基于無線傳感網(wǎng)的飛行員生理訓(xùn)練監(jiān)測系統(tǒng)

李成

（海軍航空兵學(xué)院　遼寧葫蘆島125001）

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基于無線傳感網(wǎng)的飛行員生理訓(xùn)練監(jiān)測系統(tǒng)

李成

（海軍航空兵學(xué)院遼寧葫蘆島125001）

摘要：為提升飛行員生理訓(xùn)練的效果，設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感網(wǎng)的生理訓(xùn)練監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過傳感器網(wǎng)絡(luò)將體征數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行分析處理。系統(tǒng)主要由生理體征數(shù)據(jù)采集模塊，接收模塊，和PC機(jī)終端三部分組成。設(shè)計(jì)過程中采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，使得系統(tǒng)可靠性高、擴(kuò)展性好。實(shí)測表明：系統(tǒng)能對生理訓(xùn)練體征數(shù)據(jù)信息進(jìn)行快速采集和傳輸，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)；生理訓(xùn)練；監(jiān)測；ZjgBee

飛行員生理訓(xùn)練是提高飛行員飛行能力的重要手段，為了提升飛行員生理訓(xùn)練的效果，首先需要對飛行員在生理訓(xùn)練過程中的狀態(tài)指標(biāo)，尤其是人體生理體征數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，及時(shí)準(zhǔn)確地測量出飛行員生理訓(xùn)練各項(xiàng)數(shù)據(jù)，評估飛行員生理訓(xùn)練效果，同時(shí)還可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，為改進(jìn)生理訓(xùn)練方法提供科學(xué)的依據(jù)。飛行員生理體征數(shù)據(jù)一般包括：心電、體溫、心率、呼吸率等。

要實(shí)現(xiàn)對飛行員生理訓(xùn)練中生理體征數(shù)據(jù)的監(jiān)測，需要通過各類傳感器對生理信號參數(shù)進(jìn)行采集，如果采用有線的監(jiān)測方式，需要多個(gè)傳感器，獨(dú)立的傳感器間缺乏系統(tǒng)整合，采集到的數(shù)據(jù)只能通過有線電纜進(jìn)行信號傳輸，由于測量的信號多是人體信號，而人體處于自然狀態(tài)時(shí)的信號才能夠真實(shí)地反映其生理狀況，而將監(jiān)測設(shè)備通過有線方式連到人體上會使飛行員感受到束縛，從而導(dǎo)致所監(jiān)測的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。另外這種通過有線電纜傳輸信號的方法在很大程度上也限制了飛行員的生理訓(xùn)練活動空間。因此，需要研究一種高可靠性的無線傳輸方法來實(shí)時(shí)監(jiān)測飛行員生理訓(xùn)練過程中各種體征數(shù)據(jù)，基于ZjgBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN），具有微功率、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)，是飛行員生理訓(xùn)練監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的理想選擇。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

對于飛行員生理訓(xùn)練體征數(shù)據(jù)采集要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須要具有小封裝、低功耗、無線通信、安全性等特點(diǎn)。本文所設(shè)計(jì)的飛行員生理訓(xùn)練體征數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。飛行員生理訓(xùn)練監(jiān)測系統(tǒng)包括生理體征數(shù)據(jù)采集模塊，接收模塊，和PC機(jī)終端3部分組成。生理體征數(shù)據(jù)采集模塊是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)，通過各類生理指標(biāo)傳感器，對所需監(jiān)測的生理信號進(jìn)行數(shù)據(jù)感測，并通過無線通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到接收模塊，接收模塊將接收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至與其相連接的PC機(jī)，由PC機(jī)上的軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、處理、顯示和存儲，由相應(yīng)人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察和分析，為評估生理訓(xùn)練效果和改進(jìn)生理訓(xùn)練方法提供依據(jù)。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用ZjgBee技術(shù)作為飛行員生理訓(xùn)練監(jiān)測系統(tǒng)的無線通信方式，ZjgBee是一種短距離的無線通信技術(shù)，ZjgBee協(xié)議的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4，這是IEEE無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，被稱作IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)［1-2］。該標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC）的標(biāo)準(zhǔn)。ZjgBee聯(lián)盟則定義了ZjgBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）和安全服務(wù)規(guī)范。TI公司在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和ZjgBee聯(lián)盟所推出的ZjgBee規(guī)范的基礎(chǔ)上，發(fā)布了全功能的ZjgBee2006協(xié)議棧［3-5］。該協(xié)議棧在結(jié)構(gòu)上分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、安全層、MAC層和物理層。與此同時(shí)，在協(xié)議棧內(nèi)部還嵌入了一個(gè)微型操作系統(tǒng)，用于對任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度。ZjgBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)中有3種類型的節(jié)點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的啟動者，其負(fù)責(zé)選擇合適的頻道來建立網(wǎng)絡(luò)，并將其子節(jié)點(diǎn)添加到所建立的網(wǎng)絡(luò)中。路由器節(jié)點(diǎn)是擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋范圍的關(guān)鍵角色。終端節(jié)點(diǎn)既不能轉(zhuǎn)發(fā)來自其他節(jié)點(diǎn)的信息，也不能接納其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，而只能接收和發(fā)送信息。ZjgBee網(wǎng)絡(luò)有3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，星型、樹狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［6-7］，如圖2所示。本系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是最簡單的一種拓?fù)湫问健Ｐ切屯負(fù)浒粋€(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和一系列終端節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)只能和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。這種拓?fù)湫问饺秉c(diǎn)在于節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)路由只有一條唯一路徑。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)有可能成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)瓶頸。

圖2　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括生理體征數(shù)據(jù)采集模塊和接收模塊的硬件設(shè)計(jì)。接收模塊主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)飛行員所攜帶的各無線生理體征數(shù)據(jù)采集模塊與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，提供透明的通信接口，協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的配置和管理，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)必須有一個(gè)協(xié)調(diào)器。生理體征數(shù)據(jù)采集模塊要負(fù)責(zé)采集心電波、心率、呼吸率、體溫的數(shù)據(jù)，這要依托于生理體征傳感器，包括心電傳感器、體溫傳感器，同時(shí)生理體征數(shù)據(jù)采集模塊還要將數(shù)據(jù)通過無線接口向接收模塊傳輸，進(jìn)而上傳至PC機(jī)存儲、處理采集數(shù)據(jù)。

2.1數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)

對于系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，核心是選擇符合ZjgBee協(xié)議的芯片，因?yàn)閆jgBee核心芯片的選擇決定了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的一些基本的性能指標(biāo)，符合ZjgBee協(xié)議的芯片分為兩種，一種是只包含ZjgBee無線收發(fā)器的射頻芯片，另一種是將ZjgBee收發(fā)器和MCU等外圍器件集成在一起的SoC芯片［8-9］。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中就選用了TI公司推出的CC2430芯片構(gòu)建無線傳感網(wǎng)的飛行員生理訓(xùn)練監(jiān)測系統(tǒng)。CC2430是美國TI公司推出的基于IEEE 802.15.4/ZjgBee無線通信協(xié)議的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的集成芯片［10-11］。CC2430在單個(gè)芯片上整合了ZjgBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器。芯片內(nèi)嵌了高性能和低功耗的8051微控制器核，具有128KB可編程閃存和8KB的RAM，集成了12位模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC模塊、幾個(gè)定時(shí)器（Tjmer）、上電復(fù)位電路（Power-On-Reset），具有21個(gè)通用I/O引腳，還具有串口等豐富的接口資源［12-13］。

對于數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)，除了上面選定的CC2430芯片之外，還包括生理體征傳感器模塊電路、系統(tǒng)與時(shí)鐘存儲電路、節(jié)點(diǎn)供電、復(fù)位電路、JTAG接口等電路的設(shè)計(jì)［14-15］。圖3給出了數(shù)據(jù)采集模塊硬件功能框圖，以符合ZjgBee標(biāo)準(zhǔn)的SoC芯片CC2430為核心，通過其GPIO與外圍器件互聯(lián)，數(shù)據(jù)采集模塊通過電池供電，CC2430通過GPIO接收來自傳感器模塊的數(shù)據(jù)。通過接在飛行員身體上的導(dǎo)聯(lián)線，傳感器模塊可以采集體征數(shù)據(jù)而不影響飛行員訓(xùn)練。

圖3　數(shù)據(jù)采集模塊硬件功能框圖

2.2接收模塊硬件設(shè)計(jì)

接收模塊作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)管理生理體征數(shù)據(jù)監(jiān)測各節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的建立和網(wǎng)絡(luò)的管理，接收來自各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的生理體征數(shù)據(jù)，并連同節(jié)點(diǎn)信息通過串口傳輸給PC機(jī)。接收模塊硬件設(shè)計(jì)包括能夠?qū)崿F(xiàn)控制及無線通信功能的CC 2430，串口通信電路和電源功能模塊構(gòu)成。接收模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　接收模塊硬件功能框圖

3　軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括傳感器數(shù)據(jù)采集程序、無線通信程序、以及PC機(jī)應(yīng)用程序。傳感器模塊通過電極片和導(dǎo)聯(lián)得到模擬數(shù)據(jù)，并通過傳感器模塊中的放大電路、ADC等得到數(shù)字信號并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺C2430。體征數(shù)據(jù)包括心電數(shù)據(jù)、體溫?cái)?shù)據(jù)、呼吸率數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。由于人體體溫、心率數(shù)據(jù)短期變化不明顯，所以可以適當(dāng)降低實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)一次發(fā)送周期內(nèi)只需傳輸一組即可。數(shù)據(jù)采集模塊作為終端節(jié)點(diǎn)通過RF無線射頻傳輸將采集到的生理數(shù)據(jù)發(fā)送出去。接收模塊作為協(xié)調(diào)器通過RF射頻接收端接收無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。同時(shí)接收模塊協(xié)調(diào)器還在軟件驅(qū)動下通過串口將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)，并在PC機(jī)上進(jìn)行顯示。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在無線傳輸軟件設(shè)計(jì)上，由ZjgBee網(wǎng)絡(luò)的建立、節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)的無線射頻傳輸?shù)葞讉€(gè)部分組成，這些軟件設(shè)計(jì)都是針對核心芯片CC2430增強(qiáng)型8051進(jìn)行操作的。接收模塊作為協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)整個(gè)ZjgBee網(wǎng)絡(luò)的組建與網(wǎng)絡(luò)信息的管理和維護(hù)。首先給協(xié)調(diào)器上電，上電后通過osa1-jnt-djsab1e（INTS-ALL）函數(shù)關(guān)閉所有中斷，然后通過函數(shù)zmajn-vdd-check（）檢查系統(tǒng)的供電是否正常，然后整個(gè)系統(tǒng)開始初始化。初始化成功后進(jìn)入操作系統(tǒng)，系統(tǒng)開始運(yùn)行。協(xié)調(diào)器建立ZjgBee網(wǎng)絡(luò)并廣播網(wǎng)絡(luò)信息，并接受子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，子節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò)后通過其網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行通信，協(xié)調(diào)器總是存儲并實(shí)時(shí)更新節(jié)點(diǎn)的最新信息，并將接收到的數(shù)據(jù)通過串口傳至PC機(jī)上進(jìn)行處理。圖5給出了協(xié)調(diào)器的工作流程。軟件開發(fā)環(huán)境是IAR Embedded Workbench，該環(huán)境是一套完整的嵌入式集成開發(fā)工具集合，其包括代碼編輯器、工程項(xiàng)目管理器、C/C++優(yōu)化編譯器、連接定位器和CSPY調(diào)試器的各類開發(fā)工具。在該環(huán)境下通過與各類仿真器相連接能夠?qū)崿F(xiàn)在線調(diào)試，具有良好的交互性。在本系統(tǒng)中采用了8051C/C++編譯器，并調(diào)用了CC2430的相關(guān)庫文件進(jìn)行開發(fā)平臺的組建。軟件的開發(fā)平臺是TI公司的ZjgBee協(xié)議棧（Z-Stack），系統(tǒng)的軟件研制以協(xié)議棧中的Samp1eApp工程為基礎(chǔ)進(jìn)行各項(xiàng)功能的開發(fā)。

圖5　協(xié)調(diào)器軟件工作流程圖

4　實(shí)驗(yàn)測試

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，為了驗(yàn)證系統(tǒng)對飛行員生理訓(xùn)練時(shí)的體征數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理等具體功能，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合實(shí)驗(yàn)測試。對于前端傳感器模塊數(shù)據(jù)的獲取，主要是被測試者利用電極片和導(dǎo)聯(lián)得到模擬數(shù)據(jù)，并通過傳感器模塊中的放大、ADC采集等得到數(shù)字信號并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺C2430，采集的體征數(shù)據(jù)主要包括體溫、呼吸率、系統(tǒng)狀態(tài)等數(shù)據(jù)。在實(shí)際測試中根據(jù)人體體溫、心率數(shù)據(jù)短期變化特點(diǎn)，采取數(shù)據(jù)一次發(fā)送周期內(nèi)傳輸一組數(shù)據(jù)的方式。上位機(jī)通過RS-232接口接收來自接收模塊傳來的體征數(shù)據(jù)，并在上位機(jī)進(jìn)行處理顯示。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，接收的數(shù)據(jù)包格式相符，可以采集到被測試者的體溫、呼吸率等數(shù)據(jù)，并且信息傳輸順暢，系統(tǒng)能夠按設(shè)定周期進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

5　結(jié)束語

系統(tǒng)基于ZjgBee技術(shù)的飛行員生理訓(xùn)練監(jiān)測系統(tǒng)采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)的方法，能夠避免有線監(jiān)測方式的多條電纜、限制飛行員自由運(yùn)動等諸多缺點(diǎn)，使系統(tǒng)能夠在人體自然狀態(tài)下測量生理體征信號，從而有助于反應(yīng)真實(shí)的生理訓(xùn)練狀態(tài)。另外系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，使得飛行員生理體征的提取、采集、傳輸、分析等功能在邏輯和應(yīng)用上分開，從而降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的冗余性，通過這種設(shè)計(jì)方法使得整個(gè)系統(tǒng)的擴(kuò)展性和可維護(hù)性大大增強(qiáng)。

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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

中圖分類號：TN92

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-6236（2016）07-0067-03

收稿日期：2015-11-09稿件編號：201511086

基金項(xiàng)目：國家社科基金項(xiàng)目（14QJ003-026）

作者簡介：李成（1964—），男，內(nèi)蒙赤峰人，碩士，教授。研究方向：飛行生理心理訓(xùn)練。