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1、基于分离控制和数据路径（SCDP）的无线电传感器网络系统在生物医学上的应用ShihLun Chen#1, Ho-Yin Lee#2, ChiungChen#3, HongYi Huang*4 ,ChingHsing Luo#5国家Cheng Kung 大学，电机工程学院，台湾台南大学路1号701摘要- 为医疗监听应用发展有柔性的、具有重构结构和智能的低动力无线电传感器网络 (WSN) 系统有逐渐增加的迫切需要。在微传感器、微电子机械的系统 (MEMS) 设备、低动力电子、射频 (RF)线路和系统中的技术发展,已经让这种高整合系统的设计和发展都成为了可能。本文中,我们展现了无线电传感器网络系统,
2、 用不同的传输频率分离成控制和数据路径。控制路径用2.4GHZ的频率从计算机到每一个传感器节点发送能量和功能控制要求。WSN系统有4个层次。数据路径用2.4GHZ从节点层传送测量数据到传感器小组层,用60GHZ的频率在传感器小组层之间,应用和系统层之间传送。层次结构让重构图应用到WSN 成为可能。 精确的渠道控制系统高效的发展执行,合适的低动力控制系统减少许多动力消耗 。 关键字：WSN；数据路径；分离控制1 引言 无线电传感器网络 1 由很多自获取能量的传感器组成多数的重要区域。多数研究通过复杂的通信协议2,3允许WSN选择毗连的传感器来传送要求和数据。但是这种系统将面对来自硬件完善和增加世
3、纪系统成本的越来越多的挑战。虽然传感器之间的通信有很多快速和低复杂算法，它也伴随着时间和交手的问题。为了解决这些问题，沟通协议和传感器传输算法会越来越复杂。 现在,个人计算机 (PC) 提供足够动力或高效控制和计划WSN系统的所有的功能和自我转换。因此,不同于任何被提议的研究,复杂控制的大部份将借着个人计算机更好的处理，层次系统的完善会更容易。通过重构映射4功能也让WSN 系统进入 WSN 系统更有柔性，而且减少许多动力消耗，通过适当低的动力控制系统5。 为了让无线通信系统适适合于层次构造，2.4GHZ和60GHZ传送接收器被用来分别传送要求和数据。 最近公布的研究显示，在没有注册的2.4GH
4、Z的工厂、科学和医药(ISM)团，作为无线电话和无线LANs，不同系统的共存对于这种设备是可以实现的。 而且, 在2001年, 联邦通信组织(FCC)为了实现无线通信，在57和64GHZ之间，把连续7HZ的光谱放在未注册的团旁边。 在这一光谱中除了可以实现高数据率,能量数据在60GHZ的增殖有独特的特性，其他优点，如交互间额外的免疫, 高度安全性, 高度数据率和频率再使用都成为了可能。60GHZ团让系统完全整合成为可能, 除此之外, 它允许WSN的小尺寸节点。因此,共存系统应该可用于医疗监听应用来发展 WSN。本文中,我们主要研究使用2.4GHZ 和60GHZ的共存无线通信，应用在医疗监听上时
5、，控制和数据路径的利益。2 系统描述A 系统建筑WSN系统有四个等级水平，每层之间的关系如图 1所示。 控制路径使用 2.4GHz团来传输从较高的层到较低层的指令。 数据路径用2.4GHZ团传输从传感器层到传感器组层的数据，用60GHZ团传送传感器组、应用层和系统层之间的数据。这四层的定义和区别描述如下：1) 系统层： 这一层是医院中的个人计算机。它控制WSN系统的所有动力管理控制路径、功能控制路径和数据传输路径。这一层的主要行动是将指令送到申请层和接收数据。 2) 申请层： 这一层包含许多传感器团体。它藉由传送指令和接收来自他们的数据来控制所有传感器组。3) 传感器组层： 这一层包含许多传感
6、器元素。它藉由传送指令而且接收来自他们的数据来控制在这个团体中的所有传感器。 4) 传感器层：这一层由传感器元素组成。它接收来自传感器团体的指令，而且将标准的数据传送到传感器层。 图1 WSN系统的等级层次B 控制路径控制路径是从系统层到传感器层的等级建筑。它由两条路径组成，动力管理控制路径和功能控制路径。图2 描述了WSN的动力管理控制路径的阶层建筑。当使用者想要有温度和心率的时候，系统会将所有的动力管理、功能和传输指令传送到控制传感器的位置。在如此精确的动力管理控制设计中，任何传感器的每个功能线路只有在它被操作的时候才有动力。 图2 从系统到传感器节点的每个功能的控制计划当功能线路被充电时
7、，指令也包括关于功能控制经过解码通过每个传感器的 MCU。图 3 举例说明 WSN 的一个功能控制的计划安排。系统能阶层性地控制任何传感器中的所有功能线路。功能控制实现重构映射和渠道应用，这非常不同于早先WSN6的设计。合适的动力控制可以有效地借着柔性控制节省许多动力。C. 数据路径数据路径最重要的目的是把标准的数据从传感器传送到个人计算机。与不同的系统共存 （2.4/60GHZ）应该用作WSN 的通信无线电收发机。60GHZ无线电系统的高度安全性和高数据率整合有用的无线技术，像是蓝牙和 Zigbee，就可以成为医疗监听的遥感勘测系统。图4展示了为了WSN 2.4/60GHZ共存射频无线电收发
8、机的提议建筑。被检测的生物医学信号被传送到传感器团体层，并使用 2.4GHZ团接收，然后用60GHZ团传输传感器团体层的合并信号从应用层到计算机。除了高数据可以完成60GHZ群，光谱的能源增殖有独特的特性，也许可以有许多其他优点，诸如交互、高安全性、高数据率和频率再用。另外，60GHZ团能够整合包括天线的完全系统，除此之外，它允WSN的小节点。所以，共存系统应该被用于生物医学应用以发展WSN。图4 WSN 2.4/60GHZ共存射频无线电收发机的提议建筑3 系统描述A. 渠道应用选择阶层建筑最重要的一点是WSN 系统完整的控制系统和分离路径。它让渠道应用更加容易。 图5展示了WSN的渠道应用的
9、一个例子。在这个阶层的建筑设计中，用户可以将多种应用随时映射到WSN 系统。不仅仅应用需要按照渠道的原则运行，而且控制指令和标准的数据也可以使用相同的原则来传送他们的信号到达目的地。这种设计让 WSN 系统表现出高度执行力和有力的容量。图5 渠道应用B. 重构映射应用在WSN 系统的阶层中，个人计算机中央系统控制和计划每个传感器元素的所有的动力管理控制路径、功能控制路径和数据传输路径。它造成非常好的特性，用户可以在运行时间重构映射应用7到WSN。图 6 描述了用户可以在每个运行周期中重构映射到 WSN 系统这个特性让WSN 系统更有柔性，而且不同的应用或者下一代的发展会更容易而且更快，因为用户
10、不得不修正软件系统的程序。图6 重构映射应用到WSNC. 合适的低动力每种传感器元素有两个动力管理的控制模态，一个是工作模态，另一个是睡眠模态。如果传感器元素没在使用，它会在睡眠模态，这意味在传感器元素中，除了低频率时钟产生器和主要的控制器（两者消耗非常小的耗电量）以外所有的线路被停工。传感器元素的最大耗电量是当它运行在工作模态时。在适合的低动力设计中，当他们没被需要的时候，传感器元素的部份线路会被停工。（如，校准器）。合适的设计会节省每块的耗电量，这会维持更长的电池支持时间。 D. 变数决议许多生物医学或环境测量数据，最重要的是识别不同的情形。如果测知元素接受来自病人或者环境的不寻常的数据，
11、传感器元素会自动地促进对ADC的控制决议到更高品质，通过 MCU控制。 相反的，如果来自病人的信号保持不变，ADC 的决议会关到很低的质量。 这自动决议设计不仅使许多传感器元素更有柔性，而且通过变数决议为医疗监听传输重要的数据节省了许多动力。4.传感器元素传感器元素是 WSN 系统的最低层。 如图 7 所示，每个传感器元素包含（1） MCU ，（2）传感器，（3） ADC ，数传信号处理器DSP和数据压缩，（4)2.4GHz射频无线电收发机和天线。 图7 传感器节点的阻止算法A. 微控制单位 MCU 是传感器元素的中央控制器，它负责处理控制和数据路径。定义位置机器的组成，MCU接收来自传感器团
12、体层的指令，然后解码来处理传感器元素的动力管理控制和功能控制路径。 B. 传感器传感器可以得到生物医学信号（血压传感器，温度传感器，心率传感器和 ECG 传感器）或环境数据 （瓦斯发现传感器和光子传感器）。然后他们通过ADC将测量数据转变成数字信号，应该由MCU 控制用于不同测定。 C. ADC ，数传信号处理器DSP和数据压缩 ADC ，数传信号处理器DSP和数据压缩是数据进程的三个部分。当数据被传感器测量出来，它会由ADC转换成（模拟信号转换成数字信号的转换器）数字信号。 被转换成的数传信号并不完全适合于无线电之外的传送。 数传信号程序 （DSP）会处理数字信号，适当压缩。信号被数传信号处
13、理器处理之后，大量的数字数据会被压缩为无线传输的动力节省动力。数据压缩由两部份组成：预测器和热力学的函数编码器。这两个压缩线路会有效地压缩传输数据。 D。2.4GHz 射频无线电收发机和天线无线电收发机系统用在嵌入式应用中，需要低数据率和低耗电量。有高度整合的 2.4GHZ射频无线电收发机8, 9用于控制和数据传送应用。无线电收发机由二个部份组成： 射频前置器和基带。 在接收器的射频前置器部份， 2.4GHz 输入的低噪音扩大器（LNA）是没有外部的单端结构。接收器的前置器增益可通过控制大头针喇叭筒 （VGA）调整可变的增益，因此减少小的信噪比引起比特错误的可能性。在基带部份，下降沿转换基带信
14、号被低途径过滤器过滤，然后被视频图形适配器VGA扩大。发射器的前端部份包含 LPF 和VGA节。LPF变薄不想要的失真时钟或伪信号。 2.4GHz 操作模态有一个动力扩大器（PA）。PA 的增益能由它的偏见涌流调整，由 MCU 控制。 产生的网络将会使用非常小量的动力，这样个人装置使用原来安装的电池也够运行一年或二年了。5. 实验结果对于适合的低动力设计，传感器会分别进入工作模态和睡眠模态。工作模态下的耗电量是 447.8UA1.8 V 806 UW，睡眠模态下的耗电量是 133.3 UA1.8 V 240 UW.。表1比较了在传感器元素中有和没有适合的低动力设计时的动力消耗量，也表现了工作模
15、态和睡眠模态时间的百分比。平均耗电量 （APC）的等式如下：其中，TWM是工作模态下的时间，TSM是在睡眠模态下的时间， WMPC是工作模态下的耗电量，而 SMPC 是睡眠模态下的耗电量。 表1 在WSN中有和没有适合的低动力设计时的动力消耗量没有适合的低动力设计10%工作模态90%睡眠模态5%工作模态95%睡眠模态1%工作模态99%睡眠模态APC(UW)812.7303.39275.1252.566. 结论本文中我们提出了 WSN 系统，分离成控制和数据路径。我们的系统有四个等级水平。这个等级且分开成两条路径设计让WSN 上重构映射和渠道应用成为可能，而且通过适合低的动力控制高效节省耗电量。我们也使用 2.4GHZ和 60GHZ作为无线电收发机频率，这使我们的通信系统更适用于等级建筑学。我们已经完善了热力传感器团体10 和 2.4 GHZ通信系统8，9。未来，我们将会为实现整个 WSN 系统，完善其他的传感器团体应用。 鸣谢 作者忠诚的感谢EX-91-E-FA09-5-4专利号下促进教育部的大学的学院和国立芯片整合中心对这一工作的部分财务支持。 作家也想要表达对微NANO技术研究所，和生物学和立 Cheng Kung 大学技术中心的感谢。参考文献1 C. C. Enz, A. El-Hoiydi, J. D.
