6LoWPAN家庭无线医疗传感网及监测节点的研究

付 蔚 税梦玲 王 平

(重庆邮电大学工业物联网与网络化控制教育部重点实验室，重庆 400065)

0 引言

无线传感网(wireless sensor network，WSN)集合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术［1－3］，其通过传感器节点来监测环境及其他情况。这为监护和照顾独居老人以及家中的认知障碍者、残疾人、慢性病者、婴幼儿等提供了解决方案。

传感器节点嵌入IP地址是无线传感网技术发展的必然选择，而地址资源丰富、地址自动配置、安全性高、移动性好的下一版本互联网协议IPv6［4］，可满足无线传感网在地址和安全等方面的需求。因此互联网工程任务组织(IETF)成立了 IPv6 over LR-WPAN(6LoWPAN［5］)工作组，着力于制定基于 IPv6 的低速无线个域网标准，即 IPv6 over IEEE 802.15.4［6］，使传感器节点嵌入IP地址成为可能。本文提出基于6LoWPAN无线传感网的家人健康监护及远程医疗服务方案，可实现预知疾病、监护家人等功能。

1 6LoWPAN家庭无线医疗传感网

尽管TCP/IP已经发展得十分成熟并广泛运行于互联网中，但传感器设备毕竟不同于通用计算机，它在能量、运算能力及存储容量等方面受到极大的限制，往往只执行特定的功能，而无法在嵌入式设备上实现完整的TCP/IP协议栈［7］。因此，传感网中的传感器节点只能运行低功耗轻量级IPv6协议栈。然而运行轻量级IPv6协议栈的6LoWPAN无线传感网并不能与IPv6网络通信，因为IPv6主机不能识别6LoWPAN的压缩、分片与寻址方式。虽然IPv6将会在不久的将来完全替代IPv4，但目前中国绝大多数接入互联网的主机都还是IPv4主机，所以需要解决6LoWPAN无线传感网与IPv4网络的通信问题。在此，采用一种硬件资源相对丰富的网络连接设备如网关，将6LoWPAN包转换成IPv4主机可识别的IPv4包，从而实现6LoWPAN无线传感网与IPv4网络的互联互通。基于网关接入互联网的家庭无线医疗传感网通信示意图如图1所示。

使用6LoWPAN组建无线医疗传感网络，可以提高数据转发效率、增强安全性。其中，传感器节点包括测量体温、心率、血氧饱和度、血压、检测心电、呼吸、睡眠等的传感器，可根据监护对象情况的不同来选择。被监护者可选择腕带式、臂带式、胸带式、夹克式等方式［8］佩戴相应的传感器，在WSN范围内，可静止也可任意走动(有些传感器要求在静止的情况下测量)。这些无线医疗传感器运行于精简的、低功耗的6LoWPNA网络协议栈，上电后自动读取MAC地址，并配置好所需的IPv6地址;采集的监测数据如血压数据、心电数据等，通过多跳Mesh组网的方法送到网关进行数据的转发处理;最后接入各种承载网络(如WiFi、以太网、GSM、3G)，将信息发送到服务器(服务器设于每个社区的医疗服务中心)。

图1 通信示意图Fig.1 Schematic diagram of communication

2 6LoWPAN心电体温监测节点

传感器节点由电源、感知部件、嵌入式处理器、通信部件和相关软件等几个部分组成，各部分相互协调，共同完成对外界信息的感知功能。感知部件使用合肥华科电子研究所的HKD-10B单导心电体温信号采集模块，可同时测量心电和体温数据，减少了患者佩戴传感器的数量，降低了成本。嵌入式处理器采用Atmel公司的一款AVR单片机ATMega2561，其工作主频达8 MHz，内部集成了 256 kB Flash、4 kB EEPROM、8 kB内部SRAM，提供了2个串口、1个SPI接口。RF收发器选用Atmel公司的AT86RF212芯片，与ATMega2561通过SPI接口进行通信，可选择工作于779～787 MHz的中国WPAN频段。该芯片具有高达－110 dBm的接收灵敏度，以及高达－10 dBm的可编程发送输出功率，能够提供业界最佳的120 dB链路预算。

HKD-10B信号采集模块通过佩戴在监测者身上的心电电级片和体温传感器，采集人体的心电和体温数据;在对数据进行处理后，通过串口将二进制数字信号发送给ATMega2561处理器，ATMega2561将接收到的心电体温数据封装成帧;最后通过AT86RF212收发器发送数据帧。其中，ATMega2561处理器运行轻量级6LoWPAN协议栈，并且使用UDP作为其传输层协议。软件开发基于Atmel集成开发环境的工程仿真调试环境AVR Studio，使用开源的contiki平台协议栈软件进行二次开发。6LoWPAN技术底层采用IEEE 802.15.4的物理层和竞争式MAC层，网络层采用IPv6协议。IEEE 802.15.4中定义的最大帧为127 B，MAC包头最大长度为25 B，而 IPv6的 MAC负载最大长度为1280 B，因此在网络层和MAC层之间增加一个网络适配层，用来完成报头压缩、分片与重组，从而实现MAC层与网络层的无缝连接。节点硬件结构图如图2所示。

图2 节点硬件结构图Fig.2 The hardware structure of the node

图2中省略了电源及外围电路部分。节点工作电压为2.0～3.6 V，支持休眠及唤醒功能，以降低功耗。本文只给出了一种医疗监测节点的实现，若要实现其他的监测功能，只需选择不同的感知部件，如选用心率传感器或者血压测量传感器，即可实现对心率、血压的测量。这些6LoWPA网络节点采集的不同信息，最后都将通过多跳无线通信发送给基站。

3 6LoWPAN无线传感网网关

网络中使用IPv6协议，可实现IPv6设备端到端的通信，但由于兼容性的问题，IPv4主机不能与6LoWPAN无线传感网直接建立连接，因此需要通过网关来完成IPv6包和IPv4包的转换［9］。IPv4主机、网关和6LoWPAN无线医疗传感网之间的消息流向示意图如图3所示。

图3 消息流向示意图Fig.3 Schematic diagram of the flow direction of messages

网关的中央处理器选用韩国三星公司的基于ARM9内核的32位嵌入式微处理器 S3C2440A。S3C2440A通过串口与基站节点(安装了基站应用程序的节点)进行通信，收集WSN的数据或转发数据到WSN节点。为了监听IPv4数据包，网关开始工作时即创建IPv4套接字接口。当收到IPv4数据包时，判断此数据包是否需要转发到无线传感网。若需要转发，则对IPv4包头进行压缩和解压，对大的消息进行分片与重组，将其转换成无线传感网可识别的数据包;同理，6LoWPAN数据包接口用于接收无线传感网的消息流，当收到6LoWPAN数据包时，将其转换成IPv4数据包并发回IPv4主机。

4 远程医疗

城市由许多的社区组成，社区又由一户户的住宅组成，一个社区往往会设立一个社区医疗服务中心，几个社区又可能会共享多个医院，若能有效便捷地利用这些医疗服务，将会提高人民的生活质量。以6LoWPAN家庭无线医疗传感网为最小单元，提出的远程医疗体系结构图如图4所示。

图4 远程医疗体系结构图Fig.4 Architecture of telemedicine

社区医疗服务中心作为整个小区的数据处理中心(每个社区服务中心设有专用服务器)，对所属社区注册家庭的医疗监测数据进行处理和分析并存储到数据库，服务器可采用浏览器/服务器架构。家庭用户可通过Web服务器接入互联网，采用用户名、密码登录社区医疗服务网站，即可在任何时间、任何地点在线查询家人健康记录。

此外，社区服务中心网站应提供以下服务:①用户注册、信息更改、数据下载、销户等服务;②用户可上传家人健康数据，完善用户家人电子健康档案;③用户远程预约门诊，在家接受社区医疗机构的上门服务;④引导用户进行自我医疗的服务，针对用户测量的各项参数值，给出科学的建议;⑤对特殊病人提供实时远程监控的服务，若患者出现异常，立刻对患者进行地理定位，医护人员赶往现场，并及时通知患者家人;⑥用户更换居住地，可将用户数据信息移交给用户新社区医疗服务中心进行管理;⑦与用户要求的医院实现用户数据共享的服务。

5 结束语

IPv6是专为支持安全性(IPsec)(需要AH和ESP报头的支持)和移动性(移动 IPv6，可选)而设计的［4，9］。将IPv6应用到WSN中，既满足了无线传感网地址和安全方面的需求，又便于医疗设备代码加载升级、地址更新、节点配置管理、组网管理、状态管理。但与此同时，还需在协议栈的裁减方面作出努力，同时功耗、带宽消耗，以及能量供应、能量消耗、能量管理等问题也有待解决。相信随着医疗传感器技术的发展以及物联网技术的大力推进，远程医疗必将为人们带来更便捷、更安全的医疗服务。

［1］余子轩.无线传感网和物联网中网络的地位和作用［J］.射频世界，2010(4):54－56.

［2］彭力.无线传感网络技术［M］.北京:冶金工业出版社，2011.

［3］马祖长，孙怡宁，梅涛.无线传感器网络综述［J］.通信学报，2004，25(10):3 －5.

［4］Davies J.Understanding IPv6［M］.2 Edition.Microsoft Press，2008.

［5］Kushalnagar N，Montenegro G，Schumacher C P，et al.IPv6 over low-power wireless personal area networks(6LoWPANs):overview，assumptions，problem statement，and goals［C］∥ IETF RFC，2007:4919.

［6］IEEE 802.15.4 Wireless medium access control(MAC)and physical layer(PHY)specifications for low-rate wireless personal area networks(LR-WPANs)［S］.NewYork:IEEE Press，2003.

［7］Leonhardt S.AmIware hardware technology drivers of ambient intelligence［M］.Netherlands:Springer，2006:349 －370.

［8］王志克，张宏科.IEEE 802.15.4 的嵌入式 IPv6 研究［J］.北京交通大学学报，2005，29(5):6 －10.

［9］Davies J.深入解析 IPv6［M］.2 版.杨轶，苏啸鸣，吴超，译.北京:人民邮电出版社，2009:11.