Экспериментальная сверхширокополосная беспроводная...

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 9, с. 974–984

974

ВВЕДЕНИЕ

В современной медицине существует пробле�ма автоматизации процесса наблюдения за пока�зателями физического состояния организма(электрокардиограмма, давление крови, пульс,дыхание, температура) пациентов, находящихсяна стационарном лечении в больницах и клини�ках. Ее решение позволит значительно улучшитьситуацию как с диагностикой заболеваний, так ис мониторингом состояния больных в процесселечения. Об актуальности разработки и внедре�ния автоматизированных систем мониторингасвидетельствуют следующие цифры. По даннымработ [1, 2] от 4 до 17% смертельных случаев вбольницах США вызваны остановкой сердца.Исследование подобных случаев показало, чтооколо 70% из них могли бы быть предотвращеныпри заблаговременном обнаружении ухудшениясостояния пациентов. Выявление таких ситуацийвозможно при помощи анализа данных, получен�ных при систематическом наблюдении за основ�ными показателями состояния организма. По�добный непрерывный мониторинг этих парамет�ров в настоящее время осуществляется лишь вреанимационных отделениях.

Проблема может быть решена при помощибеспроводных сенсорных сетей (БСС), которыепозволят обеспечить мониторинг основных пока�зателей состояния организма с необходимой ча�

стотой снятия данных [3]. При этом критическиважным является выбор типа БСС, обеспечиваю�щих решение требуемых задач.

В работе рассматривается задача созданияБСС на основе сверхширокополосных (СШП)приемопередатчиков для сбора медицинских по�казателей пациентов.

В первом разделе проанализирован накоплен�ный опыт по работе с экспериментальными узкопо�лосными БСС в медицинских учреждениях [4–8] ивозникающие при этом типичные проблемы.

Во втором разделе представлена теоретическаяоценка характеристик СШП сети и проведено ихсравнение с требованиями стандарта IEEE 802.15.6.

В третьем разделе предложена и рассмотренаструктура сверхширокополосной беспроводнойсети медицинского назначения, алгоритмы ее ра�боты, включая алгоритмы сбора данных сенсо�ром, а также приемопередающие узлы, в которыхв качестве носителя информации используютсяхаотические радиоимпульсы.

Четвертый раздел посвящен испытаниям ком�понентов сети и сети в целом. Здесь представленыметодика, описание и результаты проведенныхэкспериментов, в которых используются различ�ные топологии сети, возможные при построенииБСС в медицинских учреждениях.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯБЕСПРОВОДНАЯ СЕНСОРНАЯ СЕТЬ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

© 2015 г. А. С. Дмитриев1, 2, А. И. Рыжов1, В. А. Лазарев1, Н. В. Малютин3,Г. К. Мансуров1, М. Г. Попов1, 2

1Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАНРоссийская Федерация, 125009, Москва, ул. Моховая, 11, стр.7

2Московский физико)технический институт (государственный университет),Российская Федерация, 141700, Долгопрудный Московской обл., Институтский пер., 9

3ОАО Научно)производственный центр “Сапсан”Российская Федерация, 115280, Москва, ул. Автозаводская, 23, корп. 15

E)mail: [email protected]Поступила в редакцию 30.12.2014 г.

Предложена концепция сверхширокополосных (СШП) беспроводных сенсорных сетей (БСС) ме�дицинского назначения, в которой в качестве носителей информации используются хаотическиерадиоимпульсы. Для обоснования концепции и проверки соответствия фактических свойств теоре�тическим оценкам создан ряд компонентов СШП БСС, реализованы фрагменты сетей с различнойтопологической структурой и проведены экспериментальные исследования по сбору медицинскихданных.

DOI: 10.7868/S0033849415090041

УДК 621.391

ПРИМЕНЕНИЕ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 60 № 9 2015

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ … СЕНСОРНАЯ СЕТЬ 975

1. ОБЗОР ОПУБЛИКОВАННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Созданию и испытаниям экспериментальныхсенсорных сетей медицинского назначения в по�следние годы уделялось большое внимание. Ни�же представлен краткий обзор результатов в этомнаправлении [4–9] и выявленных в процессе ис�следований проблем.

В работе [4] описано создание, разработка иэкспериментальное исследование системы бес�проводного клинического мониторинга, котораясобирает данные о пульсе и насыщенности кровикислородом. Система состоит из базовой стан�ции, ретрансляторов и оконечных узлов сети(сенсорных узлов), находящихся у пациентов. Всенсорных узлах и ретрансляторах используютсяприемопередатчики TelosB на основе технологииZigBee в частотном диапазоне 2.4 ГГц. Для сбораданных из сети применяется протокол CTP(Collection Tree Protocol) [5], предназначенныйдля маршрутизации в беспроводных сетях, рабо�тающих на устройствах с операционной системойTiny OS. Протокол обеспечивает передачу данныхот одного или нескольких сенсоров до одного илинескольких корневых узлов.

В экспериментальной системе использовали18 ретрансляторов и одну базовую станцию, кото�рые покрывали 16 палат в отделении (в ходе ис�пытаний единовременно наблюдали не болеетрех пациентов, большую часть времени наблю�дали одного пациента). Система работала в гос�питале на протяжении семи месяцев, из них пол�ное время активной работы системы составило41 день. За это время наблюдали в общей сложности41 пациента. Время активной работы радиочастисоставило от 0.12 до 2.09%. Данные с сенсорныхузлов собирали один раз в минуту. Таким образом,поток полезных данных от одного сенсорного уз�ла не превышал десятки байт в минуту. Основноедостижение работы заключается во всестороннемклиническом испытании БСС для мониторингапациентов в госпитале. Представлен детальныйанализ длительного мониторинга пациентов в от�делении кардиологии. В среднем по ансамблюсенсоров надежность работы сети составила99.68%, а надежность передачи данных от сенсо�ров – 80.85% (под надежностью сети в работе по�нимается вероятность доставки данных до местасбора данных, а под надежностью передачи отсенсоров – вероятность правильно принятыхданных от сенсоров). Анализ полученных данныхпоказал, что система имеет достаточное времен�ное разрешение для сбора информации, необхо�димой для обнаружения ухудшения состоянияпациентов.

Исследования, опубликованные в [6], являютсяпродолжением представленных в [4], где изложенырезультаты экспериментов для крупномасштаб�

ных систем беспроводного клинического мони�торинга (развернутая сенсорная сеть покрываетпять отделений госпиталя, в каждом отделениинаходятся одна базовая станция и 14–16 ретранс�ляторов). Наблюдение за пациентами осуществ�лялось в течение 14 месяцев, за это время былисобраны данные от 355 пациентов.

В работе [7] предложена БСС медицинскогоназначения для приложений, требующих малыхзадержек в передаче данных и повышенную на�дежность (система “тревожная кнопка”, котораядолжна обеспечивать надежную передачу сигналатревоги от пациента в случае возникновенияопасности). Рассматриваемая БСС состоит из трехтипов устройств: базовой станции, ретрансляторови сенсорных узлов (расположенных непосред�ственно у пациентов). Сенсорные узлы активноработают незначительное время (приемопередат�чик выходит из спящего режима только для пере�дачи данных), в то время как ретрансляторы про�слушивают радиоэфир постоянно. Передача дан�ных от сенсорных узлов осуществляется сподтверждениями о том, что данные были приня�ты. В сети используется частотное разделение ка�налов: одна полоса для передачи служебной ин�формации, а другая – для транслирования самихданных. В качестве приемопередатчика исполь�зован радиомодуль Nordic SemiconductornRF24L01. Устройства были настроены на ско�рость передачи данных 0.5 Мбит/с в диапазоне2.4 ГГц. Описаны эксперименты в офисе и в гос�питале (в госпитале располагали девять базовыхстанций, 41 ретранслятор и 12 сенсорных узлов).Задача экспериментов состояла в испытании на�дежности БСС и времени задержек при передачеданных. Основные результаты испытаний следу�ющие: 97% пакетов было передано с задержкойменее 3.2 с (при этом все сигналы тревоги былиуспешно переданы по сети), потребление сенсор�ных узлов варьировалось от 0.55 мВт до 4.5 мВт,потребление ретрансляторов в среднем составило70 мВт.

В работе [8] описана БСС miTag, предназна�ченная для использования в медицинских целях вгоспиталях и при чрезвычайных ситуациях. СетьmiTag состоит из следующих компонентов: беспро�водных нательных сенсорных подсетей малогорадиуса действия (несколько метров), осуществ�ляющих сбор необходимых данных у пациентов;беспроводной сенсорной подсети большого ради�уса действия (десятки метров), которая служитдля доставки данных от пациентов до пункта сбо�ра данных и сервера, который осуществляет сбор,обработку и перенос данных на различные средстваотображения (монитор, планшет, телефон и т.д.).Сенсорные узлы сети miTag оснащены радиомоду�лем ZigBee диапазона 2.4 ГГц. В работе использова�лись датчики, измеряющие следующие параметры:насыщенность кислородом крови, давление крови,

976


ДМИТРИЕВ и др.

температуру, электрокардиограмму (ЭКГ) с ча�стотой съема данных в диапазоне от 100 до 250 Гц(поток данных 1–2 кбит/с).

В экспериментах с сетью не было обнаруженопомех со стороны посторонних радиосредств, на�ходящихся в зоне сети, включая роутеры, работаю�щие на частоте 2.4 ГГц, СШП�метки для отслежи�вания местоположения внутри зданий и станциянаблюдения данных телеметрии GE Apex Pro, ра�ботающая на частоте около 400 МГц.

В работе [9] описана система LOBIN по наблю�дению за состоянием пациентов, позволяющаяосуществлять мониторинг ЭКГ, пульса, темпера�туры тела и других физиологических параметровтела, а также отслеживать местоположение паци�ентов в рамках госпиталя (с точностью до комна�ты, где они находятся). Описываемая система ос�нована на комбинации технологий электроннойодежды (e�textile) и БСС. Представлена архитек�тура сети, описано ее развертывание и приведенырезультаты испытания в лабораторных условиях ив условиях кардиологического отделения одногоиз госпиталей Мадрида. Система LOBIN содер�жит четыре подсистемы: сенсоры для мониторин�га физиологических параметров тела, подсистемупозиционирования, БСС на основе устройствZigBee диапазона 2.4 ГГц и систему управления.

В лабораторных условиях были проведены двесерии экспериментов: в первой серии использо�валась полностью беспроводная сеть, тогда как вовторой серии – комбинация проводной Ethernet�сети и беспроводных сенсорных узлов, располо�женных у пациентов. В первом варианте использо�вали семь сенсорных узлов, пять ретрансляторов ибазовую станцию. Было обнаружено, что БСС несправлялась с большими потоками данных (на�блюдали затруднения при передаче данных болеечем от шести сенсорных узлов, при этом потокданных с каждого составлял около 3.1 кбит/с), вто время как при малых потоках данных сеть ра�ботала устойчиво. В варианте с Ethernet�сетью си�стема работала значительно стабильнее (здесь ис�пользовали четыре Ethernet�шлюза и девять сен�сорных узлов), поэтому он был выбран дляпроведения испытаний системы в госпитале. Входе экспериментов в госпитале было установле�но, что при сборе медицинских данных сетьюпроцент потерянных пакетов составил менее 2%,а снятые датчиками показатели соответствовалиреальным значениям, измеренным традицион�ными способами. При этом качество полученныхЭКГ было одобрено врачами.

Анализ работ [4–9] показывает, что применениеи исследование БСС, являются актуальным вопро�

сом в современной медицине. В эксперименталь�ных БСС медицинского назначения использовалиразличные топологии сети: “точка–точка”,“цепочка”, “звезда”, “дерево”, “ячеистая сеть”.Приемопередатчики располагались на расстоя�

ниях от 2 до 30 м друг от друга (преимущественнона расстояниях до 10 м в топологиях “дерево” и“ячеистая сеть”). Одна из проблем, ограничиваю�щих эффективность медицинских БСС на основестандартных узкополосных средств беспровод�ной связи, заключается в малой скорости переда�чи данных. При работе с небольшими потокамиданных (до 1–2 кбит/с на сенсорном узле) и числеузлов менее 10 сбои при передаче информации ненаблюдали. Когда же проводили эксперименты сболее высокими потоками данных (более 3 кбит/сна сенсорный узел), при числе узлов более 7–10,сети переставали стабильно работать.

Другие проблемы, связанные с использованиемБСС на основе узкополосных сигналов в системахавтоматизированного мониторинга состояния па�циентов, затрагивают вопросы электромагнит�ной совместимости с электронной медицинскойаппаратурой, обеспечения надежной передачиданных, экологической безопасности, конфиден�циальности собираемых и передаваемых данных.

Решить эти проблемы могут помочь СШП БСС,создаваемые в соответствии с принятым в 2012 г.стандартом IEEE 802.15.6 для БСС медицинскогои бытового назначения, в котором в качестве но�сителя информации предполагается использо�вать хаотические радиоимпульсы [10].

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК

СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОЙ СЕТИ

Разработка и принятие стандарта IEEE 802.15.6для физического уровня персональных бытовых имедицинских сенсорных сетей были направленына решение следующих проблем, свойственныхсетям на основе узкополосных сигналов:

1) увеличить пропускную способность WBAN(wireless body area network) за счет увеличенияскорости передачи в режиме “точка–точка” с250 кбит/с до 1–10 Мбит/с;

2) обеспечить электромагнитную совмести�мость БСС с электронной аппаратурой специаль�ных отделений клиник, таких, например, как ре�анимационные, где сбои в работе медицинскойаппаратуры из�за влияния излучения передатчи�ков сети могут иметь существенные негативныепоследствия;

3) повысить надежность связи по сравнению сузкополосными сетями;

4) упростить структуру сети и алгоритмы ее ра�боты;

5) уменьшить энергопотребление компонен�тов сети.

В работе [11] показано, что подходящими для ис�пользования в беспроводных сетях медицинскогоназначения являются СШП прямохаотическиеприемопередатчики. В указанной работе анализпроведен на основе характеристик отдельного сен�



сорного узла. Представлены оценки характеристикБСС в целом при ее построении с использованиемпрямохаотических приемопередатчиков.

Пропускная способность сети. Физическаяскорость прямохаотических приемопередатчи�ков, описанных в [11], составляет от 3 до6 Мбит/с. Из анализа пропускной способностиБСС [12] известно, что предельно возможнаяпропускная способность сети в целом примерно в5–6 раз ниже скорости передачи между ее узламив режиме “точка–точка”. Таким образом, про�пускная способность сетей из прямохаотическихприемопередатчиков может достигать ~1 Мбит/с,в то время как в сетях, в которых используются уз�кополосные сигналы (на основе технологии Zig�Bee), эта величина составляет не более 40 кбит/с.Недостаточная пропускная способность можетбыть причиной неустойчивой работы сети, какэто наблюдалось, например, в [9].

Электромагнитная совместимость. Средняяизлучаемая мощность прямохаотического прие�мопередатчика ППС�43 [11], например, при скоро�сти передачи ~ 64 кбит/с не превышает –13 дБм, чтопримерно в 10 раз меньше, чем у сетей, в которыхиспользуется узкополосная технология ZigBee.Кроме того, излучаемая мощность распределена пополосе ~2 ГГц, в то время как ZigBee работает в по�лосе ~80 МГц. Таким образом, спектральная плот�ность излучаемого сигнала в случае СШП�устройствсоставляет менее 1% от спектральной плотностиизлучения узкополосных систем. Эти уровни из�лучения не превышают рекомендуемого стандартомIEEE802.15.6 уровня излучения узлов БСС с точкизрения влияния этого излучения на надежность ра�боты электронной медицинской аппаратуры.

Повышение надежности связи. В радиосисте�мах малого радиуса действия, к которым относят�ся приемопередатчики рассматриваемых БСС, вкачестве допустимого уровня ошибки обычнопринимается вероятность ошибки на бит не более10–3. Во многих случаях, не связанных с медицин�скими приложениями, такая вероятность ошиб�ки является приемлемой. В других случаях, когдатребуется более низкий уровень, можно исполь�зовать достаточно простые коды, исправляющиеошибки, чтобы уменьшить уровень ошибки на1⎯3 порядка. Вместе с тем применение помехо�устойчивого кодирования повышает энергопо�требление приемопередатчиков, а также дополни�тельно понижает скорость передачи в 1.5–2 раза,что не всегда допустимо.

В экспериментах с прямохаотическими прие�мопередатчиками в режиме передачи “точка–точка” было установлено, что вероятности ошибок~10–6–10–7 являются типичными для них в усло�виях использования аппаратуры в офисах и про�изводственных помещениях даже без специаль�ного помехоустойчивого кодирования. При ис�пользовании ретрансляций вероятность ошибоквозрастает, но даже при 4–5 ретрансляциях их

уровень, как правило, не превышает 10–5. Поэто�му можно ожидать, что при пакетной передачемедицинских данных при длине пакетов менее1 кбит будет потеряно не более 1% пакетов.

Упрощение структуры сети и алгоритмов ее ра)боты. В случае, если потоки информации в сетизначительно меньше ее пропускной способности,можно использовать режимы с независимым сбо�ром и передачей данных от каждого сенсорногоустройства. Несмотря на отсутствие координациимежду узлами, столкновения между пакетами, пе�редаваемыми по сети, маловероятны. Такой ре�жим работы резко упрощает алгоритмы работысети по сравнению со случаем синхронной рабо�ты узлов сети и при прочих равных условиях уве�личивает ее надежность. В рассматриваемыхСШП�сетях такой сценарий работы может бытьреализован во многих приложениях.

Уменьшение энергопотребления. Анализ энерго�потребления СШП прямохаотических приемопе�редатчиков [13] показал, что при одинаковойсредней скорости передачи энергопотреблениеСШП устройств в 3–5 раз меньше, чем у узкопо�лосных систем на основе технологии ZigBee.Энергопотребление для некоторых характерныхскоростей для оконечных устройств и ретрансля�торов приведено в табл. 1, 2.

Наиболее напряженный режим работы будет уретрансляторов, поскольку через них проходитпоток информации сразу от нескольких сенсор�ных узлов. Но ретрансляторы располагаются в ос�новном в фиксированных точках и могут исполь�зовать сетевое питание. Для оконечных устройств(с датчиками) автономное время работы, напри�мер, при трафике 100 кбит/с составляет 10–12 сут,что вполне удобно с точки зрения обслуживанияустройства как для пациентов, так и для персонала.

Таблица 1. Энергопотребление приемопередатчика врежиме ретрансляции

Скоростьпередачи данных,

кбит/с

Потребляемыйток, мА

Время автономнойработы (ч)

при источникепитания 1000 мАч

1 0.09 >1000010 0.66 1500

100 5.0 200

Таблица 2. Энергопотребление приемопередатчика врежиме передачи данных

Скоростьпередачи данных,

кбит/с

Потребляемыйток, мА

Время автономнойработы (ч)

при источникепитания 1000 мАч

1 0.077 >1200010 0.5 2000

100 3.0 330

978



Суммируя вышесказанное, можно ожидать,что на основе прямохаотической технологии пере�дачи данных могут быть реализованы системы мо�ниторинга, отвечающие требованиям к СШП БССмедицинского назначения [10]. Для обоснованиявозможности практической реализации подоб�ных систем и их ожидаемых характеристик на ос�нове учебно�исследовательского комплекса(“УНИК”) [14] была создана экспериментальнаяаппаратура, позволяющая реализовать фрагмен�ты сети медицинского назначения, и проведенасерия экспериментов с ней.

3. КОМПОНЕНТЫ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОЙ

БЕСПРОВОДНОЙ СЕНСОРНОЙ СЕТИ

Сверхширокополосная беспроводная сенсор�ная сеть содержит следующие основные элементы.

Сенсорный узел – устройство, состоящее из дат�чика и приемопередатчика.

Ретранслятор – приемопередатчик, принима�ющий пакет из радиоэфира и отправляющий его врадиоэфир.

Базовая станция – приемопередатчик, под�ключенный к компьютеру и осуществляющийсбор данных из сети.

Приемопередатчики. В качестве узлов БСС бу�дем использовать сверхширокополосные прямо�хаотические приемопередатчики ППС�43 [11].Характеристики приемопередатчиков представ�лены в табл. 3.

Приемопередатчик ППС�43 предназначен дляпередачи данных в режиме “точка–точка”, а так�же для использования в СШП БСС. Он можетбыть использован в качестве приемопередатчикасенсорного узла, ретранслятора и совместно скомпьютером в режиме базовой станции. Устрой�ство имеет специальный разъем для подключениясенсорной платы с аналоговыми и цифровымидатчиками.

Подключаемые датчики. На рис. 1 представле�на плата c сенсорами, входящая в комплекс“УНИК”, в составе которой имеются аналоговые

Таблица 3. Характеристики приемопередатчиков ППС�43

Физическаяскорость передачи Рабочая частота Потребляемый ток Чувствительность Излучаемая

мощность

До 6 Мбит/с 3–5 ГГц 3.5 мА ~ 64 кбит/с –79 дБм ~ 64 кбит/с –16 дБм ~ 64 кбит/с8.9 мА ~ 256 кбит/с –73 дБм ~ 256 кбит/с –10 дБм ~ 256 кбит/с

30.3 мА ~ 1 Мбит/с –67 дБм ~ 1 Мбит/с –4 дБм ~ 1 Мбит/с

Рис. 1. Плата с датчиками, подключенная к приемопередатчику ППС�43.



датчики температуры, влажности и освещенности,а также цифровой акселерометр. Данные с сенсор�ной платы для каждого из датчиков снимают с ча�стотой 1 Гц и каждый отсчет занимает 2 байта.

Комплекс мониторинга предназначен для ме�дицинского использования, поэтому в дополне�ние к упомянутым стандартным датчикам былразработан специальный датчик – пульсометр,который позволяет измерять пульс пациента иоценивать вид пульсовой волны. Внешний видпульсометра представлен на рис. 2. Он имеет дваэлектрода (дифференциальный сигнал), которыеможно подключать к запястью или к груднойклетке в области сердца. На выходе пульсометраформируется аналоговый сигнал в диапазоне на�пряжений от 0 до 3.3 В, который затем поступаетна аналогово�цифровой преобразователь (АЦП)микроконтроллера, расположенного на приемо�передатчике. Частота съема данных на АЦП со�ставляет 200 отсчетов в секунду, каждый отсчетзанимает 2 байта данных.

Состав и структура сети. Предлагаемая СШПБСС медицинского назначения содержит базовуюстанцию, сенсорные узлы (состоит из СШП�прие�мопередатчика и подключенного к нему сенсоратребуемого типа), ретрансляторы и персональ�ный компьютер с установленной программойуправления сенсорной сетью. На рис. 3 представ�лены примеры типичных топологий сенсорнойсети, которые могут быть использованы при раз�ворачивании БСС в медицинском учреждении:

1) топология “звезда” соответствует случаю,когда необходимо снимать данные от нескольких

пациентов в одной палате или от нескольких дат�чиков, которые подключены к различным прие�мопередатчикам для передачи данных;

2) топология “цепочка” соответствует случаюпередачи данных по длинным помещениям (на�пример, по коридорам);

3) топология “дерево” соответствует случаюсбора данных от нескольких пациентов, располо�женных в различных палатах.

Алгоритм сбора и передачи информации. Сборинформации на сенсорном узле с аналоговогодатчика осуществляется под управлением микро�контроллера, который при помощи встроенногоАЦП с заданной частотой оцифровывает анало�говый сигнал от подключенного датчика. Полу�ченный отсчет записывается в память микрокон�троллера, где затем формируется пакет с даннымидля отправки в радиоэфир.

Передача информации в БСС осуществляетсяследующим образом. Сенсорный узел периодиче�ски посылает в эфир пакеты с данными (табл. 4).Эти пакеты принимает узел�ретранслятор, распо�ложенный в области радиовидимости сенсорногоузла; после этого на устройстве, принявшем сиг�нал, происходит проверка контрольной суммы. Вслучае успешной проверки осуществляется даль�нейшая обработка пакета.

Для борьбы с избыточным трафиком на узлах�ретрансляторах введены специальные таблицыразрешенных адресов; для передачи пакета ре�транслятором необходимо, чтобы адрес отправите�ля в пришедшем пакете содержался в этой таблице.На каждой ретрансляции в пакет добавляется адрес

Рис. 2. Внешний вид пульсометра, подключенного к плате приемопередатчика.

7

980



устройства, через которое осуществляется ре�трансляция. В результате, когда пакет доходит добазовой станции, в нем содержится полная ин�формация о маршруте, по которому был достав�лен пакет.

Для того чтобы один и тот же пакет не был пе�редан одним и тем же ретранслятором более од�ного раза (такая ситуация возможна, когда сен�сорный узел одновременно “слышит” более чемодин ретранслятор), на ретрансляторе сохраня�ются поля с номером пакета и номером сенсорно�го узла (отправителя) из последнего ретранслиро�ванного пакета.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОЙ БЕСПРОВОДНОЙ СЕНСОРНОЙ СЕТИ

Для испытания БСС на основе СШП хаотиче�ских приемопередатчиков был проведен ряд экспе�риментов с типовыми вариантами топологии сети,возможными при использовании БСС в медицин�

ском учреждении. Основные задачи проведения экс�периментов – проверка работоспособности предла�гаемого подхода и оценка его эффективности.

Все испытания проводили в помещениях инсти�тута Радиотехники и электроники им. В.А. Котель�никова РАН.

А. Эксперименты по передаче данныхиз нескольких помещений (статический режим)

В экспериментах проверяли работу сети приприеме данных от сенсорных узлов, расположен�ных в двух помещениях, базовая станция находи�лась вне прямой видимости сенсорных узлов, ко�торые осуществляли сбор данных. Топология сетиимела вид “дерева” с двумя ветвями (рис. 3в).

При проведении испытания использовали двасенсорных узла (У1, У2) (источником данных вовсех экспериментах являлись датчики температу�ры), три ретранслятора (У3, У4, У5) и одну базовуюстанцию (У6). Схема эксперимента представленана рис. 4. Данные от сенсорного узла У1 передава�лись на ретранслятор У3, после чего попадали на

(а) (б)

(в) (г)

– 1

– 2

– 3

Рис. 3. Пример топологий сети: “звезда” (а), “цепочка” (б), “дерево” (в), гибрид “звезды” и “цепочки” (г): 1 – базоваястанция, 2 – сенсорный узел, 3 – ретранслятор.

Таблица 4. Структура пакета данных, посылаемого по радиоэфиру

PRL SFD SIZE N1…NN ASRC ADST PN TYP “U” CSL CSH

1 1 1 2*N 2 2 1 1 2 1 1

Примечание: PRL – преамбула пакета, SFD – тип пакета, SIZE – размер пакета, N1…NN – адреса узлов�ретрансляторов,ASRC – адрес источника информации, ADST – адрес получателя информации, PN – порядковый номер пакета. TYP – типпередаваемых данных, “U” данные, CSL и CSH – младший и старший байт контрольной суммы.



ретранслятор У5, и затем их принимала базоваястанция У6. Аналогично передавались данные отсенсорного узла У2, расположенного в коридоре:данные через ретранслятор У4 попадали на ре�транслятор У5, после чего их принимала базоваястанция. После обработки и визуального пред�ставления на компьютере появлялись данные отсенсорных узлов У1 и У2.

Обработку и визуализацию данных на ком�пьютере проводили при помощи специально раз�работанной программы “Wireless sensor networkcontrol center”.

На рис. 5 представлен интерфейс работы про�граммы. В окнах, число которых равно сумме сен�соров и ретрансляторов, отображается номерустройства, от которого идут данные, число при�нятых от него пакетов, сами данные и маршрут,по которому они были доставлены. В случае,отображенном на рис. 5, данные поступали накомпьютер от обоих сенсорных узлов: У1 (SensorID:1) и У2 (Sensor ID:2), по маршрутам, использу�ющим по два ретранслятора: У3, У5 и У4, У5 соот�ветственно.

В экспериментах с СШП БСС в топологии ти�па “дерево” при независимом снятии данных отсенсорных узлов не наблюдали коллизии из�застолкновения пакетов.

Б. Эксперименты по передаче данныхот ансамбля сенсорных узлов

В экспериментах изучали возможность работыБСС в случае одновременного сбора информацииот нескольких сенсорных узлов, данные от кото�

рых поступали на базовую станцию через ре�транслятор. Топология сети представляла собойкомбинацию топологий “звезды” и “цепочки”(рис. 3г).

При проведении экспериментов использовали10 сенсорных узлов (У1�У10), узел ретранслятор(У11) и базовую станцию (У12). Все сенсорные уз�лы сети работали в асинхронном режиме, посы�лая данные один раз в секунду.

Эксперименты показали, что в такой топологиисети система устойчиво работает в асинхронномрежиме. При этом теоретические оценки показы�вают, что устойчивый характер функционирова�ния сети сохранится при увеличении числа сен�сорных узлов по меньшей мере в десять раз посравнению с числом узлов, используемых в экс�периментах.

В. Эксперименты по передаче данныхот движущегося сенсорного узла

Задача экспериментов – проверка работы СШПБСС в случае передачи данных от сенсорного узла,перемещающегося вдоль цепочки ретрансляторов.Данные от узла принимает ближайший к нему ре�транслятор (рис. 6). Эксперименты соответствуютситуации, когда по коридору медицинского учре�ждения перемещается пациент с датчиком. В отли�чие от предыдущих испытаний, топология сети ди�намически изменялась в зависимости от положе�ния сенсорного узла (рис. 7).

При проведении экспериментов использованысенсорный узел (У1), три приемопередатчика�ре�транслятора (У2, У3, У4) и базовая станция (У5).

Датчик,подключаемый кприемопередатчику

Приемопередатчик

БСУ – беспроводнойсенсорный узел,состоящий изприемопередатчикаи подключаемых кнему датчиков

У1

1.5 м

3 м

2 м

5.5 м

3.5 м

У3

У6

Компьютер

Коридор

У5

У4 У2

Рис. 4. Схема расположения узлов сети при сборе и передаче данных из двух помещений.

7*

982



Данные от подвижного сенсорного узла У1,расположенного на передвижной тумбе, поступа�ли на тот ретранслятор, в области которого нахо�дился в данный момент узел У1, после чего их пе�редавали на следующий в цепочке ретранслятор,

находящийся ближе к базовой станции У5, и т.д.После серии ретрансляций данные поступали набазовую станцию У5.

В начальный момент времени тумба с сенсор�ным узлом У1 располагалась рядом с ретранслято�

Рис. 5. Интерфейс программы “Wireless sensor network control center”.

У1

У4

У3

Рис. 6. Расположение приемопередатчиков в эксперименте с изменяемой топологией сети. Данные от термодатчика ссенсорного узла У1 поступают на ретранслятор У3.



ром У2 в коридоре. Данные от сенсора поступалина компьютер по маршруту, проходящему черезретрансляторы У2, У3 и У4 (рис. 7а). Затем тумбаперемещалась по коридору в сторону ретрансля�торов У3 и У4 (рис. 7б).

Во время проведения экспериментов былоустановлено, что данные от сенсорного узла У1непрерывно поступают на базовую станцию и

отображаются на экране компьютера, в том числепри передвижении тумбы по коридору.

Г. Эксперименты по передаче данныхот пульсометра

В описанных выше экспериментах основноевнимание уделялось исследованию работы СШПБСС с различными вариантами топологий. Приэтом потоки данных от датчиков были невелики.В то же время в медицинских учреждениях приме�няются датчики более требовательные к пропускнойспособности сети. Такими датчиками являются, на�пример, датчики для снятия ЭКГ. Одновременноеиспользование многих датчиков такого типа бу�дет приводить к большой загрузке сети. При этомвысокие требования предъявляют и к надежностипередачи данных, которая должна обеспечиватькачественное восстановление кривых ЭКГ в точ�ке приема. В рассматриваемых ниже эксперимен�тах осуществлялась передача ЭКГ от сенсорногоузла с кардиодатчиком – пульсометром, описан�ным в разд. 3, на базовую станцию и оценивалоськачество этой передачи. Затем на основе получен�ных в эксперименте данных были проведеныоценки максимального числа датчиков, передачуданных от которых сможет обеспечить сеть.

Скорость передачи данных от пульсометра со�ставляла 3200 Бит/с. Эксперименты проводили врежиме “точка–точка”.

В ходе экспериментов базовую станцию ком�плекса подключали к компьютеру. К приемопере�датчику, расположенному у пациента, подключалипульсометр, электроды которого закрепляли назапястьях испытуемого.

Программа на компьютере получала передан�ные данные от пульсометра, после чего в режимереального времени в ней был построен графикпульсовой волны (рис. 8).

(а)

У1

У2 У3 У4 У5

У1

У2 У3 У4 У5

(б)

Рис. 7. Топологии сети в эксперименте с подвижнымсенсорным узлом. Положение узлов сети в началеэксперимента, когда данные проходят через три ре�транслятора (а) и позднее, когда данные проходят че�рез два ретранслятора (б).

250

200

150

100

501680016699.816599.616299.0 16399.2 16499.4

N

A,

отн

. ед.

Рис. 8. Пульсовая волна; N – число отсчетов, А – значение отсчета.

984



В результате проведенных экспериментов былоустановлено, что данные от пульсометра передава�лись корректно на требуемой скорости с потерейинформации, не превышающей 1%. На получен�ном графике отчетливо выделяются пики пульсо�вой волны, которые при дальнейшей обработкепозволяют автоматически подсчитывать пульспациента, а также предоставляют специалистувозможность дать более точную оценку состоя�ния пациента.

Надежная передача данных не требует в рас�сматриваемой системе перезапросов или другихспециальных мер для понижения вероятностиошибок. Простые оценки показывают, что в слу�чае работы сети в синхронном режиме возможноподключение около 250 каналов с передачей ЭКГ.Это более чем на порядок превышает возможно�сти узкополосных сенсорных систем на основетехнологии ZigBee.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложена, создана и исследована экспер�ментальная БСС сеть медицинского назначенияна основе СШП хаотических приемопередатчи�ков. В ходе исследований были проведены экспе�рименты по сбору и передаче данных для типовыхтопологий, возможных при развертывании БСС вмедицинском учреждении (“цепочка”, “звезда”,“дерево”). Полученные результаты показывают,что сенсорные сети на основе СШП хаотическихрадиоимпульсов могут быть эффективно исполь�зованы для решения задач мониторинга пациен�тов в медицинских учреждениях, в том числе вслучае необходимости передачи больших объе�мов данных.

Работа выполнена при частичной поддержкеФедеральной целевой программы “Исследова�ния и разработки по приоритетным направле�ниям развития научно�технологического ком�

плекса России на 2014–2020 годы” Министер�ства образования и науки РФ, Соглашение№ 14.604.21.0036 (RFMEFI60414X0036).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Brennan T.A., Leape L.L., Laird N.M. et al. // New En�gland J. Medicine. 1991. V. 324. № 6. P. 370.

2. Leape L.L., Brennan T.A., Laird N.M. et al. // New En�gland J. Medicine. 1991. V. 324. № 6. P. 377.

3. Yang G.)Z. Body Sensor Networks. L.: Springer, 2006.4. Chipara O., Lu C., Bailey T.C. // Proc. 8th ACM Conf.

on Embedded Networked Sensor Systems (SenSys2010). Zurich. 3–5 Nov. 2010. N.Y.: Assoc. Comput.Machinery (ACM), 2010. P. 155.

5. http://www.tinyos.net/tinyos�2.x/doc/html/tep123.html6. Dor R., Hackmann G., Yang Z. et al. // Proc. Conf. on

Wireless Health 2012 (WH'12). La Jolla. 22–25 Oct.2012. N.Y.: Assoc. Comput. Machinery (ACM), 2012.Article № 4.

7. Kaseva V., Hamalainen T.D., Hannikainen M. //EURASIP J. Wireless Communications and Network�ing. 2011. V. 2011. P. 920141.

8. Gao T., Pesto C., Selavo L. et al. // 2008 IEEE Conf.“Technologies for Homeland Security”. Boston. 12–13 May 2008. N.Y.: IEEE, 2008. P. 187.

9. Lo[pez G., Custodio V., Moreno J.I. // IEEE Trans. 2010.V. ITB�14. № 6. P. 1446.

10. http://standards.ieee.org/findstds/standard/802.15.6�2012.html

11. Дмитриев А.С., Лазарев В.А., Герасимов М.Ю.,Рыжов А.И. // РЭ. 2013. Т. 58. № 12. С. 1160.

12. Ashton S. // Proc. 2nd Annual ZigBee Developers’Conf. Rosemont 2–6 June 2006. http://community.si�labs.com/mgrfq63796/attachments/mgrfq63796/4@tkb/51/1/Zigbee%20Network%20Performance%20v02.pdf

13. Ефремова Е.В., Лазарев В.А. // Успехи современ.радиоэлектрон. 2013. № 3. С. 43.

14. Дмитриев А.С., Кузьмин Л.В., Юркин В.Ю. // При�кладная нелинейная динамика. 2009. Т. 17. № 4.С. 90.

Экспериментальная сверхширокополосная беспроводная...

Science