基于无线传感网的飞行员生理训练监测系统

李成

（海军航空兵学院　辽宁葫芦岛125001）



基于无线传感网的飞行员生理训练监测系统

李成

（海军航空兵学院辽宁葫芦岛125001）

摘要：为提升飞行员生理训练的效果，设计了一种基于无线传感网的生理训练监测系统。系统通过传感器网络将体征数据实时采集并传输到上位机进行分析处理。系统主要由生理体征数据采集模块，接收模块，和PC机终端三部分组成。设计过程中采用了模块化的设计方法，使得系统可靠性高、扩展性好。实测表明：系统能对生理训练体征数据信息进行快速采集和传输，达到了预期设计要求。

关键词：无线传感网；生理训练；监测；ZjgBee

飞行员生理训练是提高飞行员飞行能力的重要手段，为了提升飞行员生理训练的效果，首先需要对飞行员在生理训练过程中的状态指标，尤其是人体生理体征数据进行监测，及时准确地测量出飞行员生理训练各项数据，评估飞行员生理训练效果，同时还可以对数据进行处理、分析，为改进生理训练方法提供科学的依据。飞行员生理体征数据一般包括：心电、体温、心率、呼吸率等。

要实现对飞行员生理训练中生理体征数据的监测，需要通过各类传感器对生理信号参数进行采集，如果采用有线的监测方式，需要多个传感器，独立的传感器间缺乏系统整合，采集到的数据只能通过有线电缆进行信号传输，由于测量的信号多是人体信号，而人体处于自然状态时的信号才能够真实地反映其生理状况，而将监测设备通过有线方式连到人体上会使飞行员感受到束缚，从而导致所监测的数据不准确。另外这种通过有线电缆传输信号的方法在很大程度上也限制了飞行员的生理训练活动空间。因此，需要研究一种高可靠性的无线传输方法来实时监测飞行员生理训练过程中各种体征数据，基于ZjgBee技术的无线传感网络（WSN），具有微功率、抗干扰能力强、组网灵活等特点，是飞行员生理训练监测系统设计中的理想选择。

1　系统总体结构

对于飞行员生理训练体征数据采集要求系统设计必须要具有小封装、低功耗、无线通信、安全性等特点。本文所设计的飞行员生理训练体征数据监测系统结构如图1所示。飞行员生理训练监测系统包括生理体征数据采集模块，接收模块，和PC机终端3部分组成。生理体征数据采集模块是无线传感网络的终端节点，通过各类生理指标传感器，对所需监测的生理信号进行数据感测，并通过无线通信方式将数据发送到接收模块，接收模块将接收到的监测数据传输至与其相连接的PC机，由PC机上的软件对监测数据进行接收、处理、显示和存储，由相应人员对数据进行观察和分析，为评估生理训练效果和改进生理训练方法提供依据。

图1　系统结构

系统设计中选用ZjgBee技术作为飞行员生理训练监测系统的无线通信方式，ZjgBee是一种短距离的无线通信技术，ZjgBee协议的基础是IEEE 802.15.4，这是IEEE无线个人区域网工作组的一项标准，被称作IEEE 802.15.4标准［1-2］。该标准定义了物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）的标准。ZjgBee联盟则定义了ZjgBee协议的网络层（NWK）、应用层（APL）和安全服务规范。TI公司在IEEE 802.15.4标准和ZjgBee联盟所推出的ZjgBee规范的基础上，发布了全功能的ZjgBee2006协议栈［3-5］。该协议栈在结构上分为应用层、网络层、安全层、MAC层和物理层。与此同时，在协议栈内部还嵌入了一个微型操作系统，用于对任务进行统一的调度。ZjgBee无线传感网络中有3种类型的节点：网络协调器节点，路由节点和终端节点。网络协调器节点是整个网络的启动者，其负责选择合适的频道来建立网络，并将其子节点添加到所建立的网络中。路由器节点是扩大网络有效覆盖范围的关键角色。终端节点既不能转发来自其他节点的信息，也不能接纳其他节点加入网络，而只能接收和发送信息。ZjgBee网络有3种拓扑结构，星型、树状和网状结构［6-7］，如图2所示。本系统采用星型网络作为无线传感网络的拓扑结构，此种拓扑结构是最简单的一种拓扑形式。星型拓扑包含一个网络协调器节点和一系列终端节点。每一个终端节点只能和网络协调器节点进行通讯。这种拓扑形式缺点在于节点之间数据路由只有一条唯一路径。网络协调器节点有可能成为整个网络瓶颈。

图2　网络拓扑结构图

2　系统硬件设计

系统硬件设计主要包括生理体征数据采集模块和接收模块的硬件设计。接收模块主要负责协调飞行员所携带的各无线生理体征数据采集模块与PC机之间的数据通信，提供透明的通信接口，协调器主要负责整个网络的配置和管理，一个网络必须有一个协调器。生理体征数据采集模块要负责采集心电波、心率、呼吸率、体温的数据，这要依托于生理体征传感器，包括心电传感器、体温传感器，同时生理体征数据采集模块还要将数据通过无线接口向接收模块传输，进而上传至PC机存储、处理采集数据。

2.1数据采集模块硬件设计

对于系统硬件的设计，核心是选择符合ZjgBee协议的芯片，因为ZjgBee核心芯片的选择决定了无线传感网络的一些基本的性能指标，符合ZjgBee协议的芯片分为两种，一种是只包含ZjgBee无线收发器的射频芯片，另一种是将ZjgBee收发器和MCU等外围器件集成在一起的SoC芯片［8-9］。在系统设计过程中就选用了TI公司推出的CC2430芯片构建无线传感网的飞行员生理训练监测系统。CC2430是美国TI公司推出的基于IEEE 802.15.4/ZjgBee无线通信协议的无线传感网络的集成芯片［10-11］。CC2430在单个芯片上整合了ZjgBee射频前端、内存和微控制器。芯片内嵌了高性能和低功耗的8051微控制器核，具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，集成了12位模数转换ADC模块、几个定时器（Tjmer）、上电复位电路（Power-On-Reset），具有21个通用I/O引脚，还具有串口等丰富的接口资源［12-13］。

对于数据采集模块硬件设计，除了上面选定的CC2430芯片之外，还包括生理体征传感器模块电路、系统与时钟存储电路、节点供电、复位电路、JTAG接口等电路的设计［14-15］。图3给出了数据采集模块硬件功能框图，以符合ZjgBee标准的SoC芯片CC2430为核心，通过其GPIO与外围器件互联，数据采集模块通过电池供电，CC2430通过GPIO接收来自传感器模块的数据。通过接在飞行员身体上的导联线，传感器模块可以采集体征数据而不影响飞行员训练。

图3　数据采集模块硬件功能框图

2.2接收模块硬件设计

接收模块作为协调器节点，主要负责管理生理体征数据监测各节点网络的建立和网络的管理，接收来自各监测节点的生理体征数据，并连同节点信息通过串口传输给PC机。接收模块硬件设计包括能够实现控制及无线通信功能的CC 2430，串口通信电路和电源功能模块构成。接收模块的硬件结构如图4所示。

图4　接收模块硬件功能框图

3　软件设计

系统软件设计包括传感器数据采集程序、无线通信程序、以及PC机应用程序。传感器模块通过电极片和导联得到模拟数据，并通过传感器模块中的放大电路、ADC等得到数字信号并将这些数据传输到CC2430。体征数据包括心电数据、体温数据、呼吸率数据、系统状态数据。由于人体体温、心率数据短期变化不明显，所以可以适当降低实时性，数据一次发送周期内只需传输一组即可。数据采集模块作为终端节点通过RF无线射频传输将采集到的生理数据发送出去。接收模块作为协调器通过RF射频接收端接收无线传输的数据。同时接收模块协调器还在软件驱动下通过串口将接收的数据发送给PC机，并在PC机上进行显示。

系统软件设计的重点在无线传输软件设计上，由ZjgBee网络的建立、节点加入网络和数据的无线射频传输等几个部分组成，这些软件设计都是针对核心芯片CC2430增强型8051进行操作的。接收模块作为协调器，负责整个ZjgBee网络的组建与网络信息的管理和维护。首先给协调器上电，上电后通过osa1-jnt-djsab1e（INTS-ALL）函数关闭所有中断，然后通过函数zmajn-vdd-check（）检查系统的供电是否正常，然后整个系统开始初始化。初始化成功后进入操作系统，系统开始运行。协调器建立ZjgBee网络并广播网络信息，并接受子节点加入网络，子节点成功加入网络后通过其网络地址进行通信，协调器总是存储并实时更新节点的最新信息，并将接收到的数据通过串口传至PC机上进行处理。图5给出了协调器的工作流程。软件开发环境是IAR Embedded Workbench，该环境是一套完整的嵌入式集成开发工具集合，其包括代码编辑器、工程项目管理器、C/C++优化编译器、连接定位器和CSPY调试器的各类开发工具。在该环境下通过与各类仿真器相连接能够实现在线调试，具有良好的交互性。在本系统中采用了8051C/C++编译器，并调用了CC2430的相关库文件进行开发平台的组建。软件的开发平台是TI公司的ZjgBee协议栈（Z-Stack），系统的软件研制以协议栈中的Samp1eApp工程为基础进行各项功能的开发。

图5　协调器软件工作流程图

4　实验测试

在系统设计完成后，为了验证系统对飞行员生理训练时的体征数据采集、传输、处理等具体功能，对整个系统进行了联合实验测试。对于前端传感器模块数据的获取，主要是被测试者利用电极片和导联得到模拟数据，并通过传感器模块中的放大、ADC采集等得到数字信号并将这些数据传输到CC2430，采集的体征数据主要包括体温、呼吸率、系统状态等数据。在实际测试中根据人体体温、心率数据短期变化特点，采取数据一次发送周期内传输一组数据的方式。上位机通过RS-232接口接收来自接收模块传来的体征数据，并在上位机进行处理显示。通过实验发现，接收的数据包格式相符，可以采集到被测试者的体温、呼吸率等数据，并且信息传输顺畅，系统能够按设定周期进行数据采集，达到了预期设计要求。

5　结束语

系统基于ZjgBee技术的飞行员生理训练监测系统采用无线传感网络的方法，能够避免有线监测方式的多条电缆、限制飞行员自由运动等诸多缺点，使系统能够在人体自然状态下测量生理体征信号，从而有助于反应真实的生理训练状态。另外系统采用模块化设计方法，使得飞行员生理体征的提取、采集、传输、分析等功能在逻辑和应用上分开，从而降低系统设计的冗余性，通过这种设计方法使得整个系统的扩展性和可维护性大大增强。

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Pllot Physlologlcal tralnlng monltorlng system based on wlreless sensor networks

LI Cheng
（Naval Air Force College，Huludao 125001，China）

Abstract:In order to jmprove effect of pj1ot physjo1ogjca1 trajnjng，a system based on wjre1ess sensor networks js desjgned for physjo1ogjca1 trajnjng monjtorjng. The system can co11ect physjo1ogjca1 data and transfer to PC whjch can ana1yze. The system contajns three major parts，physjca1 sjgn data sensor modu1e，MCU recejve modu1e and PC termjna1. Because adaptjng modu-1arjzed desjgn method，jt makes the who1e system more re1jab1e and extensjb1e. Experjmenta1 resu1ts show that the system can rea1-tjme qujck1y co11ect and transfer physjo1ogjca1 trajnjng data，thjs desjgn achjeved antjcjpated requjrement.

Key words:wjre1ess sensor networks；pj1ot physjo1ogjca1 trajnjng；monjtorjng；ZjgBee

中图分类号：TN92

文献标识码：A

文章编号：1674-6236（2016）07-0067-03

收稿日期：2015-11-09稿件编号：201511086

基金项目：国家社科基金项目（14QJ003-026）

作者简介：李成（1964—），男，内蒙赤峰人，硕士，教授。研究方向：飞行生理心理训练。