基于WSNs的医院环境监测系统设计*

陈远波, 李　青, 王燕杰, 申屠南瑛

(中国计量学院 机电工程学院，浙江 杭州 310018)



基于WSNs的医院环境监测系统设计*

陈远波, 李青, 王燕杰, 申屠南瑛

(中国计量学院 机电工程学院，浙江 杭州 310018)

摘要:针对传统医院环境监测系统现场布线难、设备移动性差、测量精度不高的问题，提出了一种基于无线传感器网络(WSNs)技术的医院环境监测系统，并详细介绍了该系统的结构、通信机制及软件实现流程。系统由无线传感器节点依据无线通信机制形成WSNs。在分析影响WSNs能耗的主要因素和现有节能技术基础上，提出了一种基于能量均衡的数据可靠传输算法,即动态能量管理分簇算法(DPMCA)，该算法把DPM技术和CA有效结合，有效解决了传统医院环境监测系统中存在的问题。

关键词：无线传感器网络； 环境监测系统； 能量均衡； 数据可靠性传输

0引言

继互联网和移动网络之后，物联网成为信息科技的第三波浪潮，无线传感器网络(wireless sensor networks,WSNs)技术将在物联网中起到举足轻重的作用[1],并引起了人们越来越多的关注。近几年，短距离无线通信技术得到快速发展，被广泛应用于无线环境监测中，然而如何实现一种低成本，易于维护与扩展，测量精度高，可靠实用并适合我国国情的医院环境监测系统，仍是亟待解决的实际问题。

本文提出了一种基于WSNs的医院环境监测系统，通过软硬件相结合实现了医院环境的温度、湿度以及光照强度等数据的实时监测。在分析影响WSNs能耗的主要因素和现有节能技术基础上，本文提出了一种基于能量均衡的数据可靠传输算法[2],即动态能量管理分簇算法(dynamic power management clustering algorithm,DPMCA)，该算法把DPM技术[3]和CA有效结合。实验与仿真结果显示：该算法有效实现了网络能量均衡、延迟了WSNs的生命周期，提高了医院环境监控系统的数据传输可靠性。

1医院环境监测系统方案设计

系统在医院楼道、科室单元设置汇聚节点，以环境监测装置为单个节点，在楼层内采用无线网络把节点的读数集中到位于楼层底部或中部的汇聚节点，然后由汇聚节点经过处理后通过医院内网或短信方式发送到监控中心。系统主要由三部分组成：1)安装在楼道、科室单元中有无线数据传输功能的环境监测装置(无线传感器节点)；2)安装在楼层内的汇聚节点；3)上位机显示部分。整个医院环境监测系统总体结构如图1所示。

图1　医院环境监测系统总体结构Fig 1　Overall structure of hospital environment monitoring system

环境监测装置作为传感器节点，它是采用自组织方式[4]进行组网并利用无线通信技术进行数据转发，节点都具有数据采集与数据转发双重功能。节点对本身采集到的信息和其他节点转发给它的信息进行初步的数据处理之后以相邻节点接力传送的方式传送到汇聚节点，然后通过汇聚节点以医院内网、短信等方式传送给监控中心，通过上位机实时显示医院环境的温度、湿度以及光照强度等数据。

2系统硬件设计

医院环境实时无线监测节点(图2)由微处理器、传感器、存储器、无线通信模块、电源模块等主要模块组成。在系统中，处理器采用STC10L系列单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机。无线通信模块采用的是CC1101模块[5]，该模块一种低成本真正单片的UHF收发器，基于0.18 mm CMOS晶体的Chipcond的SmartRF 04技术，性能稳定、高灵敏度且功耗低，可确保短距离通信的有效性和可靠性。电源模块主要为节点和其它模块提供正常工作所必须的能源;传感器模块主要用于感知、获取监测区域信息,然后由A/D转换器把模拟量转换成微处理器能够接收的数字量,并传送到微处理器；微处理器主要作用就是对接收信息进行处理和对各节点工作进行协调；无线收发模块负责与其他节点传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据。

图2　医院环境实时无线监控节点结构Fig 2　Structure of hospital environment real-timewireless monitoring node

传感器节点与汇聚节点在硬件设计上主要在电源模块部分和无线通信模块部分[6]。传感器节点基本靠电池供电，主要负责采集数据和一定的转发相邻节点数据的任务，所以,通过使它大部分时间处于休眠状态来延长节点的寿命；汇聚节点不仅需要采集数据，而且负责网络建立与发出各种命令、汇聚终端节点传感器节点发送过来的数据并上传至监控中心，所以，硬件设计上需要增加存储器并采用电源供电，这样可以有效地维护系统的稳定性和可靠性。

3系统软件设计

由于传感器节点能量有限，如何有效地做到网络能量均衡，延长WSNs的生命周期，提高数据可靠传输是设计WSNs的一个重要问题。在分析影响WSNs能耗的主要因素和现有节能技术基础上，本文提出了DPMCA，该算法把DPM技术和CA有效结合。

3.1DPM节能技术

DPM是一种能够有效降低系统能耗而又不影响系统性能的方法[7]。在低功耗硬件设备基础上,DPM技术可以进一步减少能量消耗,延长电池工作时间。节点周围如果没有要处理的事件发生,一部分模块就会处于空闲状态,这时也可以让这些模块停止工作或让其处于休眠状态。为了能够使功耗最小,通过软件设计DPM状态，根据外部任务和内部状态实时动态地改变系统的工作功率状态。无线通信链路质量与节点间无线通信能力密切相关。链路质量可以通过包接收率(packet reception ratio,PRR)直接度量，也可以用接收信号强度指示( received signal strength indication，RSSI)和链路质量指示(link quality indication,LQI)两个参数来评估,而且两者之间的关系式可以用式(1)表示[8]

RSSI=-(81-91LQI/255).

(1)

随着环境的不同，门限值也会发生变化，一旦达到某个门限值,链路都可以达到一个理想的PRR，因此，使用RSSI值来评估链路质量，获得维持最小连通度的RSSI值。

3.2DPMCA

为了便于研究，本文进行如下假设：

1)假设网络内所有节点的地位都是平等的,在初始状态下,所有节点都具有相同能量,其能量管理策略釆用动态能量管理,而且还具有自适应调整发射功率的能力。如果获得对方发射功率,节点能够根据RSSI计算出通信距离[9]。

2)假设所有节点不仅ID标识是唯一的,而且还具有获取其他节点ID标识的能力。

借鉴LEACH的一些基本思想，并以循环方式随机选择簇头，提出了一种应用于中小规模WSNs的DPMCA,而汇聚节点与普通传感器节点的软件实现存在一定的区别，汇聚节点的软件实现流程图如图3所示，普通传感器节点软件实现流程图如图4所示。

图3　汇聚节点软件流程图Fig 3　Flow chart of software in sink node

图4　普通节点软件流程图Fig 4　Flow chart of software in normal node

1)在初始阶段：簇头比例和第一次簇头节点的选举由汇聚节点统一确定,剩下各轮簇头节点通过新一轮选举产生。为了能够使簇头达到最优,在监测面积和传感器节点总数目已经确定的情况下采用遗传算法[10]对簇头进行优化。

2)簇头的形成：监测区域被统一划分成若干个簇,汇聚节点根据最优簇头比例对区域进行划分,假设簇头比例为所需簇头个数与节点总数的比值,则对第r轮的簇头选择阈值如式(2)所示

(2)

式中mod为模运算,r为网络当前运行的轮数,在区间[0,1]内,每个节点产生随机数i,如果节点产生的随机数i

3)组簇：簇头向区域内所有节点广播自己的ID并成为簇头的公告(advertisementofclusterhead，AOCH)。同时,簇头之外的传感器节点(sensornodes,SN)判断不同簇头广播的AOCH信号强度,并发送注册(registration，REG)信息给信号强度最大的簇头,加入其所在域，并形成簇内ID信息列表ID_List。

4)簇内传送：各个终端以单跳或多跳的形式向簇头节点传输数据。

5)判断是否更换簇头：簇头根据自己的剩余能量判断是否更换簇头，若需要更换簇头，则重新第2步，本文采用静态组簇的方式，即第1分簇后各簇内成员不发生变化。

6)汇聚：簇头负责将簇内所有节点的数据进行相应融合后发送给汇聚节点。

7)上位机显示：由汇聚节点汇聚终端节点传感器节点发送过来的数据并上传至监控中心，并在上位机上实时显示医院环境的温度、湿度以及光照强度等数据。

4系统测试与性能分析

首先搭建了硬件系统，并通过无线自组网的方式进行无线组网，最后在电脑上位机显示相应数据。原型系统如图5所示，上位机显示如图6所示。通过对每个模块进行单元功能测试，实验表明：各个单元模块可以实时采集当地监测区域的环境参数，上位机正常显示，系统各项功能运行良好，能够实现预期效果。

图5　传感器节点原型系统Fig 5　Prototype system of sensor node

图6　上位机显示部分Fig 6　Upper PC display part

对DPMCA的性能进行了评估，并做了相关实验：在DPMCA和LEACH算法下，网络存活率随工作时间的变化情况的比较，如图7。

图7　网络存活率情况比较图Fig 7　Comparison chart of network survival rate situation

从图7中可以看出:DPMCA有效地延长了医院环境无线监控网络的生命周期，相比传统LEACH算法延长了2～3倍左右，防止传感器节点过早死亡引起数据丢包，从而提高了数据传输的可靠性。

5结束语

该系统应用当前热门的WSNs技术实现了医院环境无线实时监测系统，具有使用方便、易于尾部、灵活可靠等特点，且具有很强的实用性。针对WSNs技术中数据可靠性传输问题，提出了一种DPMCA，该算法把DPM技术和CA有效结合，实现了网络能量均衡、延长了WSNs的生命周期，防止传感器节点过早死亡引起数据丢包，提高了医院环境监控系统的数据传输可靠性。设计对医院环境监测的应用和研究具有一定的参考和指导意义。

参考文献:

[1]王建平,史一哲,曹洋.“十二·五”中国物联网发展形势,思路与重点[J].中国信息化,2011(3):90-91.

[2]杨永刚，崔宝同.无线传感器网络中一种节点负载均衡的分簇算法[J].传感器与微系统,2014,33(3):139-142.

[3]田丰民,陈向东,张传武,等.无线传感器网络动态功率管理方法[J].传感器技术,2005,24(11): 33-35.

[4]张旭.无线自组织网络路由算法及相关技术研究[D].长春:吉林大学,2013.

[5]刘杰,章韵,陈建新.利用433MHz射频通信技术实现智能家居系统[J].计算机系统应用, 2014,23(8):53-58.

[6]沈卓.基于虚拟MMO的无线温室测控系统传感网络结构研究[D].镇江:江苏大学,2010.

[7]Lin C,He Y,Xiong N,et al.An energy-efficient dynamic power management in wireless sensor networks[C]∥Proceedings of the Fifth International Symposium on Parallel and Distributed Computing,Timisoara,Romania,2006:148-154.

[8]谢钦,林靖宇,卢子广,等.无线传感器网络中RSSI衰减特性的实验分析[J].化工自动化及仪表,2010,37(1):60-62.

[9]张永强，张巧荣.无线传感器网络节点分布与定位性能之间的关系分析[J].传感器与微系统,2015,34(4): 52-55.

[10] 黄少荣.遗传算法及其应用[J].电脑知识与技术,2008,4(7):1874-1875.

Design of hospital environment monitoring system based on WSNs*

CHEN Yuan-bo, LI Qing, WANG Yan-jie, SHENTU Nan-ying

(College of Mechanical and Electrical Engineering,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China )

Abstract:Aiming at problems of traditional hospital environmental monitoring system,which are difficulty of addressing,poor mobility and measurement precision is not high,present a new hospital environmental monitoring system based on wireless sensor networks(WSNs),and introduce system structure,communication mechanism and flow chart of program in detail.Wireless sensor nodes form WSNs based on wireless communication mechanism.On the basis of analysis on main factors that influences energy consumption of WSNs and the existing energy-saving technology,propose a reliable data transmission algorithm,dynamic power management clustering algorithm (DPMCA),which is based on energy balance,it effectivly combines dynamic power consumption management technology with clustering algorithm.This system solves effectively problems in hospital environmental monitoring.

Key words:wireless sensor networks(WSNs); environmental monitoring system; energy balance; data reliability transmission

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0120—03

收稿日期：2015—05—06

*基金项目：浙江省科技计划资助项目(2011C11069)；浙江省自然科学基金资助项目(LQ13F010003)

中图分类号：TN 92

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)02—0120—03

作者简介:

陈远波(1990-)，男，浙江台州人，硕士研究生，主要研究方向为检测技术与自动化装置、无线通信技术。

李青，通讯作者，E—mail:lq13306532957@163.com。