shen Yuli 2 Lin Jing 1(rmation School ,Guangdong Ocean University ,Zhanjiang 524088,China 2.Zhongkai University of Agriculture and Engineering ,Guangzhou 510225,China )Abstract :A remote system based on wireless sensor networks is p roposed for Non 2hospital personnel dynamic monitoring.The corresponding position of sensor nodes are arranged in order to collect a variety of human p hysiological information ,and t ransported to sink by wireless directly.The information is processed and t he valuable information is uploaded to Internet t hrough CDMA network ,and sent to t he database and achieve electro nic f ull duplex diagno sis.The developed system is used to collect t he heart sounds of a vol 2unteer t hat is over 30kilometers away.The experimental result is objective.The data error is not more t han 0.2percent.The model experiment shows t hat t he system operates stably at t he operating f requency 950M Hz ISM bands ,receives sensitivity -98dBm ,t ransmit s power 0.75mW ,data rate 40kbp s and wireless communication distance 2.5km.It satisfies t he real 2time requirement of remote monitoring.The feat ure of system is t he share of medical resources and is suitable to improve human healt h quality.So it is vital.K eyw ords :p hysiologic information collection ;long 2distance diagnosis ;wireless sensor networks ;CD 2MA1 引 言人体基本生理参数中蕴涵丰富的人体健康状态信息,生理参数的连续动态监测更为了解相关系统的生理、病理状况提供了丰富信息,如动态心电监测(Holter )、动态血压监测(AMB P )等。

基于无线传感器网络及异体结构无缝集成的数据采集系统

基于无线传感器网络及异体结构无缝集成的数据采集系统

黪 t n r

图 1 数 据 采 集 系 统 网 络 结 构 图
数 据 采 集 系 统 网络 结 构 下 至 上 三 层 : 一 层 , 息采 集 层 , 第 信 由无 线 传 感 器 智 能 节 点 构 成 。 能 节点 分 布 在 监 测 区 域 内 , 自 智 以 组 织 方 式 形 成 无 线 网 络 , 时 采 集 现 场 数 据 信 息 。第 二 层 , 息 实 信 传 输 层 , 汇 聚节 点 和 采 集 器 构 成 。 由 传感 器节 点 将 采 集 到 的 信 息 上 传 至 汇 聚 节 点 , 由汇 聚 节 点 发 送 到 采集 器 。 集 器 利 用 光纤 再 采 环 网最 终 上 传 到 信 息 中 , ̄ 务器 。第 三层 , 息 管 理 层 , bJ E 信 由服 务 器 构 成 。 成 数 据 信 息 整 合 、 令 发 布 、 储 备 份 等 管 理 和控 制 。 完 命 存
感 器节 点 、 8种 电力 信 息及 6种 附加 信 息 的 实 时采 集 , 构建 起 一 个 信 息 共 享和 交互 控 制 的异 构 无 线 网络 平 台 。 关 键 词 : 线 传 感 器 网 络 , 体 结 构无 缝 集 成 , 据 采 系统 无 异 数
AI ta t ,s rc b
线
基 础 是 稳 定 可 靠 的数 据 采 集 系 统 。 目前 数 据 采 集 系 统 多 基 于
OSIRM ( e S sem Itr o n c bn Reee c Mo e ) / Op n y t ne c n e t / f rn e d 1

; = .
模 型 、CP I 议 和 CA 总 线 , 控 制 面 向 多 元 化 , 统 面 向 1 /P协 N 在 系 分 散 化 的 发 展 趋 势 下 ,逐 渐 地 暴 露 出 OS/ M 在 多 种 类 型 1 IR 监 测 点 实 时数 据采 集 的 薄弱 ,CP I 复 杂 控 制 指 令 作 用 时 数 T /P在

无线网络技术导论课后习题及答案

无线网络技术导论课后习题及答案

第一章名词解释1、无线体域网:无线局域网是由依附于身体的各种传感器构成的网络。

2、无线穿戴网:是指基于短距离无线通信技术与可穿戴式计算机技术、穿戴在人体上、具有智能收集人体和周围环境信息的一种新型个域网。

3、TCP/IP:P12,即传输控制协议/因特网互联协议,又名网络通讯协议,是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础,由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。

4、OSI RM:即开放系统互连参考模型。

第一章简答1、简述计算机网络发展的过程。

答:计算机网络发展过程可分为四个阶段。

第一阶段:诞生阶段;第二阶段:形成阶段;第三阶段:互联互通阶段;第四阶段:高速网络技术阶段。

(如果想加具体事例查p1-2)2、无线网络从覆盖范围可以分成哪些类?请适当举例说明。

答:无线网络从覆盖范围可分为如下三类。

第一类:系统内部互连/无线个域网,比如:蓝牙技术,红外无线传输技术;第二类:无线局域网,比如:基本服务区BSA,移动Ad Hoc 网络;第三类:无线城域网/广域网,比如:蜂窝系统等。

3、从应用的角度看,无线网络有哪些?要求举例说明。

答:从无线网络的应用角度看,可以划分出:①无线传感器网络,例如能实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息并通过无线方式发送到用户终端;②无线Mesh网络,例如Internet中发送E-mail;③无线穿戴网络,例如能穿戴在人体上并能智能收集人体和周围环境信息;④无线体域网,例如远程健康监护中有效地收集信息。

4、现在主流的无线网络种类有哪些?答:P5(不确定)WLAN,GPRS,CDMA,wifi5、什么是协议?请举例说明。

答:P9第一段第三句;协议是指通信双方关于如何进行通信的一种约定。

举例:准确地说,它是在同等层之间的实体通信时,有关通信规则和约定的集合就是该层协议,例如物理层协议、传输层协议、应用层协议。

6、与网络相关的标准化有哪些?答:主要有:国际电信标准,国际ISO标准,Internet标准1.美国国际标准化协会(ANSI)2.电气电子工程师协会(IEEE)3.国际通信联盟(ITU)4.国际标准化组织(ISO)5.Ineter协会(ISOC)和相关的Internt工程任务组(IETF)6.电子工业联合会(EIA)和相关的通信工业联合会(TIA)7、无线网络的协议模型有哪些特点?答:(p13)无线网络的协议模型显然也是基于分层体系结构的,但是对于不同类型的无线网络说重点关注的协议层次是不一样的。

基于无线传感器网络的智能报警系统设计与实现

基于无线传感器网络的智能报警系统设计与实现

摘要: 设 计 并 开发 了 一 种 基 于 无 线 传 感 器 网 络 的 新 型 智 能 报 警 系 统 。利 用 多 种 传 感 器 节 点 模 块 采 集不 同位置 、 不 同性 质 的数 据 , 借助 Z i g B e e 短 距 离 无 线 通 信 技 术 将 环 境 参 数 传 输 到 汇 聚 节 点 模 块 进 行 归 类 和优 化后 发 送 到 控 制 中 心 , 再 通 过 GS M 通 信 网发 送 到 安全 管 理 中 心 或 用 户 实 现 报 警 。 提 出 了包 括 数 据 采 集 模 块 等 硬 件 系 统 以及 基 于 Z - S t a c k协 议 栈 等 软件 系 统 的一 整 套 解 决 方 案 , 测试 结果表 明 , 该 系 统 能 够 较 好 地 实 现 远 程 环 境 多种 类 数 据 的 采 集 和 传 输 , 架构简单 , 实现方便 , 可靠性高 , 具 有 一 定 的实 用
价值 。 关键 词 : 无 线 传 感 器 网 络 ;智 能 报 警 系 统 ;Z i g B e e ;C C 2 4 3 0 中图分类号 : TN9 2 5 . 9 3 文献标 志码 : A
无 线传 感器 网络 是 由大量 的传感 器节 点采
用 无 线 自组 织 方 式 构成 的 网络 , 与传 统 的数 据 采 集 系统 相 比 , 采 用 这 种 新 技术 的系 统 能 够 实 时检测、 感 知 和采 集 网络 分 布 区域 内 的各 种监 测对 象 的信 息 。Z i g B e e技术 以其 功 耗 低 、 短 时
感器 的状 态 数据 分 类 处理 后 发 送 给控 制 中 心 ,
收稿 日期 : 2 0 1 3 — 0 1 — 0 3 基 金 项 目: 北京 市 属 高校 人 才强 教 深化 计 划, 项 目号 : P HR 2 0 1 1 0 8 3 6 6 ; 北 京 市 本 科 生 科 学 研 究 计 划 项 目, 项 目

基于无线传感器网络技术的智能交通信息采集系统研究

基于无线传感器网络技术的智能交通信息采集系统研究

基于无线传感器网络技术的智能交通信息采集系统研究作者:钟吉源来源:《中国新技术新产品》2013年第23期摘要:本文通过介绍无线传感器体系结构及特点,提出了一种基于无线传感器网络技术的智能交通信息采集系统,并对系统进行试验测试,以供实践参考。

关键词:无线传感器;网络技术;智能交通;试验测试中图分类号:TP27 文献标识码:A1 无线传感器网络体系的结构及特点无线传感器网络是运用无线通信的方式将大量的廉价传感器节点进行汇聚,并最终形成的一个自组织的网络系统。

主要目的是感知网络覆盖区域中存在的对象信息,并对其进行采集、处理,然后再发送给观察者。

通常典型的无线传感器网络系统,其组成部分主要包括互联网、传感器节点、通信卫星、汇聚节点以及管理节点等。

无限传感器网络系统具体工作步骤为:首先在监测区内部或附近部署大量传感器节点,以便监测周边环境,然后收集相关数据信息,用无线收发装置收集到的数据信息输至汇聚节点处的数据处理中心。

输送时选择多跳路由的方式。

然后再将数据中心的数据信息通过汇聚节点输送至用户端,用户才能够通过管理节点实现对传感器网络的配置与管理以及对目标区域的监测。

2 无线传感器网络系统的设计2.1 层次型网络体系结构层次型网络体系,是以无线传感器网络系统的结构为基础模型,然后根据目前交通智能化要求而设计出的一种交通监测体系。

其主要组成内容为传感器节点、汇聚节点、基站和终端用户。

层次型网络体系的主要运行方法是:部署大量的传感器节点在目标监测区域内及其周边地区,对其周围的的交通数据信息进行全面有效的收集;通过相应的收发装置将收集到的数据信息输送到汇聚节点的数据处理中心,并进行相应的处理,再将其传送至基站,进行数据的接收、汇总和分析处理,最终用互联网将输送至高速公路监控中心,实现对交通数据信息实时监测,如图1所示。

2.2 无线传感器节点的设计无线传感器网络的智能交通信息采集中,传感器节点的设计要点是,以模块化组成整个节点系统。

基于无线传感器网络的测控系统

科技信息
计 算机 与 网络
基 于无线传感器网络昀测控系统
长 江大 学工程 技 术学 院 高 璐
[ 摘 要 】 目前, 无线传感 网络作为计算、 通信和传感 器相结合的一 门综合的信息获取和处理技术 , 已广泛应 用在 日 生活、 常 军事 、 环 境、 医疗等领域。本 文主要介绍 了利用射频芯 片 CC 4 0和传感 器采集和传输各种设备 的运行信息 , 22 这是 保证 测控 系统正常运行的
关键 。 采 用 Z g e iB e网络 实现 这 些 设 备 的协 同5 作 , 体 就是 在 每 个 设 备 上 添 加 一 个 Zg e 端 节 点 , 在 现 场 增 加 一 个 Zg3e协 - 具 iB e终 并 i1 e 调 器 节 点 , 成一 个 星 型 拓 扑 的 Z【3e网络 。最 后 通 过 构 建 温 湿度 采 集 Zg e 形 i/ ge ibe网络 的 实验 , 证 了方 案 能取 得 良好 的测 控 效 果 。 验
号发给协调器 。 当然 , 感测 信号很微弱可在数据采集模块 中加入放大电 路或调理电路。
图 3传感器节点硬件框图 单 片机的 S I 口 为主机工作方式时 ,其硬件电路是不会 自动 P接 设 控制 S O引脚 的。因此 , S I 在 P 通信时 , 应在 S I 日初始 化是 由程序控 P接 制 S , 其拉 为低 电平 , O将 此后 , 当把 数据写 入主 机的 S I P 数据寄 存器 后, 主机接 口将 自动启动时钟发生器 , 在硬件电路的控制下 , 移位传送 ,
通过 MOS 将 数 据 移 出 单 片 机 ,并 同时 从 C 2 2 I C 4 0由 MIO移 人 数 据 , S 8 位数据全部移出时 , 两个 寄存器就实现 了一次数据交换 。 C 22 C 4 0的工作 电压 为 3 33v - . ,所 以要用 电压转换模块把 电压从 5 V降到 3 V左 右 ; . 3 处理器根据收到的命令处理采集的数据 , 过射频 通 模块传给协调器 , 进行进 ~步处理 。 2 系统软件设计 、 本系统开发环境 是 k iC, el 采用 的协议栈 为 T 的 Z S A K 系统将 I ~T C 。 协 阍器通过串 口和上位 机相 连 ,通 过人机 交互的方式对传 感器进行数 据采集 。 必须知道 每个传感器节点的网络地址 , 就需要每个传感器设 这 备在加入网络后把 网络 地址 发送 给协 调器 ,协调 器收到传 感器 的网络 地址后建立地址表存储 起来 ,以便用 户要求 采集数据时依 据地址 表来 采集每个传感器 的数据 。 21 调器节点软件设计 .协 Zg e 协调器在 运行之前需要 配置相关 的网络参数和设 备参数 , iB e 供后面使用。在加电之后 ,i e z 邸e 协调器首先应 当扫描信道 , 选择合适 的信道 和网络标识建立 网络 , 然后允许其它设备加入网络 , 到这里 Zg i— Be e 协调器 的初始化工作结束 。进入正常操作状态之后 ,i e 协调器 Z Be g 需要管理 网络中的设备 , 括处理它们 的加入和离开 ;iBe协调器需 包 Zg e 要处理来 自 其它设备的绑定请求 ,为不 同设备之间 的数据转发建立相 关绑定信息; 它还需要能够处理各种设备和服务查询请求 ; , 当然 它还需 要 能够发送和接收数据。当协调器收到信息时 , 根据数据的第 1 个标识 字符来判断是传感器的网络地址还是传感器采集的数据。若是传感器 的网络地址 , 则把该网络地址存储在地址表里 , 然后把网络地址通过串 口发给上位机 , 由上位机 做进一步处理 ; 是传感器采集的数据信息 , 若 则需通过标识符进 一步判断 ; 如果用 户是 数据采集请求 , 则把该数据显 示给用户 。 当用户通过上位机监测系统发送数据请求时 , 传感器的网络 地址会通过串 口发给协 调器 , 协调器会根据该网络地址进行数据采集 。 22 感器节点软件设计 .传 设备上 电后将 扫描信道 , 加入合适 的 P N网络 , A 加入 网络后将把 1 位网络地址发给协调器 。 6 设备工作时将周期地轮询路 由器 , 看是否有 采集数据命令信息 。若有 , 则采集数据并把数据发给协 调器 , 否则继续 侦听信道。 在进 入正常操作状态之后 ,i e 终端设备往往只是 简单的 Z Be g

体域网

体域网,英文为Body Area Network(BAN),是附着在人体身上的一种网络,由一套小巧可移动、具有通信功能的传感器和一个身体主站(或称BAN协调器)组成。

每一传感器既可佩戴在身上,也可植入体内。

协调器是网络的管理器,也是BAN和外部网络(如3G、WiMAX、Wi-Fi等)之间的网关,使数据能够得以安全地传送和交换。

由于这些传感器通过无线技术进行通信,所以体域网也叫无线体域网(WBAN)。

体域网是一种可长期监视和记录人体健康信号的基本技术,早期应用主要是用来连续监视和记录慢性病(如糖尿病、哮喘病和心脏病等)患者的健康参数,提供某种方式的自动疗法控制。

比如,糖尿病患者一旦他的胰岛素水平下降,他身上的BAN马上可以激活一个泵,自动为患者注射胰岛素,使患者不用医生也能把胰岛素控制在正常水平。

体域网未来还可广泛应用于消费者电子、娱乐、运动、环境智能、畜牧、泛在计算、军事或安全等领域。

不仅如此,眼前仍停留在科幻小说之中的所谓“智慧尘埃”(具有处理能力和无线通信能力的显微镜器件)将来也完全有可能出现在体域网中。

体域网在国际上已经得到了广泛研究,包括医疗技术提供商、医院、保险公司以及工业界的各方人士正在开展战略性合作,但目前仍处在早期阶段,在毫瓦级网络能耗、互操作性、系统设备、安全性、传感器验证、数据一致性等方面面临一系列挑战。

IEEE802.15任务组6正在制定的BAN通信标准有望在2010年完成。

这种技术一旦被接纳采用,将在医疗保健方面取得重大突破。

体域网虽然是覆盖面最小的网络,但却是惠及面极广的网络,万万不可等闲视之。

截至2008年底,我国老年人口已达1.69亿,占总人口的12.79%。

我国是世界老年人口最多的国家,占全球老年人口总量的五分之一。

老年人为国家、为人民作出了巨大贡献。

作为一种回报,我们应该让体域网这种先进技术服务于我国老年人的医疗保健。

与此同时,在某种程度上BAN的应用还可以缓解医院拥挤看病难的问题以及助推远程医疗等构想的真正实施。

一种基于无线传感器网络的远程医疗_图文.

文章编号 :100220411(2006 022*******一种基于无线传感器网络的远程医疗监护系统赵泽 , 崔莉(中国科学院计算技术研究所 , 北京 100080摘要 :介绍了一种基于无线传感器网络技术的嵌入式远程医疗监护系统 . 首先 , 提出了以各种无线通信生理指标传感器形成一种可扩展的无线传感器网络的系统结构 . 然后 , 介绍在该系统结构中采用的无线生理指标传感器节点以及监护基站设备的设计 . 在本系统中 , 节点和基站设备所使用的近距离通信标准为 802. 15.4/Zigbee标准 , , 包括直接联入 I nternet 网络、使用 GS M 短消息通信方式或者通过 mode m 接入 I nternet 网络 .病房 , 构成远程的家庭、社区以及医院的医疗监护系统 . 3关键词 :无线传感器网络 ; 远程医疗监护 ; 802. 15. 4中图分类号 :TP393A Ba sed on W i reless Sen sor NetworksZ HAO Ze, CU IL i(of Co m puting Technology, Chinese Acade m y of Sciences, B eijing 100080, ChinaAbstract:An e mbedded re mote health care syste m based on wireless sens or net w ork technol ogy is established . Firstly, a ne w syste m architecture is p r oposed which intr oduces a scalable wireless sens or net w ork with a variety of wireless physi ol ogical sens or nodes . Then the designs of severalwireless physi ol ogical sens or nodes and the care base 2 stati on are p resented . W ireless communicati on bet w een the sens or nodesand the care base 2stati on is realized with I EEE 802. 15. 4/Zigbeestandard, and the care base 2stati on and the re mote central server are connected in one of the f oll owing ways, including computing net w ork, GS M short messages and telephone modem. The syste m can be used at home or in hos p itals t o f or m a re mote health care syste m a mong home, community and hos p ital .Keywords:wireless sens or net w ork; re mote health care; 802. 15. 4/Zigbee1简介 (I n troducti on医疗监护仪器目前可以分为两类 , 一类是指在医院内由职业医生或专业技术人员使用的专门仪器 , 对病人进行生理指标的监护 ; 另一类是在普通人员的家庭内或者户外 , 在医生的指导下 , 由病人本人或者家属使用远程医疗监护系统对病人进行监护 , 所得到的生理指标将及时传送给相关医生 . 目前 , 医院所使用的监护方法 , 大多使用固定的医疗监护仪 , 连接设备将传感器探头连接在病人与监护设备之间进行信号的传递 . 复杂的设备 , 众多的连线 , 会造成病人心理上的压力和紧张情绪 , 可能会影响病人身体状况 , 使得诊断所得到的数据与真实情况有一定差距 , 给病人和医护人员都带来不便 , 可能会影响对病情的正确诊断 .为了使经常需要测量生理指标的人员 (比如慢性病人或者老年患者等能够在家中在随意运动的状态下测量某些常规指标 , 目前国际上对远程医疗的关注越来越强 [1~5]. 本文设计出一种新的网络式监护装置及系统 , 目的是利用高频率的无线多通道数据传输方式 , 传递医疗传感器与监护控制仪器之间的信息 , 减少监护设备与医疗传感器之间的连线 , 使得被监护人能够拥有较多的自由活动空间 , 在获得较准确的测量指标的同时 , 免除病人在家庭与医院之间奔波的劳苦 . 同时 , 在医院病房内建立无线监测网络 , 很多项测试可以在病床上完成 , 能够极大地方便病人就诊 , 并加强医院的现代化信息管理和工作效率 . 另外 , 远程监护系统还可以扩展 , 使远离医院等医护机构的病员也随时能够得到必要的医疗监第 35卷第 2期 2006年 4月信息与控制I nfor mati on and Contr olVol . 35, No . 2 Ap r . , 20063收稿日期 :2006-01-20护 , 并且在必要的时候得到远程医生的咨询指导 , 比如我国农村的缺医少药地区 . 本文其它部分内容如下 , 第二部分介绍系统的体系结构 ; 第三部分介绍系统中所使用的基站设备的设计方法 ; 第四部分介绍系统中所使用的医疗传感器节点的设计方法 ; 第五部分介绍系统中基站和节点无线通信 ; 最后为实验验证和结论 .2系统结构 (System structure本文提出了一种基于无线传感器网络技术的远程医疗监护系统 , 提出了一种新的可扩展的多层次网络式体系结构及实现方法 , 即由监护基站设备和无线专用传感器节点构成一个微型监护网络 . 传感器节点上使用中央控制器对所需要监测的生命指标传感器进行控制来采集数据 , 数据发送至监护基站设备 , 传输至所连接的PC I n 2ternet , 由 , 提供必要的咨询服务 , 实现远程医疗 .图 1中描述了该远程医疗监护系统的体系结构图 , 系统中包括监护基站设备以及一系列医疗监护网络的医疗传感器节点.图 1监护系统结构示意图Fig . 1 Structure of the health care syste m在本文所设计的系统中 , 医疗传感器节点被用来测量各种人体生理指标 , 比如体温、血压、脉搏、血糖、血氧等 , 传感器还可以对某些医疗设备的状况或者治疗过程情况进行动态监测 . 所获得的数据信息通过无线通信的方式被传输到医疗监护基站设备上 . 我们将这类家庭基站或病房基站设计为手持型的设备 , 基站设备可以将收到的传感器数据信息进行保存和处理并将数据显示在该设备的 LCD 液晶显示屏上 , 而且可以根据需要选择采用多种方式进行远程数据传输通信 , 比如通过和 PC 相连接的 RS 2232接口、通过 GS M 短消息或者通过 mode m 接入远程以太网的方式接入远程网络 , 传送到远程端的信息将由远程端的监护中心或者医院管理中心的专业医疗人员进行统计与分析 , 并及时对病人进行信息反馈、提出忠告和建议等 . 医疗传感器节点可以根据不同的需要而设置 , 因此该系统具有极大的灵活性和扩展性 . 同时 , 将该系统接入 I nternet 网络 , 可以形成更大的社区医疗监护网络、护网络 , 2.图 2远程医疗监护网络示意图Fig . 2 Structure of the re mote health care net w ork3监护基站设备设计 (D esi gn of the hea lth care ba se st a ti on图 3所示是本文设计的医疗监护基站设备的结构框图 . 本系统主要实现的功能是采集并显示测试得到的数据信息 , 同时将数据信息进行适当存储和网络转发 , 因此本系统中的监护基站设备被设计成一种手持设备 , 同时监护基站设备可以和系统中的多个传感器节点进行通信以完成数据的采集和显示等功能 . 在使用过程中 , 监护基站设备通过无线信道向传感器节点发送控制命令来启动传感器节点 , 传感器节点接收到命令后进行相应的数据采集动作 , 采集人体生理指标数据 , 采集结束后通过无线通信的方式将数据返回到监护基站 , 由监护基站进行进一步的显示、存储等操作 . 必要时 , 监护基站设备可以通过网络将数据传输到远程服务器端 .医疗监护基站设备主要包括 :处理器、存储器、人机交互模块、通信模块接口等几个部分 . 医疗监护设备的主处理器采用了 TI 公司的 MSP430系列的低功耗处理器 , 该系列处理器具有超低功耗、处理速度高、接口丰富等特点 , 非常适合用于需要超低功耗以及高速的嵌入式设备 . 人机交互接口包括用户输入指令的键盘以及显示数据结果和操作过程的 LCD 显示屏两个部分.图 3Fig . 3 the base 2stati on为了增强系统的适用性和兼容性 , 监护基站设备上设计了多种通信模块接口 , 其中包括 RS 2232接口、 mode m 接口模块、 GS M 短消息接口模块和射频接口模块 . 其中射频接口模块用于和系统内无线传感器节点进行近距离通信 , 其他通信接口用于和主机服务器进行通信 . 例如 , 在家中没有 I nternet 网络接入的情况下 , 用户可以使用 mode m 模块接入电话线进行拨号 , 将数据传输至服务器端 . 在户外没有其他连接方式的情况下 , 用户可以使用 GS M 短消息的方式 , 将数据传输至服务器端 . 当处于医院或者社区医疗中心的服务器端接收到监护基站设备所发送来的数据信息的时候 , 则可以对数据进行存储以及必要的分析 , 医生则可以根据这些数据进行相应的判断和处理 . 对于在家中使用的医疗监护设备 , 用户还可以根据需要 , 通过 RS 2232接口 , 将设备连接在家中的 PC 机上 , 这样 , 就可以将监护基站设备的数据传输至计算机中 , 进行更灵活的管理 , 家庭成员可以根据数据自己判断被监护人员的身体状况 , 同时也可以将数据传输到主服务器上 , 由专业医疗人员进行分析与管理 . 图 4所示为本工作开发的监护基站设备的硬件照片 .监护基站设备在正常工作状态下使用电池进行供电 , 因此在设计过程中尤其注意了低功耗的管理与控制 . 在不工作的时刻 , 系统会进入低功耗以及休眠状态来节省系统能量.图 4监护基站设备硬件电路Fig . 4 The health care base stati on hard ware4监护感 (D esi gn of the sen , 程情况进行动态监测 , 并通过射频通信的方式 , 将数据传输至监护基站设备 . 如图 5所示 , 医疗传感器节点主要包括 4部分 :处理器部分、数据存储部分、传感器模块和 RF 射频通信部分 . 处理器部分根据低功耗和处理能力的需要 , 采用了 TI 公司的 MSP430系列单片机 . 存储器部分主要用于存储传感器所采集的临时数据 , 在处理器将数据传输之后 , 传感器节点内不做数据的大量存储 . 在本文所设计的系统中,图 5传感器节点结构框图Fig . 5 Structure of the sens or node医疗传感器模块主要实现了以下几种功能 , 包括血氧、脉搏、血压和血糖的测量等 . 其中 , 血氧和脉搏测量集成了上海贝瑞公司所生产的 BC I 血氧脉搏测量模块 ; 血压测量集成了台湾 Tai D oc 公司所生产的血压测量模块 , 血糖测量集成了 Tai D oc 公司所生产的血糖测量模块 . 图 6显示了这 3种模块的硬件电路照片 . 其中 , 图 6(a 为血糖测量节点 , 图 6(b 为血压测量节点 , 图 6(c 为血氧和脉搏测量节点 . 在本系统的设计中 , 无线节点为传感器扩展留出了丰富的接口 , 如果需要其它类型的生理指标数据 , 如体温、心电等数据 , 则只需要将相应的传感器接入预留的接口 , 就可以形成新的无线传感器节点 , 开发相应的嵌入式控制及处理软件 , 就可以将节点直接加入到该无线传感器网络中 .(a血糖测量节点(b (c 血氧和脉搏测量节点图 6传感器节点Fig . 6 Sens or nodes5无线通信设计 (D esi gn of w i reless co m 2m un i ca ti on在医院应用的医疗监护设备对电磁辐射的要求都很高 . 对于设备来讲 , 辐射的电磁波既不能够干扰其他设备正常工作 , 同时也应具有一定的抗干扰能力 , 不受其他设备辐射出的电磁波干扰 . 因此 , 在医院或者使用无线通信的家庭医疗设备在设计中必须对此方面进行考虑 . 在本系统中 , 所使用的射频通信为全球公开的免费 214GHz 的 I S M 频段 , 采用的通信标准为 80211514/Zigbee 标准 , 该标准专门针对近距离高速数据传输 , 具有较高的数据纠错和抗干扰能力 . 并且 , 系统对无线信号的工作强度进行了控制 , 使得在正常状态下 , 信号强度能够满足通信的需要而且不会有过多的浪费 , 一方面节省了系统的能量 , 另一方面也降低了无线通信过程对于其他设备的干扰 .本系统所设计的射频通信装置使用了以CC2420芯片为核心的射频通信模块 . 该芯片是美国 Chi pcon 公司生产的 , 是一款低功耗无线收发芯片 ,尤其适合工作于低功耗、低电压的无线通信设备中 .该芯片工作在 214GHz 的免费 I S M 频段 , 射频收发符合 I EEE80211514/Zigbee 标准 , 能够满足本系统射频通信的需要 .6实验验证 (Exper i m en t a l va li da ti on本系统在综合测试过程中取得了初步的结果 , 传感器采集数据 , 通过无线信道将数据发送至监护基站设备 ; LCD 显示屏上 , RS 2; , 可以根据这些曲 . 如果在, 则可以使用 GS M 短消息的方式 , 将测量的数据发送至服务器进行管理和分析 . 图 7和图 8说明了对被监测者的血氧状况进行监测并在监护基站设备上以及在计算机上显示数据的情况 .图 7在监护基站 LC D 显示屏上显示的血氧浓度测量曲线以及测量数值Fig . 7 B l ood oxygen concentrati on testing curve and valuedis p layedon the base 2stati on LCD screen图 8在远程 PC 机上显示由监护基站设备传输的血氧浓度测量曲线及数据Fig . 8 B l ood oxygen concentrati on measure ment curveand values shown on the re mote PC7总结和展望 (Conclusi on s and future work本文介绍了一种基于无线传感器网络的可扩展的远程医疗监护系统 . 该系统在家庭或者医院病房的环境中建立一个无线传感器网络 , 通过该网络 , 传感器节点采集人体生理指标信息 , 或者动态监测医疗仪器运行以及治疗的过程 , 并且将信息传输到监护基站设备和服务器计算机 . 传感器网络系统可以通过监护基站设备以不同的方式连接到该远程监控中心 . 系统具有高度的灵活性和可扩展性 , 可以广泛应用于社区的远程医疗和医院病房监护的环境中 . 通过 I nternet 网络可以构建远程医疗信息网 , 不仅有利于发达地区的病人获得保健服务 , 也有利于贫困地区的病人获得必要的医疗服务 . 在未来的工作中 , 将进一步开发该系统的软件和硬件 , 以提高稳定性和实用性 , 同时也将根据特殊的需要定制开发上层管理软件以及完善医疗监护管理平台软件 . 感谢 (Acknowledge ment本工作得到“ 中科院百人计划识创新基金” 的支持 .力支持 , .参考文献 (References[1] Maglaveras N. Citizen health syste m:telehealth homecare [J ]. Studies in Health Technol ogy and I nfor matics, 2003, 92:117~ 125.[2] M itchell S L, Morris J N, Park P S, et al . Ter m inal care f or pers ons with advanced de mentia in the nursing home and home care settings [J ].Journal of Palliative Medicine, 2004, 7(6 : 808~816.[3]陈晓春 , 衡彤 , 刘建业 , 等 . XE1201在无线中央监护系统中的应用 [J ].四川工业学院学报 , 2002, 21(2 :28~30. [4]周玮宁 , 施荣 , 沈连丰 . 基于蓝牙技术的无线医疗监护系统 [J ].现代电子技术 , 2004, 27(1:77~80.[5]诸强 , 王学民 , 胡宾 , 等 . [J ].北京生 , (3:~- , 男 , 助理研究员 . 研究领域为无线传 , 射频通信技术 , 自动控制 , 嵌入式系统等 . 崔莉 (1962- , 女 , 博士 , 研究员 , 博士生导师 . 研究领域为传感器技术 , 无线传感器网络 .。

基于无线传感器网络的智慧医疗健康监测系统设计

基于无线传感器网络的智慧医疗健康监测系统设计智慧医疗健康监测系统的设计随着科技的发展,智慧医疗健康监测系统在医疗行业中扮演着越来越重要的角色。

基于无线传感器网络的智慧医疗健康监测系统将传感器技术、无线通信技术和云计算技术融合在一起,为医疗机构和患者提供了更加便捷高效的健康监测解决方案。

一、智慧医疗健康监测系统的基本原理智慧医疗健康监测系统基于无线传感器网络,其基本原理包括传感器数据采集、信号传输、数据处理和信息展示。

1. 传感器数据采集智慧医疗健康监测系统中的传感器可以采集各种人体生理参数,例如体温、心率、血压、血氧饱和度等。

传感器可以直接安装在患者身上或者由患者佩戴,实时采集生理参数,并将数据传输给系统。

2. 信号传输采集到的生理参数数据通过无线传感器网络传输给远程服务器或云平台。

传输方式可以包括蓝牙、WiFi、Zigbee等。

3. 数据处理远程服务器或云平台接收到传感器数据后,对数据进行处理和分析。

这些处理和分析包括数据过滤、去噪、特征提取等,以获取准确的健康状况信息。

4. 信息展示处理完的数据可以通过Web界面、手机App等方式展示给医护人员和患者。

医护人员可以实时监测患者的健康状况,并立即采取相应的医疗干预措施。

患者也可以通过系统了解自身的健康状况,做出相应的调整。

二、智慧医疗健康监测系统的优势基于无线传感器网络的智慧医疗健康监测系统带来了许多优势。

1. 实时监测传感器可以实时监测患者的生理参数,医护人员可以迅速了解患者的健康状况,并及时做出相应的医疗干预。

2. 方便性和移动性患者可以佩戴或携带传感器设备,无需到医疗机构进行监测,提高了患者的舒适度和独立性。

同时,医护人员也可以通过移动设备随时获取患者的健康数据,提高工作效率。

3. 数据集中管理智慧医疗健康监测系统将患者的健康数据集中管理,降低了数据的丢失和混乱风险。

可以通过云平台将数据备份和同步,确保数据的可靠性和完整性。

4. 患者教育和自我管理患者可以通过系统了解自身的健康状况,学习如何进行自我管理和保健。

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

Journal of Southeast U niversity (Eng lish Edition) V o.l 26,N o .1,pp .73-77M ar .2010 I SSN 1003 7985Physiological signal acquisition syste mbased on w ireless sensor net worksQ iuW enjiao Zhang Y ongkui(K ey L abo ra t o ry o f Ch ild D eve l opm ent and L earn i ng Sc ience o fM i n istry o f Education ,Southea st U n i v ersity ,N anji ng 210096,Ch i na)Abstr act :B ase d on w ireless sensor net w orks ,a physi o l ogicalsi gnal acquisiti on syste m is pr oposed .The syste m is use d i n classroo m education in order t o understand t he physi o l ogical c hanges i n t he students .I n t he s y ste m,the biolog i cal electrical si gnal relate d to student atte n ti on a nd e m oti on states ca n be m easur ed by electrocar d i ogr aphy signals .The b i oel ectri cal signal is digitali zed at a 200H z s a m p ling rate and is tra n s m itted by t he Z ig B ee protoc o.l S i m u lta neously ,t he B l uet ooth technology is als o e m be dde d i n the nodes so as to m eet the high sa m pli ng rate a nd the high ba nd w i d t h tra n s m issi on .The syste m can i m p l e m ent them on it o ri ng tas k s for 30students ,and t he experi m ental resu lts of usi ng t he syste m i n t he cl assroo m are propose d .Finall y ,t he a pplicati ons of w irel ess se n s or net w orks used in e ducati on is als o d iscussed .K ey w or ds :w ir eless sensor net w or k ;physi o l ogical si gna;l e du cati onRecei ved 2009 07 20.Biographies :Q i u W en ji ao (1969 ),m ale ,graduate ;Zh ang Y on gku i (corres ponding au t ho r),m ale ,do ctor ,ass ociat e pro fess or ,yzhangb @s .cn .Foundati on ite m:The N ati ona lNatural S ci en ce Foundation of Ch i na(No.60775057).C itati on :Q iu W en ji ao,Zh ang Y on gku.i Phy si o l og i ca l signa l acqu isition s y st e m based on w i rel ess sen s or net w ork s[J].J ournal o f SoutheastU niver sit y (E ngli sh Ed iti on ),2010,26(1):73 77.Although the attent i on state and e mot i ona l state of stude n ts dur i ng the lear n i ng process belong to the psyc holog ica l do m a i n,it can be i ndirectly m easured by physi o l og i cal signals ,suc h as e lectr ocard i ography si gnals and pulse signals .Students and teachers m ental states of attention and e mo ti on in the classroo m m ay be chang i ng dur i ng teach i ng progress ,wh ich can physi o l og i cally acti vate the sy m pathetic and parasy mpathetic division o f theautono m ic nervous syste m (AN S )[1 2].T hese m easurable physi o l og i cal signals can be recorded for the analyses of psyc holog ica l ar ousal of social re w ar ds and punish m ents ,such as posit i ve feedbac k by the teacher s praises or higher exa m i nat i on grades ,even the a mount of a scholarship ,al though the arousal of the autono m ic nervous syste m reac t i ons m ay be a co m plex i ndirect relationship to e m o t i on [3 4].Interact i ons bet w een states of the autono m ic nerv ous syste m and cognit i ve perfor m ance have a long trad ition of being a top ic of psycho log ical research .C lassic concepts fro m mo tivat i onal psycho logy have suggested an i nverted u shaped association bet w een unspec ific activat i on and m ental funct i oning [5 6].A ccor d i ng to this ,the best funct i onal condit i ons are expected atm idrange arousa,l and both over ar ousa l and under arousal are acco m panied by declines in perf or m ance .Cardiovasc u lar psychophysiology has also contributed to this li ne of research ,the respective models re l at i ng changes in card i ovascular act i v ity to facilitation,i nh i b it i on of i nfor m ation processi ng [7]or ener get icm ob iliza t i on o f the organis m when faced w ith a situat i on requ iri ngbehav i oral ad j ust m ent [8].H o w ever ,although this certai n ly const itutes a benefic i a l appr oach ,e m p irical work i n th isf i e l d re m a i ns re lati vely sparse [9].Both the sy m pathetic syste m and the parasy mpathetic syste m contri bute to cardiovascular regulat i on [10].Sy mpathetic i n fl uences are trans m itted through efferent fibres to the si nus node ,the m yo cardiu m and the vascularm usc u lature ,and their activati on leads to an i ncrease i n heart rate ,cardiac contract ility and vascular tone .Parasy mpathetic i nfl ue nces arew i de l y ,but not co mpletely ,restri cted to the m odulat i on of heart rate through i nhibiting sinus node act i v ity .I n addition ,the cardiac baroreflex is involved .I n th i s negative feedbac k loop ,c han ges i n the act i vity of the arterial baroreceptors due to fl uctua tions i n b l ood pressure are responded w ith co m pensatory changes i n heart rate and contract ility .A co mplex net work of brai n ste m un its subserve cardi ovascular autono m ic contro,l e .g .,the nucleus of the so litar y tract(NT S),the dorsalm otor nucle us(DMN ),the nucleus a mbiguous(NA )and the rostralventrolateral medulla(RVL M )[11].B ilateral direct and i ndi rect c onnecti ons ex ist bet w een this net work and cortical areas ,which for m an m i portant li nk bet wee n cardi ovascularregulation and cogn ition [12-13].The present study am i s at in vest i gat i ng relationsh i ps a mong features of sy m pathetic ,para sy mpathetic and bar oreflex car d i ovascular control and atten tional perfor mance .To collect these physi ca l and mental states data i n real tm i e and objectivel y ,a hybrid w ireless sensor net w ork is desi gned as the subjects of a teac her and st ude nts are mob ile .For m edical and ho m e usage ,li ce nse free IS M (i ndustr y ,sci ence ,m edical)radio frequency(RF )o f 2 4G H z Z i gBee w irel ess sensor node technology is usef u l [14 18].1 Syste m D escripti o nA s a secondary ai m ,the study i nvestigates i nter i nd i v i d ual differences i n task i nduced cardiovascular m odulat i ons .Porges [19]postulated an associat i on bet w een resti ng cardiac vagal tone and the ex tent o f card i ovascular react i v i ty .Th is is consistent w ith stud i es that have revealed m ore pronounced heart rate responses to var i ous st i m u li i n chil dren and adults w ith higher baseline heart rate variabili ty [19 21].Cardiovascular reacti v ity to cogniti ve de m a nds m ayalso rel ate to task perfor m ance .Duschek [22]found a positive correlat i on bet wee n systo lic and diastolic b l ood pressure in creases duri ng the executi on o f five attenti on tasks a nd the perfor mance on each o f the m.I n i nfants ,greater decreases of RS A duri ng m ental testing are related to higher f unct i onallevels [21].Inter i ndividual differences in cardiovasc ular mod ulation possi bly reflect different degrees of autono m ic adj ustm e nt asw ell asmot i vat i on on a task ,both of wh i ch m ay contri bute to perfor mance .H o w ever ,i nc onsiste nt findi ngs ,.i e .,m issi ng or even i nverse associat i ons bet w een car d i ovascu l ar reactivity a nd mental perfor m a nce ,have also been repor te d [23 24].T hus ,the curre nt state of research does not a llo w defi nite conclusi ons .The hardware of t he w ireless se nsor net works(W SN s)consists of the data co llecting and trans m itt i ng parts which w ill be attached to students and teachers .To re spect t hese stude nts and teachers w illi ngness to try this ne w device ,the nodes can be c onnected by ECG leads ,but a lso can be rejecte d by the connecti on of leads .The syste m is au to configure d i n the classr oo m.The application of W S N s for physi olog ical si gnal acquisition in the cl assroo m is sho wn i n F ig 1.Fig 1 The sm i p l e star conf i gurati on o f w i reless nodes i n class room1 1 D ata collecti ng and trans m itt i ng partsT his part is desi gned to collect and trans m it physiolog i ca ldata fro m t he subjects [3].W e collect t w o kinds of physi o l og i cal signals :electr ocar d i o si gnals and pulse si gnals fro m the subjects in this research .AD620is chosen as the pre a mpli fier for the a m plification of the weak bi oelectrical signals of 10to 20mV .The ECG uses three standar d lm i b leads (left ar m,ri ght ar m,right leg).T he pulse sensor uses PVDF pie zoelectric fil m w ith a te m perature co mpensati on co mpone nt and an i ntegrated si gnal circuit .A fter pre a mplification of about 100tm i es ,the signal is subjected to l o w pass and hi gh pass filters (5to 100H z).T o reduce the 50H z po w er li ne i nterfere nce ,the addit i onal notc h f ilter is designed before the signal is pro m oted to a posi tive DC level of 1 5V.The har dware block diagra m and cir cuit are shown i n F ig 2and F ig 3.F ig 4sho w s the picture of the se nsor node .The a nal og si gnals ar e di gitali zed usi ng a n A t me ga128m icr ocontroller s on c hi p ADC at a 200Hz sa mpli ng ratebecauseFig 2 Phy si o l og i ca l signa l acquisiti on hardw are block d i ag ramF i g 3 C ircuit pri nc i p l e b l o ck diagra m o f sen s o r i nput unitF ig 4 P i c t ure o f t he senso r nodethe frequency range of the physiolog ical si gnal is fro m 5to100H z .U si ng a hard w are SPI i nterface ,t he collected data are trans m itted by the w ireless sensor net wor k w it h the Z i g Bee protocol by a CC2420RF chip .A s t he gate way to a per sonal co mputer (PC ),the sink node co mm un icates w it h the PC thr ough a RS 232i nterface .1 2 Soft w are chart of data co llect i ng and trans m itting parts 1 2 1 Topo l ogy confi gurati on of theWSN T he WSN is expected to realize t he dyna m ic m anage m ent o f nodes ,suc h as the j o i nt and leave of the nodes ,serv ice d iscovery ,and dev ice auto configurat i on .The topology con tr o l can adapti vely organize certa i n numbers o f nodes to a net by certain m echan is m s .W e establish a star net wor k i n the intelli gent classr oo m.The sink node init i alizes the net work ,broadcasts its net work address and sca n c hanne,l and receives responses fr o m the ter m inal nodes ,whil e the ter m i nal nodes atte mpt to seek and joi n the net after i n itialization [4].1 2 2 Task sc he duling m echanis m I n our syste m,w e realize tasks such as data acqu isit i on ,storage ,processi ng and tr ans m ission ,usi ng the sm i ple F I F O (first in first out)task scheduli ng .The data str ucture used74Q i u W en ji ao ,and Zhang Yongku ii n the F I FO is a c irc ular que ue ;eac h ele m ent i n it i s a func t i on po i nter ,po i nti ng to the head address of the releva nt task .A ny task m ust enter t he task queue by a task subm it t i ng f unction and c ha nge the rear poi nter ,wh ile it can only run the task runn i ng functi onwhen t he front poi nter points to its function pointer .The tasks i n the queue w ill be exec uted successi vel y .A task can appear as one kind of operat i on ,wh ic h can only be interrupted by events such as cloc k i nter ruption ,A /D interrupti ons and so on ,but not by any othertasks [14].1 2 3 D esi gn of data packet The space nodes i n the classr oo m can collect vari ous phys i o l og ical data of st ude nts and env ir onm e nta l data .I n our sys te m,we use si x A /D channels f or the co llection of the si g nals of the ECG,2 axis accelerat i on ,pressure ,te mperature and hu m i d ity ,respectively .W e asse mble the gathered data (H ere it i s the pay l oad of the data pac ket)and so me othercontrol i nfor m at i on i nto a data packet [15 16].T he fra m e contr o l fi eld w ith a 2 byte leng t h defi nes the control infor m ati on or fra m e for m at .The data seque nce nu mber i de ntifies the data packets in an orderly fashion .The address conta i ns t he PAN I D ,destinat i on node s address and source node s address .T he payload is the data of si gna ls w e co llect fro m the students and the environment of the classroo m.W e put these data into a n array ,storing ECG,x axis accelerati on ,y ax is acceleration ,z ax is acceler at i on and pressure in seque nce for 5tm i es of circular sa mpling ,w ith te mperat ure and hu m idity data at t he e nd of the array . T he soft w are design of our proposed syste m is based on the Z ig Bee protoco.l H o wever ,our collected data has a h i gh data rate c o m pared to the ho me control syste m [25].W e take package trans m issi on m ethods to m i prove net wor k perf or m ance .F ig 5and F ig 6sho w the flo w c harts of the ter m i na l node and the sink node ,respective l y.Fig 5 F l ow cha rt o f t he ter m i na lnodeFig 6 F l ow cha rt o f t he si nk node1 3 G raphical user i nterface desi gnT he ter m i na l display and the si gna l pr ocess are sho wn i nF i g 7and F i g 8.A real tm i em onitori ng soft ware m i ple m en ted on the PC is created usi ng the LabV I E W progr a m.On the PC,t he ter m inal display a nd si gnal pr ocess can sho w the data of electrocardi o si gna ls ,pressure signals and accelera tion signals which are all m easured by the body se nsors and tra ns m itte d by the w ireless net wor k system.Fig 7 A n exa m ple o f m easuredsignalsF i g 8 The ter m i na l d is p lay and the si g na l pro ce ssI nteractions bet w een states of the autono m ic nervous syste m and cognit i ve perf or m ance have l ong been a tradit i on as a topic of psyc ho l og ical researc h .C lassic concepts fr o m mo tivational psyc ho l ogy suggested a n i nverted u shaped associa tion bet w een unspecif i c activation and m e nta l function i ng [5 6].A ccor ding to this ,the best f unctional conditi ons are expected at m i drange arousa,l and bot h over ar ousal75Physiol og i cal s i gnal acqu isiti on syste m based on w i reless se nsor net w orksand under arousal are acco m panied by decli nes i n perf or m ance.Cardi ovascular psyc hophysi ology has also contri buted to this li ne of researc h,the respecti ve models relating chan ges i n cardi ovascular activity to facilitat i on or inhi biti on of i nfor mat i on processi ng[7]or ener getic m obilizati on of the or ganis m when faced w ith a situati on requiri ng behav i oral ad j ust m e nt[8].H o wever,alt hough th i s certa i nly constitutes a benefici a l approac h,e m piricalwork in th i s fiel d re m ains rel at i vel y sparse[9].2 R esu lts and D iscussi o nT he attent i onal capac ity is assessed usi ng a classic letter cance ll at i on test[23].T asks of this type address the cogni t i ve co m ponents of selective and sustained attention that are undoubted l y of vast i m portance in everyday life[26 27]. In the test,subjects have to select and m ark as m any tar get sti m uli as possi b le i n a g i ven a m ount o f ti m e,and, hence,it also creates a certa i n load on the speed o f infor m ation processing.A utono m ic para m eters are recor ded under resting cond itions duri ng the exec ut i on of the task. O ne m ay assum e that features o f autono m ic control as sessed duri ng cognitive processi ng sho w the closest li nk to perf or m ance.On the other hand,on task m easures are i n fluenced by factors such as m enta l effort,e mo tiona l stress or sub jectively experienced task d ifficulty.I n contrast, base li ne m easures are free of these confounding variab les. T he fo ll ow ing predict i ons are m ade:1)T aking an i nverted u shaped assoc i at i on bet w een unspec ific sy m pathetic a rousal a nd m ental perf or m ance into account,a nd assum i ng an e xperm i ental situati on i n which sy mpathetic over act i v ity is unli kely to occ ur,an i nverse re l ationshi p bet ween RP I and atte ntional perfor mance may be expecte d;2)O n account of Por ges model[19],w e predict a positive correlati on bet ween the resting RSA and perfor mance;3)Our find i ngs on the baroreflex funct i on suggest t hat i ndividualsw ith an i ncreased BR S should e xhi b it poorer perfor mance[28];4)G i ve n the in verse associat i on bet ween oscillati ons in theM F ba nd a nd the m ental effort l oad,and supposing better perf or m ance i n the case of hi gher effort,t heM F po wer assessed duri ng task exe cut i on shou l d correlate ne gati vely w ith perfor mance;5)Con sideri ng Porges hypot hesis[19],we expect higher cardi ovas cular reactivity in indi v i duals w ith the hi gher rest i ng RS A;6)Even though the available database is so me what controver sia,l the li kel y assoc i ation bet ween mental effort and auto no m ic reactivity suggests str onger react i v ity to be related to better perfor m ance.3 Concl u sionIn this paper,w e develop a real tm i e,physiological data acquisiti on syste m f or educat i on assess m ent,wh i ch co m bi nes LabV I E W and w ireless sensor net wor ks,and w e fulfill the f unction of collecting,trans m itti ng,displ ay i ng and process i ng physiolog ical signals.In f uture w ork,we plan to add m ore f unctions to the ter m i nal display and si gnal process suc h as the e x traction of the special freque ncy spectru m s, and furt her psyc ho l og ical researches on the physi o l og ical si g nals fro m more subjects.F i nally,our subsequent consi dera t i on is to set up a more efficient m et hod to obtain physi o l ogi cal signals for assessing e motional states and mental reacti ons duri ng lear ning i n the classroo m.References[1]R a i nv ille P,Becha ra A,N aqv iN,et a.l Ba sic em o ti on s areasso ciated w ith d isti nc t pa tterns o f cardio re s p ira t o ry acti v ity [J].Int J P sychophy sio l,2006,61(1):5 18.[2]D uschek S,M uckentha ler M,W erner N,e t a.l R e l a tionshi p s be t w een fea t ures o f aut onom ic card i o va scu l ar contro l and cogn iti v e perfo r m ance[J].B i o l o g ica l P sycho l o gy,2009,81(2):110 117.[3]S te mm ler G.T he autonom i c diffe renti a ti on o f em o ti ons rev isited:conv erg en t and d iscri m i na te va lida tion[J].P sycho physi o l o gy,1989,26(6):617 631.[4]Izard C E,M alate sta C Z.P erspec tives on e m o ti ona l deve lop m ent[M].N ew Y o rk:W il ey,1987:494 554.[5]H eeb D O.D r i v es and the CN S[J].P sycho l Rev,1955,62(4):243 254.[6]Y erkesR M,D o ds o n J D.T he re l a tion o f streng th o f sti m ulus t o rapi d ity o f habit fo r m ati o n[J].Journa l o f Com pa ra tive N euro lo gy and P sycho log y,1908,18:459 482.[7]L acey J I,L acey B C.Som e au t onom ic cen tra l nerv oussy stem i nterrela tionshi p s[C]//Physi o lo g ica l C o rre l a te s o fE m o tion.N ew Y o rk:A cade m ic P ress,1970:205 227.[8]O brist P A.C ardiova scula r psychophy sio log y:a per s pective[M].N ew Y o rk:P lenu m Press,1981.[9]H ansen A L,John sen B H,Thayer J F.V aga l i nfluence onw o rking m e m o ry and a tten tion[J].Interna tiona l Journa l o f P sychophy sio l o g y,2003,48(3):263 274.[10]L ev y M N,P appano A J.C a rdi o va scu l a r phy sio log y[M].Phil adelphia:M o sby E lsev ier,2007.[11]V an R oon,M u l de r L J M,A lthausM,e t a.l Introduc i ng abaro reflex m ode l fo r st udy ing card i o vascular effects o f m en tal w orkload[J].P sychophysio l o gy,2004,41(6):961 981.[12]D em bow s ky K,Se ll er H.F rom the hea rt to the bra i n:thep sycho physi o lo gy o f c ircu l a tion bra i n i nteraction[M].Frankfur:t Europ ischer V erlag der W issenschaf t en,1995:35 60.[13]R au H,E lber tT.P sy chophy si o logy o f arter i a l baro recepto rsand t he eti o l og y o f hypertensi on[J].B i o l P sycho l,2001,57(1/2/3):179 201.[14]Z hang W e,i Ji ng Shenq,i G ui L i n,e t a.l Phy si o l og i ca l dataacqu isition sy ste m fo r educa ti on a ssess m ent usi ng w i re l e ss senso r net w o rk[C]//P ro ceed i ng s o f the5th Interna tiona l Co nference o n Info r m a ti on T echno l o gy and Applica ti on.Shenzhen,Ch i na,2008:471 473.[15]D i ng Fe,i Song G uangm i ng,Song A i g uo,Hom e contro ls y ste m based on Z i gB ee w ire l e ss senso r net w o rks[J].Jour na l o f Sou t hea st U n i ver sity:Eng lis h Edition,2008,24(4):420 423.[16]Hong J H,K i m J M,C ha E J,et a.l A w ire less3 channelECG trans m issi on sy ste m usi ng PDA pho ne[C]//P roceed ings o f Interna tiona l Con ference on Converg ence Info r m a ti on Techno l o gy.Seou,l K o rea,2007:462 465.[17]C erny M,Penhaker M.T he hom ecare and circad i an rhy t hm[C]//P ro ceed i ng s o f t he5th Interna tiona l C onference onInfo rma tion T echno log y and A pplica ti o n.Shenzhen,Ch i na,2008:245 248.[18]C ar m en L opez C asado.N et w o rk arch itecture fo r g l o ba l b i om edical m on it o r i ng s e rv ice[C]//P ro ceeding s o f IEEE Eng i neer i ng in M ed ici ne and Bio log y27t h Annua l Co nference.Shangha,i C hina.2005:2433 2436.[19]Po rg es S W.Hear t rate va riab ilit y and dece l e ra tion as i ndexe s o f reac tion ti m e[J].Journa l o f Exper i m enta l P sycho l o gy,1972,92(1):103 110.[20]Po rter F L,Po rg es SW,M arshallR E.N e w bo rn pa i n cries76Q i u W en ji ao,and Zhang Yongku iand v ag a l tone :para lle l changes i n re s ponse t o c i rcu m c isi on[J].Ch ild D ev,1988,59(2):495 505.[21]D e G ang iG A,L aur i e R S ,C ast e ll an J ,et a.l T rea t m ent o fsenso ry ,e m o tiona,l and a ttenti ona l proble m s i n regu l a t o ry d is o rdered i n fants [J].In fants and Young Chil dren,1991(3):9 19.[22]D uschek S .E ssen ti a l hy po ten si on is accom panied by defic itsi n a tten ti on and w o rking m e m o ry[J].Beha vio ra lM edicine,2005,30(4):149 158.[23]B acks R W ,Se ljo s K A.M etabo lic and cardio re s p ira t o rym easures o fm en t a l e ffo r:t t he e ffects o f leve l o f diff i culty i n w o rki ng m e m o ry task [J].Int J P sycho physi o l,1994,16(1):57 68.[24]G endo ll a G H E ,W right R A.M o tiva tion i n soc i a l setti ng s :studies of effo r t related cardiov ascul a r arousa l[C ]//So cia lm o ti va ti o n:Consci o us a nd N onconsc i ou s P ro ce sses.L o ndo n :C a m br i dge U n i v ersity Press ,2005:71 90.[25]L ee M i H ee ,Y ang G yunghye ,L ee H yo ung K ,i et a.l D eve lop m ent stress m on it o r i ng sy st em ba sed on personal d i g ital a ssistant(PDA )[C ]//P roceedi ng s o f t he 26t h Annua l Inter na tiona l C onfer ence o f the IEEE E M BS.San F rancisco,CA,U SA,2004:2364 2367.[26]J o hnson A,Proc t o r R W.A ttention:theo ry and practice[M ].Tho usand O aks ,CA,U SA:Sag e ,2004.[27]Po s ner M I ,R afa l R D.Co gn itive theo ries of a ttenti on andt he rehab ilit a ti on o f atten tional defic its[C ]//N eu ro psycho lo gica l rehabilita ti on.Edinburgh :Churchill L i v i ng ston ,1987:182 201.[28]Y a su m asu T,R ey es de l Pa s o G A,T akahara K,et a.l R educed baro reflex cardiac sen sitiv ity pred icts i ncreased co gni tive perfo r m ance[J].P sychophysi o l o gy,2006,43(1):41 45.一种基于无线传感器网络的生理信号采集系统邱文教 张永魁(东南大学儿童发展与学习科学教育部重点实验室,南京210096)摘要:提出了一种应用于课堂教育的无线生理采集系统,以了解学生在上课过程中的生理变化情况.系统中,反映学生的注意力和情绪状态的生理电信号可通过测量ECG 来获得.生物电信号采用200H z 的采样速率,并由Z i g Bee 协议进行无线传输.同时,节点嵌入了蓝牙技术以适应高采样速率和高带宽的传输要求.本系统可以同时对30个学生进行监测,并且给出了系统在教室执行监测任务的实验结果.最后探讨了无线传感器网络在教育领域的应用.关键词:无线传感器网络;生理信号;教育中图分类号:TN9277Physiol og i cal s i gnal acqu isiti on syste m based on w i reless se nsor net w orks。

相关文档
最新文档