6LoWPAN家庭無線醫療傳感網及監測節點的研究

付 蔚 稅夢玲 王 平

(重慶郵電大學工業物聯網與網絡化控制教育部重點實驗室，重慶 400065)

0 引言

無線傳感網(wireless sensor network，WSN)集合了微電子技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等先進技術［1－3］，其通過傳感器節點來監測環境及其他情況。這為監護和照顧獨居老人以及家中的認知障礙者、殘疾人、慢性病者、嬰幼兒等提供了解決方案。

傳感器節點嵌入IP地址是無線傳感網技術發展的必然選擇，而地址資源豐富、地址自動配置、安全性高、移動性好的下一版本互聯網協議IPv6［4］，可滿足無線傳感網在地址和安全等方面的需求。因此互聯網工程任務組織(IETF)成立了 IPv6 over LR-WPAN(6LoWPAN［5］)工作組，著力于制定基于 IPv6 的低速無線個域網標準，即 IPv6 over IEEE 802.15.4［6］，使傳感器節點嵌入IP地址成為可能。本文提出基于6LoWPAN無線傳感網的家人健康監護及遠程醫療服務方案，可實現預知疾病、監護家人等功能。

1 6LoWPAN家庭無線醫療傳感網

盡管TCP/IP已經發展得十分成熟并廣泛運行于互聯網中，但傳感器設備畢竟不同于通用計算機，它在能量、運算能力及存儲容量等方面受到極大的限制，往往只執行特定的功能，而無法在嵌入式設備上實現完整的TCP/IP協議棧［7］。因此，傳感網中的傳感器節點只能運行低功耗輕量級IPv6協議棧。然而運行輕量級IPv6協議棧的6LoWPAN無線傳感網并不能與IPv6網絡通信，因為IPv6主機不能識別6LoWPAN的壓縮、分片與尋址方式。雖然IPv6將會在不久的將來完全替代IPv4，但目前中國絕大多數接入互聯網的主機都還是IPv4主機，所以需要解決6LoWPAN無線傳感網與IPv4網絡的通信問題。在此，采用一種硬件資源相對豐富的網絡連接設備如網關，將6LoWPAN包轉換成IPv4主機可識別的IPv4包，從而實現6LoWPAN無線傳感網與IPv4網絡的互聯互通。基于網關接入互聯網的家庭無線醫療傳感網通信示意圖如圖1所示。

使用6LoWPAN組建無線醫療傳感網絡，可以提高數據轉發效率、增強安全性。其中，傳感器節點包括測量體溫、心率、血氧飽和度、血壓、檢測心電、呼吸、睡眠等的傳感器，可根據監護對象情況的不同來選擇。被監護者可選擇腕帶式、臂帶式、胸帶式、夾克式等方式［8］佩戴相應的傳感器，在WSN范圍內，可靜止也可任意走動(有些傳感器要求在靜止的情況下測量)。這些無線醫療傳感器運行于精簡的、低功耗的6LoWPNA網絡協議棧，上電后自動讀取MAC地址，并配置好所需的IPv6地址;采集的監測數據如血壓數據、心電數據等，通過多跳Mesh組網的方法送到網關進行數據的轉發處理;最后接入各種承載網絡(如WiFi、以太網、GSM、3G)，將信息發送到服務器(服務器設于每個社區的醫療服務中心)。

圖1 通信示意圖Fig.1 Schematic diagram of communication

2 6LoWPAN心電體溫監測節點

傳感器節點由電源、感知部件、嵌入式處理器、通信部件和相關軟件等幾個部分組成，各部分相互協調，共同完成對外界信息的感知功能。感知部件使用合肥華科電子研究所的HKD-10B單導心電體溫信號采集模塊，可同時測量心電和體溫數據，減少了患者佩戴傳感器的數量，降低了成本。嵌入式處理器采用Atmel公司的一款AVR單片機ATMega2561，其工作主頻達8 MHz，內部集成了 256 kB Flash、4 kB EEPROM、8 kB內部SRAM，提供了2個串口、1個SPI接口。RF收發器選用Atmel公司的AT86RF212芯片，與ATMega2561通過SPI接口進行通信，可選擇工作于779～787 MHz的中國WPAN頻段。該芯片具有高達－110 dBm的接收靈敏度，以及高達－10 dBm的可編程發送輸出功率，能夠提供業界最佳的120 dB鏈路預算。

HKD-10B信號采集模塊通過佩戴在監測者身上的心電電級片和體溫傳感器，采集人體的心電和體溫數據;在對數據進行處理后，通過串口將二進制數字信號發送給ATMega2561處理器，ATMega2561將接收到的心電體溫數據封裝成幀;最后通過AT86RF212收發器發送數據幀。其中，ATMega2561處理器運行輕量級6LoWPAN協議棧，并且使用UDP作為其傳輸層協議。軟件開發基于Atmel集成開發環境的工程仿真調試環境AVR Studio，使用開源的contiki平臺協議棧軟件進行二次開發。6LoWPAN技術底層采用IEEE 802.15.4的物理層和競爭式MAC層，網絡層采用IPv6協議。IEEE 802.15.4中定義的最大幀為127 B，MAC包頭最大長度為25 B，而 IPv6的 MAC負載最大長度為1280 B，因此在網絡層和MAC層之間增加一個網絡適配層，用來完成報頭壓縮、分片與重組，從而實現MAC層與網絡層的無縫連接。節點硬件結構圖如圖2所示。

圖2 節點硬件結構圖Fig.2 The hardware structure of the node

圖2中省略了電源及外圍電路部分。節點工作電壓為2.0～3.6 V，支持休眠及喚醒功能，以降低功耗。本文只給出了一種醫療監測節點的實現，若要實現其他的監測功能，只需選擇不同的感知部件，如選用心率傳感器或者血壓測量傳感器，即可實現對心率、血壓的測量。這些6LoWPA網絡節點采集的不同信息，最后都將通過多跳無線通信發送給基站。

3 6LoWPAN無線傳感網網關

網絡中使用IPv6協議，可實現IPv6設備端到端的通信，但由于兼容性的問題，IPv4主機不能與6LoWPAN無線傳感網直接建立連接，因此需要通過網關來完成IPv6包和IPv4包的轉換［9］。IPv4主機、網關和6LoWPAN無線醫療傳感網之間的消息流向示意圖如圖3所示。

圖3 消息流向示意圖Fig.3 Schematic diagram of the flow direction of messages

網關的中央處理器選用韓國三星公司的基于ARM9內核的32位嵌入式微處理器 S3C2440A。S3C2440A通過串口與基站節點(安裝了基站應用程序的節點)進行通信，收集WSN的數據或轉發數據到WSN節點。為了監聽IPv4數據包，網關開始工作時即創建IPv4套接字接口。當收到IPv4數據包時，判斷此數據包是否需要轉發到無線傳感網。若需要轉發，則對IPv4包頭進行壓縮和解壓，對大的消息進行分片與重組，將其轉換成無線傳感網可識別的數據包;同理，6LoWPAN數據包接口用于接收無線傳感網的消息流，當收到6LoWPAN數據包時，將其轉換成IPv4數據包并發回IPv4主機。

4 遠程醫療

城市由許多的社區組成，社區又由一戶戶的住宅組成，一個社區往往會設立一個社區醫療服務中心，幾個社區又可能會共享多個醫院，若能有效便捷地利用這些醫療服務，將會提高人民的生活質量。以6LoWPAN家庭無線醫療傳感網為最小單元，提出的遠程醫療體系結構圖如圖4所示。

圖4 遠程醫療體系結構圖Fig.4 Architecture of telemedicine

社區醫療服務中心作為整個小區的數據處理中心(每個社區服務中心設有專用服務器)，對所屬社區注冊家庭的醫療監測數據進行處理和分析并存儲到數據庫，服務器可采用瀏覽器/服務器架構。家庭用戶可通過Web服務器接入互聯網，采用用戶名、密碼登錄社區醫療服務網站，即可在任何時間、任何地點在線查詢家人健康記錄。

此外，社區服務中心網站應提供以下服務:①用戶注冊、信息更改、數據下載、銷戶等服務;②用戶可上傳家人健康數據，完善用戶家人電子健康檔案;③用戶遠程預約門診，在家接受社區醫療機構的上門服務;④引導用戶進行自我醫療的服務，針對用戶測量的各項參數值，給出科學的建議;⑤對特殊病人提供實時遠程監控的服務，若患者出現異常，立刻對患者進行地理定位，醫護人員趕往現場，并及時通知患者家人;⑥用戶更換居住地，可將用戶數據信息移交給用戶新社區醫療服務中心進行管理;⑦與用戶要求的醫院實現用戶數據共享的服務。

5 結束語

IPv6是專為支持安全性(IPsec)(需要AH和ESP報頭的支持)和移動性(移動 IPv6，可選)而設計的［4，9］。將IPv6應用到WSN中，既滿足了無線傳感網地址和安全方面的需求，又便于醫療設備代碼加載升級、地址更新、節點配置管理、組網管理、狀態管理。但與此同時，還需在協議棧的裁減方面作出努力，同時功耗、帶寬消耗，以及能量供應、能量消耗、能量管理等問題也有待解決。相信隨著醫療傳感器技術的發展以及物聯網技術的大力推進，遠程醫療必將為人們帶來更便捷、更安全的醫療服務。

［1］余子軒.無線傳感網和物聯網中網絡的地位和作用［J］.射頻世界，2010(4):54－56.

［2］彭力.無線傳感網絡技術［M］.北京:冶金工業出版社，2011.

［3］馬祖長，孫怡寧，梅濤.無線傳感器網絡綜述［J］.通信學報，2004，25(10):3 －5.

［4］Davies J.Understanding IPv6［M］.2 Edition.Microsoft Press，2008.

［5］Kushalnagar N，Montenegro G，Schumacher C P，et al.IPv6 over low-power wireless personal area networks(6LoWPANs):overview，assumptions，problem statement，and goals［C］∥ IETF RFC，2007:4919.

［6］IEEE 802.15.4 Wireless medium access control(MAC)and physical layer(PHY)specifications for low-rate wireless personal area networks(LR-WPANs)［S］.NewYork:IEEE Press，2003.

［7］Leonhardt S.AmIware hardware technology drivers of ambient intelligence［M］.Netherlands:Springer，2006:349 －370.

［8］王志克，張宏科.IEEE 802.15.4 的嵌入式 IPv6 研究［J］.北京交通大學學報，2005，29(5):6 －10.

［9］Davies J.深入解析 IPv6［M］.2 版.楊軼，蘇嘯鳴，吳超，譯.北京:人民郵電出版社，2009:11.