CN103280071B - 无线体域网中紧急信号的判断及高效调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线体域网中紧急信号的判断及高效调度方法，包括采集器节点、中心节点和计算机终端，采集器监控一个或多个患者,负责判断数据是否失真,是否正常，是否为紧急数据,在采集到紧急信息时向其他采集器发送紧急信号,使其未发送的正常信息延迟发送,接着将紧急信息发送给中心节点。中心节点响应多个采集器请求，根据数据的紧急程度提供服务，中心节点的存储区由紧急数据队列和正常数据队列组成，优先发送紧急数据队列中的数据。本方法能够提高传感器节点处理数据过程中的反应速度和无线体域网生命周期，过滤失真数据对所监控对象做出预测和推理，部署方便简单且易于扩展，可用于医院普通病房对病人的监护和家中身体情况的实时监控。

Description

无线体域网中紧急信号的判断及高效调度方法

技术领域

本发明涉及基于无线通信传感器的体域网络，是对无线体域网中紧急信号的判断及高效调度，特别适用于对病人或老人在医院或家里的监护。

背景技术

无线体域网又可称为无线体域传感网(wirelessbodyareasensornetwork,WBASN或BAN)是通过无线传感器和监视器之间进行无线通信，采集传输人体健康信号，从而实现对人体生理参数的长期监视和记录的技术。

人体上的生理参数收集传感器或移植到人体内的生理参数收集传感器共同形成一个无线网络，这些传感器节点能够采集身体重要的生理信号（如温度、血糖、血压等）、人体活动或动作信号以及人体所在环境信息，将这些信号传输到体表或体外的中心节点进行处理。

目前适合Internet的协议（如TCP/IP协议）体系在复杂性和计算开销方面均不适合直接应用于WBASN，因此设计具有简单、高效、低功耗特性的新型通信协议是WBASN标准化面临的一个紧迫问题。WBASN标准要求对隐私数据进行保护，实现安全性；支持点到点的通信模式和点到多点的通信模式；支持多种功率管理和功率消耗机制；支持不同等级的QoS等。

对于医学应用，WBASN的一个关键要求是高可靠性。这对于患者的生命的紧急救生，医学WBASN应用中体征数据的紧急情况显得更为重要。相关的标准如IEEE802.15.4，UWB，ZigBee或NFC都没有考虑这样的紧急救生情形。

无线传感器网络中宣布紧急状况的方法：提供一种在通过无线通信进行数据传送的设备的网络中使用的帧格式，该帧格式定义包括用于表示紧急情况帧的子字段的帧控制字段，该紧急情况帧用于向网络中的其它设备宣布紧急状况的存在。这种方法由于采集器没有对连续的数据进行判断，而采集过程中由于外界环境变化，或人为因素的影响，会产生失真或噪音数据，从而造成了失真数据被当成了紧急数据进行处理，就会浪费大量资源。

由于在实际应用中无线体域网将会产生大量的用于处理、传递和访问的生理参数数据，传感器节点如何操作这些数据就成了一个基本问题。它的意义在于不仅能够提高传感器节点处理数据过程中的反应速度和无线体域网生命周期，还可以过滤失真数据并对所监控对象做出预测和推理。

发明内容

本发明针对监护系统中的体域网数据的采集和判断，通过对紧急信号的判断和及时处理，可以实现高效的紧急数据传输。本发明基于体域网的数据特征和操作系统的处理方式，利用信号约束的方式让采集器决定自己是否发送信息，使得紧急信息能够得到及时的接收和保存，然后系统通过判断紧急信息是否存在的方式优先发送紧急信息，使得紧急信息能够在接收到的第一时间发送到终端计算机进行处理。这种信号约束的调度算法，使得采集器采集到的紧急数据能够被中心节点及时的接收保存和发送，从而保障了紧急信息的能够在监护系统体域网中高效的、及时的得到传输。

无线体域网中紧急信号的判断及高效调度方法，包括采集器节点对数据的采集及判断：采集器采集待测体的数据（待测体可以是人体），首先对采集到的数据进行初步处理，其次以m个数据为一个数据组，每个采集周期采集n个数据组，然后对数据组进行分析判断，最后将数据组封装为正常信息或紧急信息。

采集器节点对正常信息和紧急信息的处理：若采集到的信息为正常信息，则按规则正常发送；若为紧急信息，则采集器生成紧急信号，采取广播的方式告诉其他采集器，使其他还未开始发送正常信息的采集器延时发送正常信息，接着该采集器向中心节点发送紧急信息，为保证紧急信息能被正确接收，将紧急信息在一定时间后重发，直到接收到中心节点的返回信号为止。采集器设置在待测体上或植入待测体内，例如人体的手臂、手指、腰部和心脏等。

中心节点的调度处理：对正常信息和紧急信息向计算机终端的发送，按照先发送紧急信息的规则向计算机终端发送；所述中心节点置于采集器同一房间内或放置在被测体上（如使用者身上），用于接收采集器节点的信息和向计算机终端发送信息。

计算机终端的信息存储与处理：计算机终端接收来自中心节点按顺序发来的正常信息和紧急信息，做出分析处理，并将正常信息和紧急信息储存起来。内部医护工作者可通过内部数据接口对数据进行调用、显示等处理，用于疾病研究、实时监护等用途，而外部用户如病患家属、医药教授可在授权的情况下获取相应的数据。

本发明体域网的调度处理机制和对紧急信号的判断的具体过程如下：

采集器对采集到的数据进行初步的分析和处理，先丢弃掉一些失真数据即无效数据，然后将数据分成多个数据组，对数据组进行初步的分析。数据有正常数据、异常数据和失真数据三种，如果异常数据的个数超过了该类采集器对该种数据规定的异常数据个数的上限值，那么这个数据组就被称之为异常数据组，这时该采集器就将再采集一组数据，判断再次采集的数据组是否也为异常数据组，若该组数据组依然为异常数据组，那么我们将采集到的这几组数据按照一定的格式进行打包，并封装成为紧急信息，然后由该采集器生成一个与该紧急信息有关联的紧急信号，发送给其它采集器，让其它采集器进入约束状态在一定的时间内不发送信息给中心节点，其中正在发送信息的采集器继续发送，让出信道给发送紧急信号的采集器，传输紧急信息，中心节点第一时间接收并转发这个紧急信息。

对中心节点来说，中心节点有两个队列：正常信息队列和紧急信息队列。正常信息队列与紧急信息队列为中心节点的信息储存队列，负责对信息的处理。

中心节点在有空闲信道并在一段时间内未接收到任何采集器发送过来的消息，就广播一个发送信号给本传感器网络中所有的采集器，让采集器发送信息给中心节点，如果还没有接收到任何信息就关闭部分功能进入等待状态以节能。

本发明基于体域网的数据传输机制和操作系统的信息处理方式，用简单的资源调度机制提供了一种用于实用的部署在医疗服务领域中的监护型的资源调度方案。该方案部署方便简单且易于扩展，该方案既可用于医院普通病房对病人的监护，也可用于未来在家中身体情况的实时监控。采集器对于采集到的数据进行判断，对于紧急信息将通过信号约束的方式，将信道让给发送紧急信号的采集器，传输紧急信息。紧急信息在接收和发送的时候具有最高的优先级，能在第一时间将采集到的紧急信息发送到计算机终端进行处理。本发明不同于其它的接收方式，对正常信息进行正常的接收和发送，但对于紧急信息却是实时接收和发送，便于将被监护者的病症在发病初期能够被检测出来，符合我国医疗和体域网的发展方向。

附图说明

图1为本发明的采集器周期图；

图2为本发明的三层结构图；

图3为本发明的无线体域网中的信息传输顺序图；

图4为本发明的信号判断和发送流程图；

图5为本发明的中心节点的发送信号生成流程图；

图6为本发明的采集器接收信号流程图；

图7为本发明的中心节点接收信息状态图；

图8为本发明的队列信息储存图；

图9为本发明的队列信息取出图；

图10为本发明的中心节点数据的发送图。

具体实施方式

如图1所示为本发明的采集器周期图。本方案采集器周期T_work分为三部分：采集器的采集周期T_collect、采集器发送周期T_send和采集器的睡眠周期T_sleep，即T_work=T_collect+T_send+T_sleep。采集器采集数据时，每m个数据为一个数据组，表示为V={λ₁,λ₂,…,λ_m}，在正常情况下即无两个连续的异常数据组时，采集器的每一个采集周期T_collect采集n个数据组，然后采集器进入发送周期T_send。若出现两个连续的异常数据组时，假设在第k个数据组时出现一个的异常数据组，在第k+1个数据组时又出现一个的异常数据组，则采集器的每一个采集周期T_collect只采集k+1个数据组，然后采集器进入发送周期T_send。

如图2所示为本发明中WBAN的结构图。该结构可以为星形网络结构（如图中2A）也可以为对等网络结构（如图中2B），星形网络结构一般用于未来家庭中个人的监护，对等网络结构既可用于未来家庭中个人情况的监护，也可用于医院中对病人的监护。

如图3所示为本发明的无线体域网中的信息传输顺序图。无线体域网中的信息传输经过三层：采集器、中心节点和计算机终端。采集器负责收集身体生理信息，并做出初步的判断、分类和处理，然后在采集器的发送期向中心节点发送紧急信息和正常信息。中心节点接收信息并存储在自己的数据队列中，然后通关过GPRS等无线网络向计算机终端将紧急/正常信息发送过去。发送完毕后会删除该信息。计算机终端接收来自中心节点的信息并做出相应处理。

如图4（包括图中4A和4B）所示为本发明的信号的判断和发送流程图。采集器的作用包括了对数据的采集以及对采集到的数据进行封装和分类两部分。在对信息的判断时，首先，采集器对采集到的数据进行判断，设定数据的正常范围为R_normal，异常范围为R_exception，失真范围为R_invalid，处于正常范围R_normal的数据为正常数据λ_normal，处于异常范围R_exception的数据为异常数据λ_exception，处于失真范围R_invalid的数据为失真数据λ_invalid，λ表示采集器采集到的数据。采集器将采集到的原始数据进行初步的判断，然后将其存入数据组中，其中失真数据λ_invalid用一个特殊数字（如-1）存入数据组中。对数据组V={λ₁,λ₂,…,λ_m}进行分析判断时，数据组V中异常数据λ_exception的个数为va_λ，设定异常数据个数上限值为ve_λ，如果该数据组中的异常数据个数va_λ小于数据组异常数据个数上限值为ve_λ，即va_λ<ve_λ，那么这组数据V为正常数据组V_normal，如果va_λ>ve_λ，那么这组数据V为异常数据组V_exception。如果采集器采集到的一组数据组为V_exception，那么采集器继续采集一组数据，如果这组数据为V_normal，那么就认为前面那组数据组为正常数据组，采集器继续进行采集器周期T_work；反之采集器再次采集的数据组为V_exception，那么采集器立即将采集到的数据进行封装为紧急信息M_emergency，并由采集器生成一个紧急信号S_emergency广播给其它采集器，然后将该M_emergency立即发送给中心节点。如果采集器在一个采集器周期T_collect内所有的数据均为正常数据组V_normal，即则V为正常数据组V_normal；则将这n个正常数据组V_normal打包为正常信息M_normal，然后在发送标志位F_send=TRUE的情况下将该M_normal发送给中心节点。

如图5所示为本发明的中心节点的发送信号生成流程图。如果中心节点在一段时间T₁（T₁=L_max/4V_s，L_max为体域网中可传输数据的最大长度，V_s为数据在体域网中的传输速度）内没有收到来自采集器的新信息，中心节点就生成一个发送信号广播给所有采集器，让它们将自己采集好的信息发送过来。如果中心节点接收到来自采集器的信息，那么就存储这些信息；反之，中心节点还没有收到来自其它采集器的信息，中心节点就检查是不是还有其它任务，有就继续执行其它的任务，没有就让中心节点的CPU和发送器进入休眠状态，但不关闭接收器。

如图6所示为本发明的采集器接收信号流程图。当采集器接收到一个信号的时候，采集器就判断这个信号的类型。如果信号为紧急信号S_emergency，就检查采集器自己是否正在发送信息，是就继续发送信息，否就在一段时间T(T=L_max/V_s)内不发送消息，即将发送标志位F_send置为FALSE，在过了T之后重新改为TRUE，或等待中心节点发送发送信号S_send过来，将其改为TRUE;反之，发送过来的信号为发送信号S_send，则令F_send=TRUE，在检查有没有等待发送的正常信息，有就发送，没有就不采取任何操作，继续这个采集器周期。

如图7所示为本发明的中心节点接收信息状态图。中心节点开始的时候在等待接收信息，当有信息传入的时候，判断信息的类型，如果信息为正常信息M_normal，则将该信息存入正常信息队列Q_normal中，反之如果信息为M_emergency，则将该信息存入紧急信息队列Q_emegency中；然后将两队列中的信息发送出去。

如图8所示为本发明的队列信息存储图。中心节点收到信息M之后开始检查队列Q的标识符F，若F=FALSE，则令F=TRUE并存储信息；反之F=TRUE，则直接存储信息。

如图9所示为队列信息取出图。中心节点准备取出信息的时候开始检查队列Q的标识符F，若F=FALSE，则等待队列的操作；反之F=TRUE，则从队列中取出数据，然后检查队列是否为空，若队列为空则F=FALSE，然后等待队列操作。

如图10所示为本发明的中心节点数据的发送图。中心节点发送数据的时候优先检测紧急信息队列Q_emergency的数据标志位F_{emergencyInfo}，若F_{emergencyInfo}=TRUE，那么中心节点会优先发送Q_emergency中的信息，当中心节点发送完Q_emergency中的信息之后，就令F_{emergencyInfo}=FALSE，然后继续检测F_{emergencyInfo}的值；若F_{emergencyInfo}=FALSE，那么中心节点会继续检测正常信息队列Q_normal的数据标志位F_normalInfo是否为TRUE，若F_normalInfo=TRUE那么中心节点就会发送Q_normal中的部分数据，然后继续检测F_{emergencyInfo}的值，直到Q_emergency队列为空，这时就令F_normalInfo=FALSE，然后中心节点继续检测F_{emergencyInfo}的值，如果系统没有了其它的任务，那么就让中心节点的CPU和发送器进入休眠状态，不关闭接收器。接收器继续侦听来自采集器的信息。

Claims (8)

1.无线体域网中紧急信号的判断及高效调度方法，其特征在于：包括采集器节点对数据的采集及判断：采集器节点采集待测体的数据，首先对采集到的数据进行初步处理，其次以m个数据为一个数据组，每个采集周期采集n个数据组，然后对数据组进行分析判断，最后将数据组封装为正常信息或紧急信息；具体是，如果采集到的异常数据的个数超过了该采集器节点规定的异常数据个数的上限值，那么这个数据组就被定义为异常数据组，这时该采集器节点将再采集一组数据，判断再次采集的数据组是否也为异常数据组，若依然为异常数据组，那么将采集到的这几组数据封装成为紧急信息；

采集器节点对正常信息和紧急信息的处理：若采集到的信息为正常信息，则按规则正常发送；若为紧急信息，则采集器节点生成紧急信号，采取广播的方式告诉其他采集器节点，使其他还未开始发送正常信息的采集器节点延时发送正常信息，接着生成紧急信号的采集器节点向中心节点发送紧急信息，为保证紧急信息能被正确接收，将紧急信息在一定时间后重发，直到接收到中心节点的返回信号为止；

中心节点的调度处理：对正常信息和紧急信息向计算机终端的发送，按照先发送紧急信息的规则向计算机终端发送；

计算机终端的信息存储与处理：计算机终端接收来自中心节点按顺序发来的正常信息和紧急信息，做出分析处理，并将正常信息和紧急信息储存起来。

2.根据权利要求1所述无线体域网中紧急信号的判断及高效调度方法，其特征在于：对采集器节点采集到的数据进行初步处理时，设定数据的正常范围为R_normal，异常范围为R_exception，其它范围即失真范围为R_invalid，若λ∈R_normal，则此数据为正常数据λ_normal；若λ∈R_exception，则此数据为异常数据λ_exception；若λ∈R_invalid，则此数据为失真数据λ_invalid；λ表示采集器节点采集到的数据。

3.根据权利要求2所述无线体域网中紧急信号的判断及高效调度方法，其特征在于：每个采集周期内，采集器节点采集n个数据组，每个数据组包含m个数据；所述数据组V，表示为V＝{λ₁,λ₂,…,λ_m}，对数据组进行分析判断时，若则V为正常数据组V_normal；数据组V中异常数据λ_exception的个数为va_λ，设定异常数据个数上限值为ve_λ，若va_λ<ve_λ，则V为正常数据组V_normal，若va_λ>ve_λ，则V为异常数据组V_exception。

4.根据权利要求3所述无线体域网中紧急信号的判断及高效调度方法，其特征在于：将数据组封装时，在一个采集周期T_collect内采集n个数据组，V₁,V₂,…,V_n，若1≤x≤n，V_normal为正常数据组，则将该n个数据组封装为正常信息M_normal；若在V₁,V₂,…,V_n这n个数据组中没有两个连续的异常数据组V_exception，则将该n个数据组封装为正常信息M_normal；若在V₁,V₂,…,V_nn个数据组中有两个连续的异常数据组V_exception，则将该n个数据组封装为紧急信息M_emergency。

5.根据权利要求4所述无线体域网中紧急信号的判断及高效调度方法，其特征在于：采集器节点采集到紧急信息M_emergency时，先自动生成紧急信号S_emergency，以广播的方式向其他采集器节点发送紧急信号S_emergency，其他采集器节点在收到紧急信号S_emergency后，如果自身正在发送正常信息M_normal，则继续正常发送；如果自身还未开始发送正常信息M_normal，则将自己的发送标志位改为FALSE，延时T发送或接收到中心节点发送过来的F_send后，将F_send改为TRUE，T＝L_max/V_s，L_max为体域网中可传输数据的最大长度，V_s为数据在体域网中的传输速度；此时拥有紧急信息M_emergency的采集器节点立即向中心节点发送紧急信息M_emergency；采集器节点采集到正常信息M_normal时，到达发送期并且F_send＝TRUE时，直接向中心节点发送正常信息M_normal。

6.根据权利要求5所述无线体域网中紧急信号的判断及高效调度方法，其特征在于：中心节点接收到采集器节点发送来的紧急信息M_emergency后，直接接收紧急信息M_emergency，并将接收到的紧急信息M_emergency保存在紧急信息队列Q_emegency中。

7.根据权利要求6所述无线体域网中紧急信号的判断及高效调度方法，其特征在于：紧急信息M_emergency接收完成后，中心节点将紧急信息M_emergency存储到紧急信息队列Q_emegency，令紧急信息队列Q_emegency的标志位F_{emergencyInfo}为F_{emergencyInfo}＝TRUE；中心节点优先发送紧急数据队列Q_emegency中的数据；紧急信息M_emergency发送完毕后，中心节点则将紧急队列Q_emegency的标志位F_{emergencyInfo}还原为F_{emergencyInfo}＝FALSE。

8.根据权利要求1到7任一项所述无线体域网中紧急信号的判断及高效调度方法，其特征在于：所述采集器节点设置在待测体上或植入待测体内，所述中心节点置于采集器节点同一房间内或携带在被测体上。