面向嬰兒培養箱的異周期數據傳輸方法研究

吳國光，張 向

（廣東省計量科學研究院，廣東 廣州 510405）

面向嬰兒培養箱的異周期數據傳輸方法研究

吳國光，張 向

（廣東省計量科學研究院，廣東 廣州 510405）

針對嬰兒培養箱無線檢測數據沖突及能耗問題，提出一種ZigBee異周期數據傳輸方法。通過分析嬰兒培養箱無線檢測系統的網絡拓撲結構特點，將ZigBee各終端節點的數據傳輸周期分配不同的數據傳輸參數并定期交替改變，減少多個終端節點向協調器隨機發送數據產生沖突，進而減少無線數據傳輸沖突降低能耗。建立并推導異周期傳輸方法的數據傳輸周期參數方程，給出數據傳輸方法的設計實例和嬰兒培養箱無線檢測系統的軟硬件設計及終端節點能耗測試，實現嬰兒培養箱溫、濕度等參數檢測，在實際使用中驗證該方法及檢測系統可行。

嬰兒培養箱；ZigBee；異周期；能耗

0 引 言

嬰兒培養箱是醫院NICU必備設備之一，其性能直接影響嬰兒生命安全[1]。計量部門依據JJF 1260——2010《嬰兒培養箱校準規范》開展檢測工作。當前有幾款商用產品[2-3]，但僅在數據傳輸使用無線，5個溫度點數據檢測仍采用有線方式，同時難以實現批量作業。若采用ZigBee無線方式實現，則須解決無線節點能耗問題。ZigBee降耗方法主要有減少ZigBee節點數據傳輸量[4]、沖突退避[5-6]、同步休眠等[7-9]。減少數據傳輸方法無法準確得到實時數據，沖突退避算法側重于沖突后的解決方法，并未從源頭解決沖突問題，同步休眠策略的同步操作需全網協同操作，復雜性大增加通信能耗，并且這些節能降耗研究，各節點都采用相同數據采集傳輸周期，節點隨機發送數據將導致協調器引發數據沖突，同時不可控的數據傳輸引起的數據沖突將成倍增長，各節點以相同周期傳輸數據，也進一步加大沖突概率。目前還未發現有各節點采用不同數據傳輸周期的研究，同時針對嬰兒培養箱應用儀器集中、布點密度大的特殊性，論文提出一種面向嬰兒培養箱的異周期ZigBee網絡數據傳輸方法，該方法在保證數據傳輸時效性的同時，可減少數據傳輸不可控的隨機沖突，提高檢測網絡生命周期，下面將對該方法作進一步闡述。

1 基于ZigBee的嬰兒培養箱檢測原理架構

圖1為基于ZigBee的無線嬰兒培養箱檢測原理框圖，根據JJF 1260——2010要求，需嬰兒培養箱平面均勻布置 5個溫度節點 A、B、C、D、E，用于校準儀器控制溫度，同時節點A還應檢測嬰兒培養箱中間位置濕度。

圖1 基于ZigBee的無線嬰兒培養箱檢測原理框圖

由于嬰兒培養箱在醫院NICU集中使用，距離較近，同時為使每個節點能定時休眠節省能耗，故系統未放置路由節點。無線網關由ZigBee協調器與WiFi模塊組成，數據將通過RS232接口透明傳輸。遠程監測中心以客戶端形式加入無線網關，接收檢測數據并進行顯示、運算等操作。從圖1可以看出，嬰兒培養箱檢測模塊是一個典型的ZigBee星型網絡，若采用相同數據傳輸周期，將可能產生較大的數據傳輸沖突，盡管沖突后通過重傳協調器仍可收到數據，但將顯著增加節點能耗。由于終端節點采用電池供電，有研究表明，ZigBee的數據采集節點，其能耗主要部分來自數據傳輸[10-11]，故降低數據沖突重傳能耗是提高系統實用性的重要課題。

2 異周期ZigBee數據傳輸方法

異周期數據傳輸方法的核心是通過差異化的數據采樣、傳輸周期，控制各節點向協調器發送數據的時間，使節點能主動避免傳輸沖突發生，該方法并非完全杜絕數據傳輸沖突，而是使數據傳輸沖突減少到可控范圍，盡可能減少節點能耗。圖2為異周期數據傳輸方法工作流程圖，ZigBee協調器建立無線網絡后，對加入的節點進行排序，并分配不同的數據傳輸周期參數，終端節點根據指定的參數，定期的采樣數據、傳輸、休眠和喚醒。同時每傳輸一定數量數據后改變數據傳輸周期。

圖2 異周期數據傳輸方法工作流程圖

在該方法中，最重要的是確定數據傳輸周期參數Ti、mi，圖3是節點傳輸周期參數分配示意圖，可以看出，序號為1的終端節點其周期與系統要求的數據傳輸周期T0一致，偶數終端節點其前mi次傳輸的周期都小于T0，產生的問題是經過若干次的數據傳輸后，偶數終端節點的數據將大于系統設定的數量，反之序號大于1的奇數終端節點的數據將小于系統設定的數量。為了解決該問題，同時保證各節點采集數據的時間點相差不超過1個采樣周期T0，系統將控制節點在進行mi次傳輸后轉換數據傳輸周期，使各節點的發送數據個數與周期為T=T0的節點一致，故對于序號為i的終端節點，若終端節點被分配的序號i為奇數的終端節點，其數據傳輸周期為

若終端節點被分配的序號i為偶數的終端節點，其數據傳輸周期為

其中tj、tk為任意時間點。

圖3 節點數據傳輸周期參數分配示意圖

從式（3）、式（4）可以看出，對于節點 i，mi和 T0與Δt的比值成正比，T0與Δt比值越大，調整傳輸周期的間隔越長。同時mi也可以理解為某個節點與i=1節點發生數據傳輸沖突后，再次發生沖突的間隔次數。因此，若數據傳輸周期T0固定的條件下，應盡量選擇較小的Δt以減小在一定時間內發生數據傳輸沖突概率，進而減少終端節點數據重傳次數，節省能量。由于式（3）、式（4）對不同節點的計算可能出現非整數，故在實際系統設計時對公式取整即可。

3 嬰兒培養箱檢測模塊軟硬件設計

嬰兒培養箱的性能參數主要是溫度與濕度，并且由于噪聲參數需要在艙內與艙外分別測量，故通常采用單獨的聲級計便于測量，故論文主要完成基于ZigBee的無線終端節點、無線網關與遠程監測中心軟件系統設計。

3.1 終端節點與無線網關電路設計

圖1中，檢測系統終端節點采用ZigBee芯片JN5139，負責采集溫濕度信息，通過鋰電池供電，并采用無線充電技術充電。溫度信息采用單總線高精度數字接口溫度傳感器Tsic 716采集，濕度信息采用雙總線數字接口傳感器SHT 75采集。由于模塊使用3.3V低功耗芯片，而Tsic 716要求在5V下才能達到較高精度，故采用Max1797電平轉換芯片將電壓轉為5V供給Tsic 716。無線網關由ZigBee協調器與WiFi模塊組成，WiFi模塊采用串口透明傳輸模塊USR-C322，在系統中采用服務器工作模式，遠程監測中心作為客戶端模式，按指定的IP地址和端口號加入WiFi模塊建立的網絡后，協調器可將終端節點數據透明傳輸到遠程監測中心，并作進一步處理。圖4為系統部分電路圖。

圖4 終端節點部分電路圖

3.2 遠程監測中心軟件設計

軟件系統基于Microsoft Visual Studio.NET平臺，主要負責接收無線網關數據并做進一步處理。軟件系統以WiFi客戶端形式加入無線網關，利用TCP/IP協議、MSChart圖形組件等，實現數據接收、實時數據顯示、數據智能處理等功能。同時，軟件可動態構建當前檢測的網絡拓撲，直觀顯示當前儀器情況與終端節點工作狀態。圖5為系統軟件功能分類圖。

圖5 嬰兒培養箱檢測軟件功能分類圖

4 設計實例與功能驗證

針對論文提出的異周期數據傳輸方法及分立式嬰兒培養箱檢測模塊設計，下面將通過實例及實際運行驗證其可行性。

4.1 異周期數據傳輸方法設計實例

在該設計實例中，假設有一個協調器，5個終端節點，并分別被排序為節點 1，2，3，4，5，系統要求的數據傳輸周期 T0=1s，Δt=10ms，根據式（1）～式（4）計算得 T1=T0=1s，T2=1.01s，T3=0.99s，T4=1.02s，T5=0.98s；m1=+∞，m2=100，m3=100，m4=50，m5=50。

因此，若某時刻序號為2或3的終端節點與節點1發生傳輸沖突，則發生下一次沖突是傳輸100次后，而嬰兒培養箱檢測要求是每2 min記錄一次數據，因此根據式（3）、式（4），若增大 T0，則可進一步降低傳輸沖突概率。

4.2 終端節點能耗測試

終端節點的能耗可分為數據采集、數據傳輸、空閑休眠3部分，以節點1為例，若數據采集、數據傳輸、空閑休眠時的電流分別為Iw、Ic、Is，對應的時長分別為tw、tc、ts，則可計算一個周期內的平均電流為

根據上述實例，對電流進行測量，采用經計量部門校準的深圳市澤宇電子科技有限公司的定制化高精度示波儀，型號為Hiwave-1A，使用電流模式，測得參數值為 Iw=32mA、Ic=42mA、Is=10μA，時間參數為 tw=80 ms、tc=1 ms、ts=919 ms，由式（5）計算得平均電流為2.6 mA，若以容量為2 000 mAh的鋰電池供電，則終端節點可連續使用超過1個月。該軟件目前已經登記國家軟件著作版權，系統可正常接收到5個終端節點數據，功能可滿足檢測要求。

5 結束語

論文討論了一種面向嬰兒培養箱檢測的數據傳輸方法，ZigBee網絡中各終端節點采用不同傳輸周期相比于都采用相同數據傳輸周期系統，可明顯減少數據傳輸中的不可控隨機沖突，實現節點低功耗運行。采用ZigBee分立式的嬰兒培養箱檢測模塊設計方法也有別于當前商用產品，同時基于異周期的數據傳輸方法只要修改相關公式的參數即可應用于其他采用星型ZigBee網絡的檢測系統，具有較好的應用推廣價值。

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（編輯：李妮）

Research on the method of different data transmission period for infant incubator

WU Guoguang，ZHANG Xiang
（Guangdong Province Institute of Metrology，Guangzhou 510405，China）

This paper put forward a method of data transmission in different periods in ZigBee network so as to solve the problem of data conflict and energy consumption of wireless detection of infant incubator.By analyzing network topology characteristics of the wireless detection system of infant incubator，the terminal nodes of ZigBee network were allocated with parameters of different data transmission periods and alternated periodically，by which the number of nodes causing data conflict via random delivery to coordinator was reduced and the energy consumption reduction by wireless data transmission conflict was improved.This paper also established the periodic parameter equation ofdata transmission method in differentcycles，given design examples ofdata transmission method，and software and hardware design of the wireless detection system of infant incubator and consumption test of terminal node，and also realized infant incubator detection of temperature，humidity and other parameters.The method and detection system were proven to be feasible in practical use.

infant incubator；ZigBee；different period；energy consumption

A

1674-5124（2017）04-0074-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.04.016

2016-11-15；

2016-12-29

廣東省質監局科技項目（2015CJ01）

吳國光（1983-），男，廣東梅州市人，工程師，博士，主要從事醫學計量及智能檢測技術研究。