面向嬰兒培養(yǎng)箱的異周期數(shù)據(jù)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(yǎng)箱的異周期數(shù)據(jù)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(yǎng)箱無線檢測數(shù)據(jù)沖突及能耗問題，提出一種ZigBee異周期數(shù)據(jù)傳輸方法。通過分析嬰兒培養(yǎng)箱無線檢測系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構特點，將ZigBee各終端節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸周期分配不同的數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)并定期交替改變，減少多個終端節(jié)點向協(xié)調(diào)器隨機發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生沖突，進而減少無線數(shù)據(jù)傳輸沖突降低能耗。建立并推導異周期傳輸方法的數(shù)據(jù)傳輸周期參數(shù)方程，給出數(shù)據(jù)傳輸方法的設計實例和嬰兒培養(yǎng)箱無線檢測系統(tǒng)的軟硬件設計及終端節(jié)點能耗測試，實現(xiàn)嬰兒培養(yǎng)箱溫、濕度等參數(shù)檢測，在實際使用中驗證該方法及檢測系統(tǒng)可行。

嬰兒培養(yǎng)箱；ZigBee；異周期；能耗

0 引 言

嬰兒培養(yǎng)箱是醫(yī)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(jù)JJF 1260——2010《嬰兒培養(yǎng)箱校準規(guī)范》開展檢測工作。當前有幾款商用產(chǎn)品[2-3]，但僅在數(shù)據(jù)傳輸使用無線，5個溫度點數(shù)據(jù)檢測仍采用有線方式，同時難以實現(xiàn)批量作業(yè)。若采用ZigBee無線方式實現(xiàn)，則須解決無線節(jié)點能耗問題。ZigBee降耗方法主要有減少ZigBee節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸量[4]、沖突退避[5-6]、同步休眠等[7-9]。減少數(shù)據(jù)傳輸方法無法準確得到實時數(shù)據(jù)，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(wǎng)協(xié)同操作，復雜性大增加通信能耗，并且這些節(jié)能降耗研究，各節(jié)點都采用相同數(shù)據(jù)采集傳輸周期，節(jié)點隨機發(fā)送數(shù)據(jù)將導致協(xié)調(diào)器引發(fā)數(shù)據(jù)沖突，同時不可控的數(shù)據(jù)傳輸引起的數(shù)據(jù)沖突將成倍增長，各節(jié)點以相同周期傳輸數(shù)據(jù)，也進一步加大沖突概率。目前還未發(fā)現(xiàn)有各節(jié)點采用不同數(shù)據(jù)傳輸周期的研究，同時針對嬰兒培養(yǎng)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(yǎng)箱的異周期ZigBee網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸方法，該方法在保證數(shù)據(jù)傳輸時效性的同時，可減少數(shù)據(jù)傳輸不可控的隨機沖突，提高檢測網(wǎng)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(yǎng)箱檢測原理架構

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

圖1 基于ZigBee的無線嬰兒培養(yǎng)箱檢測原理框圖

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

2 異周期ZigBee數(shù)據(jù)傳輸方法

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

圖2 異周期數(shù)據(jù)傳輸方法工作流程圖

在該方法中，最重要的是確定數(shù)據(jù)傳輸周期參數(shù)Ti、mi，圖3是節(jié)點傳輸周期參數(shù)分配示意圖，可以看出，序號為1的終端節(jié)點其周期與系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)傳輸周期T0一致，偶數(shù)終端節(jié)點其前mi次傳輸?shù)闹芷诙夹∮赥0，產(chǎn)生的問題是經(jīng)過若干次的數(shù)據(jù)傳輸后，偶數(shù)終端節(jié)點的數(shù)據(jù)將大于系統(tǒng)設定的數(shù)量，反之序號大于1的奇數(shù)終端節(jié)點的數(shù)據(jù)將小于系統(tǒng)設定的數(shù)量。為了解決該問題，同時保證各節(jié)點采集數(shù)據(jù)的時間點相差不超過1個采樣周期T0，系統(tǒng)將控制節(jié)點在進行mi次傳輸后轉換數(shù)據(jù)傳輸周期，使各節(jié)點的發(fā)送數(shù)據(jù)個數(shù)與周期為T=T0的節(jié)點一致，故對于序號為i的終端節(jié)點，若終端節(jié)點被分配的序號i為奇數(shù)的終端節(jié)點，其數(shù)據(jù)傳輸周期為

若終端節(jié)點被分配的序號i為偶數(shù)的終端節(jié)點，其數(shù)據(jù)傳輸周期為

其中tj、tk為任意時間點。

圖3 節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸周期參數(shù)分配示意圖

從式（3）、式（4）可以看出，對于節(jié)點 i，mi和 T0與Δt的比值成正比，T0與Δt比值越大，調(diào)整傳輸周期的間隔越長。同時mi也可以理解為某個節(jié)點與i=1節(jié)點發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸沖突后，再次發(fā)生沖突的間隔次數(shù)。因此，若數(shù)據(jù)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(nèi)發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸沖突概率，進而減少終端節(jié)點數(shù)據(jù)重傳次數(shù)，節(jié)省能量。由于式（3）、式（4）對不同節(jié)點的計算可能出現(xiàn)非整數(shù)，故在實際系統(tǒng)設計時對公式取整即可。

3 嬰兒培養(yǎng)箱檢測模塊軟硬件設計

嬰兒培養(yǎng)箱的性能參數(shù)主要是溫度與濕度，并且由于噪聲參數(shù)需要在艙內(nèi)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(jié)點、無線網(wǎng)關與遠程監(jiān)測中心軟件系統(tǒng)設計。

3.1 終端節(jié)點與無線網(wǎng)關電路設計

圖1中，檢測系統(tǒng)終端節(jié)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(shù)字接口溫度傳感器Tsic 716采集，濕度信息采用雙總線數(shù)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(wǎng)關由ZigBee協(xié)調(diào)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(tǒng)中采用服務器工作模式，遠程監(jiān)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(wǎng)絡后，協(xié)調(diào)器可將終端節(jié)點數(shù)據(jù)透明傳輸?shù)竭h程監(jiān)測中心，并作進一步處理。圖4為系統(tǒng)部分電路圖。

圖4 終端節(jié)點部分電路圖

3.2 遠程監(jiān)測中心軟件設計

軟件系統(tǒng)基于Microsoft Visual Studio.NET平臺，主要負責接收無線網(wǎng)關數(shù)據(jù)并做進一步處理。軟件系統(tǒng)以WiFi客戶端形式加入無線網(wǎng)關，利用TCP/IP協(xié)議、MSChart圖形組件等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、實時數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)智能處理等功能。同時，軟件可動態(tài)構建當前檢測的網(wǎng)絡拓撲，直觀顯示當前儀器情況與終端節(jié)點工作狀態(tài)。圖5為系統(tǒng)軟件功能分類圖。

圖5 嬰兒培養(yǎng)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(shù)據(jù)傳輸方法及分立式嬰兒培養(yǎng)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(shù)據(jù)傳輸方法設計實例

在該設計實例中，假設有一個協(xié)調(diào)器，5個終端節(jié)點，并分別被排序為節(jié)點 1，2，3，4，5，系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)傳輸周期 T0=1s，Δt=10ms，根據(jù)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(jié)點與節(jié)點1發(fā)生傳輸沖突，則發(fā)生下一次沖突是傳輸100次后，而嬰兒培養(yǎng)箱檢測要求是每2 min記錄一次數(shù)據(jù)，因此根據(jù)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(jié)點能耗測試

終端節(jié)點的能耗可分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、空閑休眠3部分，以節(jié)點1為例，若數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)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(nèi)的平均電流為

根據(jù)上述實例，對電流進行測量，采用經(jīng)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(shù)值為 Iw=32mA、Ic=42mA、Is=10μA，時間參數(shù)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(jié)點可連續(xù)使用超過1個月。該軟件目前已經(jīng)登記國家軟件著作版權，系統(tǒng)可正常接收到5個終端節(jié)點數(shù)據(jù)，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(yǎng)箱檢測的數(shù)據(jù)傳輸方法，ZigBee網(wǎng)絡中各終端節(jié)點采用不同傳輸周期相比于都采用相同數(shù)據(jù)傳輸周期系統(tǒng)，可明顯減少數(shù)據(jù)傳輸中的不可控隨機沖突，實現(xiàn)節(jié)點低功耗運行。采用ZigBee分立式的嬰兒培養(yǎng)箱檢測模塊設計方法也有別于當前商用產(chǎn)品，同時基于異周期的數(shù)據(jù)傳輸方法只要修改相關公式的參數(shù)即可應用于其他采用星型ZigBee網(wǎng)絡的檢測系統(tǒng)，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(zhì)監(jiān)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(yī)學計量及智能檢測技術研究。