新型健康监测传感网关键技术研究Word下载.docx
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Chair,ThesisCommittee：
Prof.
DegreeApplied:
MasterofPhilosophy
Major：
InformationandCommunication
Degreeby:
BeijingInstituteofTechnology
TheDateofDefence：
March，2014
新型健康监测传感网关键技术研究北京理工大学
研究成果声明
本人郑重声明：
所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。
尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。
与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。
特此申明。
签名：
日期：
关于学位论文使用权的说明
本人完全了解北京理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：
①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；
②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；
③学校可允许学位论文被查阅或借阅；
④学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文；
⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。
导师签名：
摘要
随着社会经济结构、家庭人口结构以及信息技术的发展变化以及人类对自身健康状况的愈发重视，使得健康监测的需求大大增加，同时越来越多的家庭要求健康监测产品不仅要满足一些基本的需求，更要求健康监测传感网在功能扩展、外延甚至服务方面能够做到简单、方便、安全。
物联网的提出，使得健康监测的概念逐渐被人们接受，基于“物联网”的健康监测也愈加受到人们的青睐。
本文所研究的健康监测传感网就是基于医疗物联网思想所设计的。
本文研究的系统中使用了“中央处理器”，它用来汇总及处理所有的传感器与控制器信号。
在联网方面，使用了蓝牙协议的最新版本V4.0，相比以前的版本新增了蓝牙的低功耗模式，在低功耗模式下系统电流消耗得到了有效的控制，同时也大大缩短了联网的时间。
本系统使用了德州仪器最新的低功耗蓝牙芯片CC2540作为硬件支持，其片上包含低功耗模式的蓝牙射频前端与增强型C8051单片机，内部资源丰富、运算速度快、抗干扰能力强，片内含多种通信接口，可以方便连接各种传感器与控制器。
另外在系统中加入了智能终端，用于接收与保存各种健康监测设备的数据，并建立个人的健康档案以长期记录其多项生理参数，便于随时查看。
同时，一旦患病，这份记录生理参数的档案不仅能够为医生准确地提供患者院外的多项体征参数，甚至能够为紧急情况下的救治提供一定的支撑。
软件设计方面，蓝牙协议采用嵌入式低功耗蓝牙协议栈，简化了应用程序设计，提高了系统的实时性，稳定性，与可扩展性。
采用Objective-C开发智能终端上的软件，配合健康监测设备使用。
关键词：
健康监测；
低功耗蓝牙；
智能终端；
CC2540
Abstract
Inordertoexploit…….
KeyWords:
HeaithcareMonitor;
BluetoothLowEnergy;
SmartTermminal;
第1章绪论
1.1课题研究的目的和意义
近年来，随着人们生活水平的不断提高，人们越来越注重自身的身体健康状况，因而健康监测的需求大大增加，同时越来越多的家庭要求健康监测产品不仅要满足一些基本的需求，更要求健康监测传感网在功能扩展、外延甚至服务方面能够做到简单、方便、安全。
健康监测是一种对用户的生理或生化参数进行连续、长时间、实时监测,对数据分析处理后实现多类别自动报警、自动记录的某些医学仪器的组合,是电子技术、计算机技术、通讯技术、生物检测技术和现代医学相关技术相结合的产物。
病房里的监护系统多是依托于有线的连接，比如RS232、RS485等。
现在多是基于有线的TCP/IP局域网，有线传输有固有的好处，传输速度高，功耗低，传输稳定可靠，但是移动不方便，布网成本高，也不满足家庭医疗监护的应用需求，甚至有些数据现在都要护士人工的记录和入录，例如体温数据。
随着微电子技术、集成电路技术嵌入式计算技术以及传感器技术的飞速发展和不断成熟，物联网技术得到了广泛的关注。
作为一个新兴的技术领域，物联网实现了物与物的互联。
当前世界不少发达国家已经加大这方面的投入，研究开发新技术，美国等发达国家都在加快部署下一代网络基础设施的步伐。
早在1995年，比尔。
盖茨在《未来之路》中就已经提及物联网的概念。
但是，“物联网”概念的真正提出是在1999年由麻省理工学院Auto-ID中心提出，被定义为把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理[1]。
中国也是研究“物联网”的最早国家之一，在上世纪90年代，“物联网”就已经提出，但当时没有叫做“物联网”，而是叫做“传感网”。
物联网最直接的概念就是利用各种技术，通过网络来实现物品之间的互联互通。
它融合了传感器技术、嵌入式技术、无线通信技术、网络技术和计算机软件技术，通过各系统的协作对区域内的各种目标进行参数采集、控制，或将数据通过网络发送到数据中心进行存储计算。
物联网具有广泛的用途，遍及智能交通[2-4]、公共安全[5-6]、工业监测[7]、家庭护理、医疗健康[8]、智能消防[9]、环境保护等多个领域，具有广阔的发展前景。
2009年8月，温家宝总理在视察中科院无锡物联网产业研究所时，对于物联网应用提出了“感知中国”的概念，我国已将这项技术发展列入国家中长期科技发展规划[10-11]。
医疗设备的联网化，一方面能够降低医护人员的工作量，另一方面利于医疗监测的移动化尤其是家庭医疗监测，同时实现了整个医疗数据采集的智能化。
1.2研究现状及发展趋势
1.2.1健康监测传感网
健康监测传感网，就是将目前家庭中已有的监护设备进行联网，构建一个小型的物联网，使各个监测设备不在各自为战，从而协同工作，共享信息，通过采集个人的生理参数实现对个人身体健康状况的监测与评估，并且通过一个或多个智能终端实现对整个网络的统一控制与管理。
在智能终端（智能手机、PC机）上将各个监护设备的测量值进行汇总以及处理，建立个人的健康档案以长期记录其多项生理参数，便于随时查看。
该档案不仅能够为医生准确地提供患者院外的多项体征参数，甚至能够为紧急情况下的救治提供一定的支撑。
1.2.2健康监测传感网研究现状
健康监测的概念在很多年以前就出现，市场需求也一直存在。
健康监测传感网主要由传感器与医疗监测设备联网组成，然而受制于物联网技术，健康监测传感网一直没有得到大规模的应用与普及。
通常在大型医院的病房中能够见到一些监护设备，他们通过线缆连接，将患者的生理参数反馈到护士站，使得护士在远端能够及时了解患者的健康状况，在一定程度上减轻了护士的工作强度。
然而这种通过线缆连接的方式却存在着致命的弱点：
由于线缆数量多导致了工作量的上升，不仅布线繁杂组网不便，同时不易管理，一旦遇到问题进行排查也相当困难，提高了使用的成本。
这种方式在面对家庭医疗这一更广阔的市场却显得无能为力。
通过无线的方式进行联网，由于没有布线的问题就相对灵活得多，自然而然将无线的方式应用于健康监测就成了研究的热点。
基于GPRS网络和基于CDMA网络的心电监护系统已经取得了长足的进步[12-14],通过嵌入式技术进行数据的采集，然后借助已有的手机通信网络实现数据的传输,充分利用了覆盖范围较广的手机网络。
在医疗监护的实现方式上采用了WiFi技术[15-16]，并设计了相关传感终端,采用该技术可以方便地将传感终端与Internet互联，降低开发工作量。
针对WiFi的延迟与丢包现象提出了改进措施[17]，并且证实了该方法在医疗应用方面的可行新。
相比较之下，ZigBee技术被更为广泛的采用[18-21]，成为物联网众多技术中的宠儿。
基于ZigBee无线传感器网络的医疗监护设备更是层出不穷，加州大学伯克利分校和Intel联合实验室开发的MICAMOTE就是基于ZigBee技术，现已应用于医疗监护和环境监护[18]。
将ZigBee应用在心电监护上[19-20]，设计并开发了无线心电传输系统，开发的心电监护模块[19]，仅55×
23mm大小，采用CC2430芯片，集成了心电传感器及处理器和无线传输，是无线医疗监护设备微型化的一个重大进步。
将无线传感器网络在医疗监护中实现，以测量人体的血氧饱和度为例，将数据采集和Zigbee做到一个系统实现无线传感器节点[21]。
蓝牙技术在医用监护领域也被广泛的研究与应用。
国际上较早的一篇关于蓝牙技术在家庭监护的论述中，针对现代社会肥胖患者增多，构建了一个“自监护网络”来进行个人体重管理。
在这个网络中，体重计、心率计、移动终端和家庭服务器之间通过蓝牙通信[22]。
Tura等人设计并建立一个家庭监护网络平台，这个平台上，可穿戴的医疗仪器、数据收集器可以协同工作。
收集的数据可以通过GPRS传输到服务中心，然后经过Intemet供医疗专家使用[23]。
同时把蓝牙无线传感器用于远程监护也收到了一定的重视[24]。
基于蓝牙技术的医疗监护系统在国内也引起了极大的重视与兴趣[25-26]，刘晓东设计的基于蓝牙技术的心音无线传输系统试验样机，在10米范围内有快速、高效、准确的特点,能够实时显示接收到的动态心音数据[27]。
易灵芝等人将研究的重点放在蓝牙体温计上，通过采用CSRBlue-Core02芯片，通过蓝牙套片与单片机的集成设计,最大限度的减小模块尺寸,降低测温系统的硬件成本[28]。
在应用的产品化上，北京美高仪软件技术有限公司推出的ECGLAB-A-B型蓝牙式心电综合分析工作站，方便了心电负荷实验；
美国AMEC（AdvancedMedicalElectronicsCorporation）公司生产的PCMCIA卡式救护车使用医疗设备蓝牙接口，通过蓝牙技术可使病员迅速方便地在多种监护设备上显示生理参数，进而可再通过GSM网络无线传输到医院的工作站，医院的专家就可以进行同步会诊，进行院前急救。
在短距离通信上，蓝牙技术并不是最好的选择，但是在应用上的考虑，性能只是其中一部分，蓝牙的通用性要明显强于其他无线芯片。
按照电子产品的发展趋势，在未来的几年里，随着ARM技术的发展，各式各类的低功耗便携设备将进一步普及，蓝牙给所有这些设备提供了一个很好的通信接口，这样对蓝牙数据的处理将会是一件比较容易的事情。
也就是说蓝牙的通用性，扩展性要比其他技术强。
综合比较发现，WIFI、Zigbee等技术在研发的成本上，应用的推广，功耗的处理上这几个方面完全没有蓝牙合适。
虽然利用蓝牙技术构建无线数据采集传输模块，具有减少系统间的电缆连接的优点，可以应用于构建数据采集系统、各种检测的场合[29]。
研究蓝牙技术构建的无线数据采集传输系统具有一定的现实意义和应用前景。
但是蓝牙的功耗较高，传输距离比较近，难以满足在健康监测经常应用的长时间监测和室内的复杂环境，因此蓝牙技术还是在医疗应用中存在着一定的缺陷，不具有广泛的适用性。
1.3基于低功耗蓝牙技术的健康监测传感网
目前，国内物联网方式主要采用的是有线方式与ZigBee无线方式。
有线的方式的劣势上一节已经提到了，由于有线方式布线困难，不利于系统的扩展与维护。
ZigBee的特点就是低功耗及联网迅速，它目前在工业传感网方面得到了大量的应用。
但它与智能终端（手机，电脑）融合度不够理想，手机终端与电脑终端不配备ZigBee收发模块，需要转发设备，这样就增加了系统的成本，也带来了使用上的不便。
而且各个厂商使用的通信协议是自己制订的，是独有而封闭的，不同厂商的产品无法交互使用。
而单一的厂商的能力也十分有限无法设计出面面俱到智能化健康监测系统，也限制了行业的发展。
2010年7月，蓝牙4.0版本正式纳入蓝牙大军。
蓝牙4.0规范是传统蓝牙的进一步深化和发展，是上一代蓝牙3.0+HS规范的补充，专门面向对成本和功耗都有较高要求的无线应用，由于其以上优点可广泛应用于医疗保健、体育健身、家庭娱乐、安全防护等诸多领域[30]。
低功耗蓝牙技术就是基于蓝牙4.0协议（注：
该协议包括传统蓝牙技术、高速蓝牙和新的蓝牙低功耗技术）中低功耗模式所提供的无线通信软硬件架构的新一代蓝牙技术。
它拥有极低的运行和待机功耗，使用一粒纽扣电池可连续工作几个月甚至数年之久。
与传统蓝牙相比蓝牙4.0最大优势是功耗的降低。
在相同的环境下，蓝牙4.0技术的功率消耗比蓝牙3.0降低了90%，使用一粒纽扣电池可连续工作几个月甚至数年之久。
此外AES-128加密、深度睡眠机制，3毫秒低延迟，低成本和良好的互操作系统等也都是蓝牙4.0的特性。
相比于蓝牙3.0技术10米的传输距离，蓝牙4.0技术的有效传输距离提升了十倍。
蓝牙4.0版本的低功耗特性让业界很多人看到了新的市场机会。
无线产业分析公司WTRS在2010年7月初发布的一份报告中称，蓝牙4.0版本的最显著特点在于蓝牙低功耗技术拥有巨大的市场潜力。
目前来看，比较明确的应用领域主要是低功耗传感即物联网应用和医疗保健应用[31]。
目前，蓝牙技术已经得到非常普遍的应用，全球大约90%以上的手机都使用了蓝牙技术，其中将近100%的智能手机都已经使用了蓝牙技术。
随着Windows8、Ios、android等操作系统全面支持蓝牙4.0技术[32]，越来越多的移动终端将配备蓝牙4.0收发模块，像苹果，诺基亚，三星等移动终端厂商已经相继在新产品中配备双模式的蓝牙4.0模块，只需要在移动终端上安装相应的应用软件就可以直接作为控制终端使用，方便快捷的同时也降低了整个系统成本。
从而软件和硬件开发者将有更多的机会为客户提供新的设备、应用和服务。
如果使得需要被连接的物品相应也应具备低功耗蓝牙通信功能，在需要长时间通信的场合，低功耗特性就会显得非常关键，这就是低功耗蓝牙为什么会被用于物联网应用的内在动因之一。
不可否认，蓝牙4.0技术的普及为物联网的发展提供了一种技术选择，具有极大的发展空间。
低功耗蓝牙技术具有低功耗与较远的传输距离的特性，加之智能终端融合性与跨厂商的互操作性等优势，使得低功耗蓝牙技术在物联网的应用备受关注。
在国内已经有人将低功耗蓝牙技术成功应用于智能家居中，如朱江将光强、湿度等无线传感器在智能家居中实现，通过低功耗蓝牙技术实现数据交换与信息控制[33]。
本文正是这样的启发，研究并设计了一种基于低功耗蓝牙技术的健康监测传感网。
1.4本文的研究内容和结构
本文结合健康监测家庭化应用的特点，提出了一种基于基于低功耗蓝牙技术的健康监测传感网解决方案，该方案兼具ZigBee低功耗的特点与传统的蓝牙互联方便的优势。
本系统可以集成多种传感器，使之具备应用在不同领域的不同功能，因此本系统移植性强，应用广泛。
医疗监护领域的大部分检测传感器（体温、心电、血氧、血压等）都可以集成在该系统上。
本文的章节安排如下：
第一章：
绪论，主要介绍研究内容、意义及目前的研究现状。
第二章：
物联网与低功耗蓝牙技术综述。
主要对物联网技术和蓝牙技术进行介绍，对于物联网技术，分别从感知层、网络层、应用层的角度对一些关键技术进行了分析介绍；
对于蓝牙技术，重点关注蓝牙技术的演变过程，尤其是低功耗蓝牙技术的网络结构以及工作原理进行了介绍，为后续章节的设计提供了理论基础和依据。
第三章：
总体方案。
简述了系统方案的设计和选择，包括硬件方案讨论，接入方式的讨论和选择等。
第四章：
硬件电路的实现，射频电路设计中遇到的问题和解决的方法。
第五章：
探讨该系统的通信协议的设计及软件实现，上位机的软件实现。
第六章：
总结和展望，总结全文，在结论中指出了研究的创新点，并指出今后进一步在本研究方向进行研究工作的展望和设想。
第2章物联网技术与低功耗蓝牙技术综述
物联网，InternetofThings，它不仅仅把物连接在一起，而是架起了物品之间“交流”的桥梁，无需人的干预，使物品也像人一样具有“智慧”。
低功耗蓝牙技术作为一种新兴的无线通信技术，具有低功耗、低成本等特点，将低功耗蓝牙技术应用到物联网中，具有较强的研究价值和市场前景。
本章将分别对物联网技术及低功耗蓝牙技术进行综述，为之后的研究打下坚实的基础。
2.1物联网技术的发展状况
由于物联网技术巨大的工程价值和良好的应用前景，世界各国学术界、军事部门以及工业界都给予了极大的关注。
1999年在美国召开的移动计算和网络国际会议首先提出物联网这个概念，当时基于互联网、RFID技术、EPC标准，在计算机互联网的基础上，利用射频识别技术、无线数据通信技术等，构造了一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网（简称物联网）；
加拿大、英国、德国、芬兰、意大利、日本和韩国等国家对物联网也表现出了浓厚的兴趣，纷纷开展了一系列相关的研究工作。
物联网的最早由比尔•盖茨与1995年在《未来之路》一书中提及，有麻省理工学院的SanjeySarma和DavidBrock教授在1999年正式提出：
给每个物品一个代码，通过射频信号可以传递物品的信息；
然后借助于互联网技术对信息进行共享，从而实现对物品的跟踪等智能管理。
物联网真正受到广泛关注是在2005年突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：
物联网》，该报告最先正式提出了“物联网”的概念，同时描绘了物联网的体系架构：
感知层、网络层和应用层，为物联网的网络模型提供了指导意见[34]。
2008年年底，IBM从商业角度提出了“智慧地球”的新理念，其战略主要是把IT前沿技术应用到各行各业之中，把传感器嵌入和装置到全球的电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，通过互联形成网络；
而后通过超级计算机技术和云计算技术，对海量的数据和信息进行分析和处理，将“物联网”整合起来，实现智能化的控制与管理，从而达到全球的“智慧”状态，被认为是物联网的一种理想形态。
2009年1月，在奥巴马就任后与美国工商界举行的“圆桌会议”上，IBM首席执行官彭明盛基于“智慧地球”的设想建议新政府投资新一代智慧型基础建设的建议得到了奥巴马的积极回应，决定将其提升到国家级发展战略中。
2009年6月，欧盟发布《物联网——欧洲行动计划》公告，将物联网的建设提到议事日程之上，改公告共包含14项行动计划，希望以此来引领世界物联网的发展。
物联网的研究也得到了各国政府的重视，日本和韩国也相继提出了“U-Japan”与“U-Korea”战略。
在2009年7月，日本颁布了新一代的信息化战略“i-Japan”，提出了“智慧泛在”构想，将传感网列为国家重点战略之一，致力于构建个性化的物联网服务体系。
加拿大、英国、德国、芬兰、意大利等国家对物联网也表现出了浓厚的兴趣，纷纷开展了一系列相关的研究工作。
中国科学院早在1999年就启动了传感网相关研究，组建了2000多人的团队，先后投入数亿元，为我国物联网的发展奠定了坚实的基础。
2009年8月，温家宝总理在无锡调研时，对无锡传感中心予以高度关注，并指出“早一点谋划未来，早一点攻破核心技术”以及“建立中国的传感信息中心。
或者叫做‘感知中国’中心”。
11月，无锡市国家传感网创新示范区（传感信息中心）正式获批。
在《国家中长期科学与技术发展规划》及“新一代宽带移动无线通信网”等重大专项中均将物联网列入重点研究领域。
北京、上海、重庆等地积极参与，加快推动物联网产业的发展。
北京物联网关键应用技术工程研究中心与2010年7月成立，通过产、学、研、用的产业链机制实现技术创新突破；
上海物联网产业联盟与同年11月成立，提升研究开发与生产制造水平，加速物联网产业发展；
2011年4月重庆联合企业、单位以及高校等28家单位成立产业发展联盟……
2.2物联网技术架构
物联网给予物体“智慧”，让它们之间以及与人之间便捷的沟通。
它需要对物体具有全面感知的能力，对信息具有互通互联的能力，并对系统具有智慧运行的能力，从而形成一个连接人与物体或者物体与物体的信息网络。
可以看出，物联网应该是一个层次化的网络结构，其层次结构如图2.1所示。
图2.1物联网的层次结构示意图
感知层是物联网的感觉器官，利用RFID、传感器、摄像头、GPS等技术形成对客观世界的全面感知，从而完成识别物体和采集信息（如温度、湿度、光线等）。
网络层是物联网的神经系统，通过数据传输技术与互联网、无线网络等将感知层获得的信息进行处理和传输。
应用层是物联网的大脑，分析与处理获得的信息，做出正确的控制与决策，为用户提供分丰富的应用与服务[35-36]。
2.2.1感知层
感知层位于三层架构的最底层，主要解决人类社会和物理世界数据获取和数据收集的问题，用于完成信息的采集和收集等。
它用来感知外界的温度、湿度、压力等情况，通过采集这些完成对物体的识别。
感知层是物联网发展的关键环节和应用基础，它具有物联网全面感知的核心能力，具有十分重要的作用。
感知层结合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器的协作实时监测、感知和采集监测对象的多种信息。
通过嵌入式系统对信息进行处理，将信息向上传输，最终到达用户终端，从而真正实现“无处不在”的物联网的理念[37]。
感知层负责获取信息的功能决定了感知层终端涉及的技术，如传感器技术、自动识别技术（条码识别、磁卡/IC卡识别和射频识别）和无线传感网络进行分析介绍。
1）传感器技术
传感器是一种检测装置，能感受到被检测的信息，并能将检测感受到的信息按一定规律变换为电信号或其他所需形式的信息输出，传递给其他装置，以满足信息进行检测的要求。
物联网传感器就是物联网系统中对各种参量进行信息采集和简单加工处理的设备，在数据采集前端有着重要的作用。
传感器的类型多种多样，原理各异，检测的对象更是门类繁杂。
传感器的一般组成形式主要由敏感元件、转换元件和转换电路组成，其组成结构如图2.2所示。
敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量；
转换元件将敏感元件的输出作为它的输入，将输入物理量转换为电路参量；
转换电路将上述电路参量接入，最后以电量的方式输出。
这样传感器就完成了从感知被测量到输出电量的全过程。
图2.2传感器的组成结构图
传感器正朝着小型化和智能化的方向发展，以微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）和智能传感器最具代表性。
MEMS传感器由于体积小、功耗低，便于集成，在物联网时代有必将着非常广泛的应用。
而智能传感器是把传统的传感器与微处理器相结合，使传感器本身均有一定的
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