无线传感器网络通信协议及其在医学领域的研究进展*

万乔乔，张俊然，赵 斌

(1.四川大学 电气信息学院，四川 成都610065;2.广东医学院 附属医院，广东 湛江524001)

0 引 言

无线传感器网络(WSNs)的研究起源于20 世纪70 年代，是从军事领域研究开始的，之后，美国国防部高级研究计划局(DARPA)的分布式传感器网络项目开启了现代传感器研究的先河［1］。而通信协议是无线传感器网络实现通信的基础，无线传感器网络通信协议设计目的是为了使具体的无线传感器网络通信机制与上层分离，为传感器节点提供自组织的无线网络通信功能［1］。无线传感器网络的通信协议可按频段、传输距离、发明年份等多种方式进行分类，如按发明时间的先后可分为IEEE 802.11 系列(1991年)、通用分组无线业务(GPRS)(1993 年BT Cellnet 公司提出)、超宽带(UWB)(1995 年最早提出，2002 年正式商业化)、蓝牙(1998 年)及Zig Bee(2001 年)，长期演进(long term evolution，LTE)(2004 年，首次在日本提出，2009 年12 月，首次使用LTE 网络，2011 年，北美运营商开始LTE商用)等。每一种协议的主要应用领域不同，对其在医学领域的应用研究更是甚少。

1 无线传感器网络通信协议统计分类

2005～2014 年，EI 数据库收录无线传感器网络的所有通信协议的文献统计量如下:

Zig Bee 为296 篇，IEEE 802.11(WiFi)为111 篇，Bluetooth 为108 篇，UWB 为97 篇，GPS 为85 篇，GPRS 为43 篇，IEEE 802.15 为23 篇，LTE/4G 为19 篇，IEEE 802.16 为9 篇，近场通信(near field communication，NFC)为5 篇，WiMedia 为3 篇，5G 为1 篇，其余为18 篇。

统计结果表明:对无线传感器网络所有通信协议研究最多的是Zig Bee 协议，文献数量为296 篇，其次是IEEE 802.11系列，Bluetooth，UWB，GPS，GPRS等标准协议，其中GPRS 和前三种协议是目前应用较成熟且在医学领域比较常见的协议;UWB 和NFC 在医学领域还处于初期研发阶段，应用较少;GPS 和LTE 则更倾向于技术，且GPS 经常和其他协议联合应用;部分科研机构针对某些特殊领域(如海洋通信)和专用无线通信系统(如，小型卫星通信、移动机器人)设计的非标准协议总共18 篇;而处在研发阶段的协议主要是IEEE 802.15，IEEE 802.16，WiMedia，5G。对于IEEE 802.11，Bluetooth，Zig Bee 和GPRS 这四种主流协议的对比和分类介绍见图1。

图1 对比分析四种主流协议不同应用领域的文献计量Fig 1 Contrast analysis on 4 primary protocols in different application fields

2 无线传感器网络通信协议的应用领域分析

2.1 Zig Bee 协议

对Zig Bee 在不同领域的应用分析统计结果为:工业自动控制为90 篇，家庭和楼宇为64 篇，公共场所为61 篇，农业控制为33 篇，医疗领域为26 篇，商业领域为22 篇。统计结果表明:Zig Bee 通信协议在无线工业自动控制、家庭和楼宇控制、农业控制(如无线数据采集等)、医疗系统等领域的应用都较为广泛，其在医疗系统的主要应用体现在病人监护、医护保健、生物医学工程、生物医学传感器及医学影像等方面。文献［2～4］基于Zig Bee 协议，组建了温度环境远程监控系统，实际生产应用过程表明:该系统工作性能稳定，且有效地简化了现场设备安装与拆移等过程;文献［5，6］基于了Zig Bee 无线传感网络，将Zig Bee 技术和穿戴式传感器结合，构建了Zig Bee 个人监护网，负责采集心电、脉搏波、血氧容积液、呼吸等4 个重要生理参数，再利用家用电脑将波形数据显示和存储，并向远程医疗服务中心传送数据，供医生远程分析、诊断［7］。

2.2 蓝牙协议

通过分析图1，可以看出:蓝牙通信协议(按目前蓝牙产品的具体应用分类［8］)主要应用在手机和电脑、医疗保健、嵌入式设备(如家用电器)、其他数字设备(摄影机、照相机)等领域。对比其他协议，蓝牙在医学领域的应用最多，鉴于此，本文对蓝牙在医学领域产出文献较多的刊物及其相应的文献数进行计量分析，见表1。

表1 结果表明:美国的《IEEE－EMBS》会议集录产出蓝牙通信协议在医学领域的文献数量最多，总共22篇，并在2011 年产出的文献最多。通过对来源期刊的计量分析，可以帮助对此领域有兴趣的研究者快速有效地查阅相关资料，也便于此领域的专家有针对性地开展学术交流活动，从而扩大此领域研究成果的影响范围。

表1 蓝牙在医学领域出版文献较多的刊物与相应的文献数计量分析Tab 1 More journals published literature of Bluetooth in field of medicine and corresponding literature numbers quantitative analysis

蓝牙在医学领域协议有代表性的应用成果有:文献［9］基于蓝牙协议，设计了一种专门针对残疾人的智能家居系统，实验结果表明在距离主控器25 m 范围内，此系统的每个开关都可以成功地作用;文献［10］设计了一种多生理参数检测系统，实验结果表明:蓝牙无线传输系统可以对多生理参数完成可靠无创传输;文献［11～13］基于蓝牙建立了一种无线监控医疗网络，使便携式健康监护仪和智能手机之间形成畅通的信息反馈系统。

2.3 IEEE 802.11 系列

IEEE 802.11 系列的应用主要体现在无线上网、交通等方面，最佳应用领域是以手机和笔记本为主的无线局域网，在医学领域的应用较少;在医学领域比较有代表性的是:文献［14］利用IEEE 802.11b 较高的传输速率(实际传输速率可达4 ～5 Mbps)，通过采用无线桥接模式，实现了医院集团与下级医院、社区医院及健康中心之间的数据共享、医院信息化管理、健康保健中心的远程医疗等功能。

2.4 GPRS 协议

基于GPRS，目前以LTE 网络为主的4G LTE 的出现大大地推动了可穿戴式医疗设备的发展［15～17］，这种远距离通信技术使得远程监控被试生理状况成为可能，如，Maxine Integrated 试制出了能够测量生命体特征的T 恤“Fit 衫”，Fit 衫利用内嵌的传感器来测量心电图、体温及用户活动量等，供医疗机构持续监测患者的生命体征。不仅国外，国内于2013 年6 月底出现了首款可穿戴式医疗设备“魔豆”，戴在脖子上，白天可以监测人们的运动类型和运动量，晚上可以监测睡眠状态。文献［18］研制了一种基于GPRS 的针对儿童监护的腕带式装置，实验结果表明:此装置不受地域限制，使得儿童在发生意外或疾病时能够实时采集儿童生理信号，并通过GPRS 模块将此信号传到父母手机端，使得儿童及时得到救助。

3 各协议在医学领域的发展趋势

目前，在医学领域常见的无线通信协议有Bluetooth，Zig Bee，GPRS，IEEE 802.11，主要应用在病人监护、医疗保健、生物医学工程等方面。

对各协议在医学领域的发展趋势来说:2005 ～2012 年国内外蓝牙通信协议在医学领域的应用发展处于上升趋势，2012 年以后，呈下降趋势;Zig Bee 在医学领域的应用发展较为平稳;GPRS 自2008 年起有严重的下降趋势(这可能和3G 通信技术、4G—LTE 技术的应用和替代相关);IEEE 802.11 的发展趋势很不稳定，自2005 年至今，呈波谷、波峰、波谷、波峰的趋势)，最近3 年又呈下降趋势。

4 结 论

对于无线传感器网络的各通信协议来说，每一种协议都专长于特定应用，在各自的小领域存在优势;但是同一协议不同版本(发布方、年份不同)之间还存在版本兼容性问题，各不同协议之间存在着较大的兼容性和版本竞争问题.而在无线传感器网络医学应用领域，对各协议的研究还处于初级阶段，存在着较大的发展空间;如目前还没有一个专门应用于某一狭小医学领域的主导协议，尤其是在近几年兴起的远程大容量影像数据传输和人体传感器网络(BSN)［19～22］领域，一方面研究者需要考虑目前提出的新协议(NFC，UWB)是否可用，另一方面，研究者还需考虑自行设计针对这一领域的主导协议。

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