基于無線傳感網的飛行員生理訓練監測系統

李成

（海軍航空兵學院　遼寧葫蘆島125001）

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基于無線傳感網的飛行員生理訓練監測系統

李成

（海軍航空兵學院遼寧葫蘆島125001）

摘要：為提升飛行員生理訓練的效果，設計了一種基于無線傳感網的生理訓練監測系統。系統通過傳感器網絡將體征數據實時采集并傳輸到上位機進行分析處理。系統主要由生理體征數據采集模塊，接收模塊，和PC機終端三部分組成。設計過程中采用了模塊化的設計方法，使得系統可靠性高、擴展性好。實測表明：系統能對生理訓練體征數據信息進行快速采集和傳輸，達到了預期設計要求。

關鍵詞：無線傳感網；生理訓練；監測；ZjgBee

飛行員生理訓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練的效果，首先需要對飛行員在生理訓練過程中的狀態指標，尤其是人體生理體征數據進行監測，及時準確地測量出飛行員生理訓練各項數據，評估飛行員生理訓練效果，同時還可以對數據進行處理、分析，為改進生理訓練方法提供科學的依據。飛行員生理體征數據一般包括：心電、體溫、心率、呼吸率等。

要實現對飛行員生理訓練中生理體征數據的監測，需要通過各類傳感器對生理信號參數進行采集，如果采用有線的監測方式，需要多個傳感器，獨立的傳感器間缺乏系統整合，采集到的數據只能通過有線電纜進行信號傳輸，由于測量的信號多是人體信號，而人體處于自然狀態時的信號才能夠真實地反映其生理狀況，而將監測設備通過有線方式連到人體上會使飛行員感受到束縛，從而導致所監測的數據不準確。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時監測飛行員生理訓練過程中各種體征數據，基于ZjgBee技術的無線傳感網絡（WSN），具有微功率、抗干擾能力強、組網靈活等特點，是飛行員生理訓練監測系統設計中的理想選擇。

1　系統總體結構

對于飛行員生理訓練體征數據采集要求系統設計必須要具有小封裝、低功耗、無線通信、安全性等特點。本文所設計的飛行員生理訓練體征數據監測系統結構如圖1所示。飛行員生理訓練監測系統包括生理體征數據采集模塊，接收模塊，和PC機終端3部分組成。生理體征數據采集模塊是無線傳感網絡的終端節點，通過各類生理指標傳感器，對所需監測的生理信號進行數據感測，并通過無線通信方式將數據發送到接收模塊，接收模塊將接收到的監測數據傳輸至與其相連接的PC機，由PC機上的軟件對監測數據進行接收、處理、顯示和存儲，由相應人員對數據進行觀察和分析，為評估生理訓練效果和改進生理訓練方法提供依據。

圖1　系統結構

系統設計中選用ZjgBee技術作為飛行員生理訓練監測系統的無線通信方式，ZjgBee是一種短距離的無線通信技術，ZjgBee協議的基礎是IEEE 802.15.4，這是IEEE無線個人區域網工作組的一項標準，被稱作IEEE 802.15.4標準［1-2］。該標準定義了物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC）的標準。ZjgBee聯盟則定義了ZjgBee協議的網絡層（NWK）、應用層（APL）和安全服務規范。TI公司在IEEE 802.15.4標準和ZjgBee聯盟所推出的ZjgBee規范的基礎上，發布了全功能的ZjgBee2006協議棧［3-5］。該協議棧在結構上分為應用層、網絡層、安全層、MAC層和物理層。與此同時，在協議棧內部還嵌入了一個微型操作系統，用于對任務進行統一的調度。ZjgBee無線傳感網絡中有3種類型的節點：網絡協調器節點，路由節點和終端節點。網絡協調器節點是整個網絡的啟動者，其負責選擇合適的頻道來建立網絡，并將其子節點添加到所建立的網絡中。路由器節點是擴大網絡有效覆蓋范圍的關鍵角色。終端節點既不能轉發來自其他節點的信息，也不能接納其他節點加入網絡，而只能接收和發送信息。ZjgBee網絡有3種拓撲結構，星型、樹狀和網狀結構［6-7］，如圖2所示。本系統采用星型網絡作為無線傳感網絡的拓撲結構，此種拓撲結構是最簡單的一種拓撲形式。星型拓撲包含一個網絡協調器節點和一系列終端節點。每一個終端節點只能和網絡協調器節點進行通訊。這種拓撲形式缺點在于節點之間數據路由只有一條唯一路徑。網絡協調器節點有可能成為整個網絡瓶頸。

圖2　網絡拓撲結構圖

2　系統硬件設計

系統硬件設計主要包括生理體征數據采集模塊和接收模塊的硬件設計。接收模塊主要負責協調飛行員所攜帶的各無線生理體征數據采集模塊與PC機之間的數據通信，提供透明的通信接口，協調器主要負責整個網絡的配置和管理，一個網絡必須有一個協調器。生理體征數據采集模塊要負責采集心電波、心率、呼吸率、體溫的數據，這要依托于生理體征傳感器，包括心電傳感器、體溫傳感器，同時生理體征數據采集模塊還要將數據通過無線接口向接收模塊傳輸，進而上傳至PC機存儲、處理采集數據。

2.1數據采集模塊硬件設計

對于系統硬件的設計，核心是選擇符合ZjgBee協議的芯片，因為ZjgBee核心芯片的選擇決定了無線傳感網絡的一些基本的性能指標，符合ZjgBee協議的芯片分為兩種，一種是只包含ZjgBee無線收發器的射頻芯片，另一種是將ZjgBee收發器和MCU等外圍器件集成在一起的SoC芯片［8-9］。在系統設計過程中就選用了TI公司推出的CC2430芯片構建無線傳感網的飛行員生理訓練監測系統。CC2430是美國TI公司推出的基于IEEE 802.15.4/ZjgBee無線通信協議的無線傳感網絡的集成芯片［10-11］。CC2430在單個芯片上整合了ZjgBee射頻前端、內存和微控制器。芯片內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位模數轉換ADC模塊、幾個定時器（Tjmer）、上電復位電路（Power-On-Reset），具有21個通用I/O引腳，還具有串口等豐富的接口資源［12-13］。

對于數據采集模塊硬件設計，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、系統與時鐘存儲電路、節點供電、復位電路、JTAG接口等電路的設計［14-15］。圖3給出了數據采集模塊硬件功能框圖，以符合ZjgBee標準的SoC芯片CC2430為核心，通過其GPIO與外圍器件互聯，數據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據。通過接在飛行員身體上的導聯線，傳感器模塊可以采集體征數據而不影響飛行員訓練。

圖3　數據采集模塊硬件功能框圖

2.2接收模塊硬件設計

接收模塊作為協調器節點，主要負責管理生理體征數據監測各節點網絡的建立和網絡的管理，接收來自各監測節點的生理體征數據，并連同節點信息通過串口傳輸給PC機。接收模塊硬件設計包括能夠實現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成。接收模塊的硬件結構如圖4所示。

圖4　接收模塊硬件功能框圖

3　軟件設計

系統軟件設計包括傳感器數據采集程序、無線通信程序、以及PC機應用程序。傳感器模塊通過電極片和導聯得到模擬數據，并通過傳感器模塊中的放大電路、ADC等得到數字信號并將這些數據傳輸到CC2430。體征數據包括心電數據、體溫數據、呼吸率數據、系統狀態數據。由于人體體溫、心率數據短期變化不明顯，所以可以適當降低實時性，數據一次發送周期內只需傳輸一組即可。數據采集模塊作為終端節點通過RF無線射頻傳輸將采集到的生理數據發送出去。接收模塊作為協調器通過RF射頻接收端接收無線傳輸的數據。同時接收模塊協調器還在軟件驅動下通過串口將接收的數據發送給PC機，并在PC機上進行顯示。

系統軟件設計的重點在無線傳輸軟件設計上，由ZjgBee網絡的建立、節點加入網絡和數據的無線射頻傳輸等幾個部分組成，這些軟件設計都是針對核心芯片CC2430增強型8051進行操作的。接收模塊作為協調器，負責整個ZjgBee網絡的組建與網絡信息的管理和維護。首先給協調器上電，上電后通過osa1-jnt-djsab1e（INTS-ALL）函數關閉所有中斷，然后通過函數zmajn-vdd-check（）檢查系統的供電是否正常，然后整個系統開始初始化。初始化成功后進入操作系統，系統開始運行。協調器建立ZjgBee網絡并廣播網絡信息，并接受子節點加入網絡，子節點成功加入網絡后通過其網絡地址進行通信，協調器總是存儲并實時更新節點的最新信息，并將接收到的數據通過串口傳至PC機上進行處理。圖5給出了協調器的工作流程。軟件開發環境是IAR Embedded Workbench，該環境是一套完整的嵌入式集成開發工具集合，其包括代碼編輯器、工程項目管理器、C/C++優化編譯器、連接定位器和CSPY調試器的各類開發工具。在該環境下通過與各類仿真器相連接能夠實現在線調試，具有良好的交互性。在本系統中采用了8051C/C++編譯器，并調用了CC2430的相關庫文件進行開發平臺的組建。軟件的開發平臺是TI公司的ZjgBee協議棧（Z-Stack），系統的軟件研制以協議棧中的Samp1eApp工程為基礎進行各項功能的開發。

圖5　協調器軟件工作流程圖

4　實驗測試

在系統設計完成后，為了驗證系統對飛行員生理訓練時的體征數據采集、傳輸、處理等具體功能，對整個系統進行了聯合實驗測試。對于前端傳感器模塊數據的獲取，主要是被測試者利用電極片和導聯得到模擬數據，并通過傳感器模塊中的放大、ADC采集等得到數字信號并將這些數據傳輸到CC2430，采集的體征數據主要包括體溫、呼吸率、系統狀態等數據。在實際測試中根據人體體溫、心率數據短期變化特點，采取數據一次發送周期內傳輸一組數據的方式。上位機通過RS-232接口接收來自接收模塊傳來的體征數據，并在上位機進行處理顯示。通過實驗發現，接收的數據包格式相符，可以采集到被測試者的體溫、呼吸率等數據，并且信息傳輸順暢，系統能夠按設定周期進行數據采集，達到了預期設計要求。

5　結束語

系統基于ZjgBee技術的飛行員生理訓練監測系統采用無線傳感網絡的方法，能夠避免有線監測方式的多條電纜、限制飛行員自由運動等諸多缺點，使系統能夠在人體自然狀態下測量生理體征信號，從而有助于反應真實的生理訓練狀態。另外系統采用模塊化設計方法，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用上分開，從而降低系統設計的冗余性，通過這種設計方法使得整個系統的擴展性和可維護性大大增強。

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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

文獻標識碼：A

文章編號：1674-6236（2016）07-0067-03

收稿日期：2015-11-09稿件編號：201511086

基金項目：國家社科基金項目（14QJ003-026）

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