無線傳感器網絡通信協議及其在醫學領域的研究進展*

萬喬喬，張俊然，趙 斌

(1.四川大學 電氣信息學院，四川 成都610065;2.廣東醫學院 附屬醫院，廣東 湛江524001)

0 引 言

無線傳感器網絡(WSNs)的研究起源于20 世紀70 年代，是從軍事領域研究開始的，之后，美國國防部高級研究計劃局(DARPA)的分布式傳感器網絡項目開啟了現代傳感器研究的先河［1］。而通信協議是無線傳感器網絡實現通信的基礎，無線傳感器網絡通信協議設計目的是為了使具體的無線傳感器網絡通信機制與上層分離，為傳感器節點提供自組織的無線網絡通信功能［1］。無線傳感器網絡的通信協議可按頻段、傳輸距離、發明年份等多種方式進行分類，如按發明時間的先后可分為IEEE 802.11 系列(1991年)、通用分組無線業務(GPRS)(1993 年BT Cellnet 公司提出)、超寬帶(UWB)(1995 年最早提出，2002 年正式商業化)、藍牙(1998 年)及Zig Bee(2001 年)，長期演進(long term evolution，LTE)(2004 年，首次在日本提出，2009 年12 月，首次使用LTE 網絡，2011 年，北美運營商開始LTE商用)等。每一種協議的主要應用領域不同，對其在醫學領域的應用研究更是甚少。

1 無線傳感器網絡通信協議統計分類

2005～2014 年，EI 數據庫收錄無線傳感器網絡的所有通信協議的文獻統計量如下:

Zig Bee 為296 篇，IEEE 802.11(WiFi)為111 篇，Bluetooth 為108 篇，UWB 為97 篇，GPS 為85 篇，GPRS 為43 篇，IEEE 802.15 為23 篇，LTE/4G 為19 篇，IEEE 802.16 為9 篇，近場通信(near field communication，NFC)為5 篇，WiMedia 為3 篇，5G 為1 篇，其余為18 篇。

統計結果表明:對無線傳感器網絡所有通信協議研究最多的是Zig Bee 協議，文獻數量為296 篇，其次是IEEE 802.11系列，Bluetooth，UWB，GPS，GPRS等標準協議，其中GPRS 和前三種協議是目前應用較成熟且在醫學領域比較常見的協議;UWB 和NFC 在醫學領域還處于初期研發階段，應用較少;GPS 和LTE 則更傾向于技術，且GPS 經常和其他協議聯合應用;部分科研機構針對某些特殊領域(如海洋通信)和專用無線通信系統(如，小型衛星通信、移動機器人)設計的非標準協議總共18 篇;而處在研發階段的協議主要是IEEE 802.15，IEEE 802.16，WiMedia，5G。對于IEEE 802.11，Bluetooth，Zig Bee 和GPRS 這四種主流協議的對比和分類介紹見圖1。

圖1 對比分析四種主流協議不同應用領域的文獻計量Fig 1 Contrast analysis on 4 primary protocols in different application fields

2 無線傳感器網絡通信協議的應用領域分析

2.1 Zig Bee 協議

對Zig Bee 在不同領域的應用分析統計結果為:工業自動控制為90 篇，家庭和樓宇為64 篇，公共場所為61 篇，農業控制為33 篇，醫療領域為26 篇，商業領域為22 篇。統計結果表明:Zig Bee 通信協議在無線工業自動控制、家庭和樓宇控制、農業控制(如無線數據采集等)、醫療系統等領域的應用都較為廣泛，其在醫療系統的主要應用體現在病人監護、醫護保健、生物醫學工程、生物醫學傳感器及醫學影像等方面。文獻［2～4］基于Zig Bee 協議，組建了溫度環境遠程監控系統，實際生產應用過程表明:該系統工作性能穩定，且有效地簡化了現場設備安裝與拆移等過程;文獻［5，6］基于了Zig Bee 無線傳感網絡，將Zig Bee 技術和穿戴式傳感器結合，構建了Zig Bee 個人監護網，負責采集心電、脈搏波、血氧容積液、呼吸等4 個重要生理參數，再利用家用電腦將波形數據顯示和存儲，并向遠程醫療服務中心傳送數據，供醫生遠程分析、診斷［7］。

2.2 藍牙協議

通過分析圖1，可以看出:藍牙通信協議(按目前藍牙產品的具體應用分類［8］)主要應用在手機和電腦、醫療保健、嵌入式設備(如家用電器)、其他數字設備(攝影機、照相機)等領域。對比其他協議，藍牙在醫學領域的應用最多，鑒于此，本文對藍牙在醫學領域產出文獻較多的刊物及其相應的文獻數進行計量分析，見表1。

表1 結果表明:美國的《IEEE－EMBS》會議集錄產出藍牙通信協議在醫學領域的文獻數量最多，總共22篇，并在2011 年產出的文獻最多。通過對來源期刊的計量分析，可以幫助對此領域有興趣的研究者快速有效地查閱相關資料，也便于此領域的專家有針對性地開展學術交流活動，從而擴大此領域研究成果的影響范圍。

表1 藍牙在醫學領域出版文獻較多的刊物與相應的文獻數計量分析Tab 1 More journals published literature of Bluetooth in field of medicine and corresponding literature numbers quantitative analysis

藍牙在醫學領域協議有代表性的應用成果有:文獻［9］基于藍牙協議，設計了一種專門針對殘疾人的智能家居系統，實驗結果表明在距離主控器25 m 范圍內，此系統的每個開關都可以成功地作用;文獻［10］設計了一種多生理參數檢測系統，實驗結果表明:藍牙無線傳輸系統可以對多生理參數完成可靠無創傳輸;文獻［11～13］基于藍牙建立了一種無線監控醫療網絡，使便攜式健康監護儀和智能手機之間形成暢通的信息反饋系統。

2.3 IEEE 802.11 系列

IEEE 802.11 系列的應用主要體現在無線上網、交通等方面，最佳應用領域是以手機和筆記本為主的無線局域網，在醫學領域的應用較少;在醫學領域比較有代表性的是:文獻［14］利用IEEE 802.11b 較高的傳輸速率(實際傳輸速率可達4 ～5 Mbps)，通過采用無線橋接模式，實現了醫院集團與下級醫院、社區醫院及健康中心之間的數據共享、醫院信息化管理、健康保健中心的遠程醫療等功能。

2.4 GPRS 協議

基于GPRS，目前以LTE 網絡為主的4G LTE 的出現大大地推動了可穿戴式醫療設備的發展［15～17］，這種遠距離通信技術使得遠程監控被試生理狀況成為可能，如，Maxine Integrated 試制出了能夠測量生命體特征的T 恤“Fit 衫”，Fit 衫利用內嵌的傳感器來測量心電圖、體溫及用戶活動量等，供醫療機構持續監測患者的生命體征。不僅國外，國內于2013 年6 月底出現了首款可穿戴式醫療設備“魔豆”，戴在脖子上，白天可以監測人們的運動類型和運動量，晚上可以監測睡眠狀態。文獻［18］研制了一種基于GPRS 的針對兒童監護的腕帶式裝置，實驗結果表明:此裝置不受地域限制，使得兒童在發生意外或疾病時能夠實時采集兒童生理信號，并通過GPRS 模塊將此信號傳到父母手機端，使得兒童及時得到救助。

3 各協議在醫學領域的發展趨勢

目前，在醫學領域常見的無線通信協議有Bluetooth，Zig Bee，GPRS，IEEE 802.11，主要應用在病人監護、醫療保健、生物醫學工程等方面。

對各協議在醫學領域的發展趨勢來說:2005 ～2012 年國內外藍牙通信協議在醫學領域的應用發展處于上升趨勢，2012 年以后，呈下降趨勢;Zig Bee 在醫學領域的應用發展較為平穩;GPRS 自2008 年起有嚴重的下降趨勢(這可能和3G 通信技術、4G—LTE 技術的應用和替代相關);IEEE 802.11 的發展趨勢很不穩定，自2005 年至今，呈波谷、波峰、波谷、波峰的趨勢)，最近3 年又呈下降趨勢。

4 結 論

對于無線傳感器網絡的各通信協議來說，每一種協議都專長于特定應用，在各自的小領域存在優勢;但是同一協議不同版本(發布方、年份不同)之間還存在版本兼容性問題，各不同協議之間存在著較大的兼容性和版本競爭問題.而在無線傳感器網絡醫學應用領域，對各協議的研究還處于初級階段，存在著較大的發展空間;如目前還沒有一個專門應用于某一狹小醫學領域的主導協議，尤其是在近幾年興起的遠程大容量影像數據傳輸和人體傳感器網絡(BSN)［19～22］領域，一方面研究者需要考慮目前提出的新協議(NFC，UWB)是否可用，另一方面，研究者還需考慮自行設計針對這一領域的主導協議。

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