...Nguyễn Minh Ngọc_.pdf

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN SINH VIÊN: NGUYỄN MINH NGỌC NGHIÊN CỨU VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG TRONG Y TẾ... Công nghệ cảm biến khô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

SINH VIÊN: NGUYỄN MINH NGỌC

NGHIÊN CỨU VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG TRONG

Y TẾ

Lời nói đầu

Trong quá trình phát triển của con người, những cuộc cách mạng về công nghệ đóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi từng ngày từng giờ cuộc sống của con người, theo hướng hiện đại hơn Đi đôi với quá trình phát triển của con người, những thay đổi do chính tác động của con người trong tự nhiên, trong môi trường sống cũng đang diễn ra Dân số ngày càng tăng, nhu cầu cũng tăng theo, các dịch vụ tiện ích từ đó cũng hình thành phát triển theo Đặc biệt là áp dụng các công nghệ của ngành điện tử, công nghệ thông tin và viễn thông vào trong thực tiễn cuộc sống con người Công nghệ cảm biến không dây được tích hợp từ các kỹ thuật điện tử, tin học và viễn thông tiên tiến vào trong các mục đích nghiên cứu khác nhau, phạm vi ngày càng mở rộng, để tạo được các đáp ứng cho các nhu cầu trên các lĩnh vực khác nhau

Hiện nay công nghệ cảm biến không dây chưa được áp dụng rộng rãi ở nước

ta, do những điều kiện về kinh tế, kỹ thuật, nhu cầu sử dụng Song nó vẫn hứa hẹn

là một mục đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục đích phát triển đầy tiềm năng

Được sự hướng dẫn và chỉ dẫn của PGS.TS Lê Trung Thành em đã chọn đề

tài đồ án “Nghiên cứu về mạng cảm biến không dây ứng dụng trong y tế” Đồ án

là cung cấp các mô hình, ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong phân tích thiết kế cho hệ thống giám sát sức khỏe Mục tiêu chính của nghiên cứu này để đánh giá việc chấp nhận các tiêu chuẩn không dây hiện tại để theo dõi chăm sóc sức khỏe trong môi trường thực tế Đồ án dựa trên các giao thức IEEE 802.15.4/ZigBee kết hợp với các nền tảng phần cứng và phần mềm, đặc biệt tập trung vào cơ chế Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) thuật toán truyền thông đáng tin cậy đa truy nhập cảm biến sóng mang Các số liệu phân tích được thiết lập thông qua các dữ liệu đo và phân tích toán học Hệ thống giám sát sức khỏe dựa trên các mạng cảm biến cơ thể (BSN) BSN bao gồm một số thiết bị mạng phân phối chứa bộ cảm biến, trong đó thu thập và xử lý dữ liệu và giao tiếp với các thiết

bị khác thông qua một kênh tần số vô tuyến Các nút cảm biến nhỏ, tiêu thụ điện năng thấp để giữ cho tính di động tốt của bệnh nhân và giảm chi phí dịch vụ chăm sóc sức khỏe

Lời cảm ơn

Em xin được gửi lời cảm ơn trân trọng nhất đến PGS.TS Lê Trung Thành, người đã trực tiếp dành nhiều thời gian để hướng dẫn em hoàn thành đồ án này

Em cũng xin được gửi đến các thầy cô giáo khoa Công nghệ thông tin, Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội lời cảm ơn sâu sắc vì những kiến thức mà các thầy cô đã giảng dạy cho chúng em trong suốt những năm học tại trường Được trang bị những kiến thức này giúp cho em trưởng thành hơn và có khả năng cống hiến, phục vụ nhiều hơn cho xã hội

Em cũng xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp, các bạn cùng học tập, đã trực tiếp hoặc gián tiếp giúp em hoàn thành đồ án này

Hà Nội, tháng 5 năm 2013

Sinh viên thực hiện đồ án Nguyễn Thị Minh Ngọc

MỤC LỤC

Lời nói đầu i

Lời cảm ơn ii

Danh sách các thuật ngữ và ký tự v

Danh sách các bảng ix

Danh sách các hình x

Chương 1 : Giới thiệu về mạng cảm biến không dây 1

1.1 Node cảm biến 1

1.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây 2

1.2.1 Kích thước vật lý nhỏ 2

1.2.2 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao 3

1.2.3 Khả năng liên kết vật ký và phân cấp điều khiển hạn chế 3

1.2.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng 3

1.2.5 Hoạt động tin cậy 4

1.2.6 Kiến trúc và giao thức mạng cảm biến không dây 4

1.3 Một số vấn đề trong WSN 8

1.4 Ưu nhược điểm của mạng cảm biến không dây 10

1.4.1 Ưu điểm 10

1.4.2 Những thách thức trở ngại 10

Chương 2 : Mạng cảm biến không dây trong y tế 11

2.1 Các công nghệ được sử dụng trong giám sát sức khỏe 12

2.1.1 ZigBee 12

2.1.2 Bluetooth 13

2.1.3 Ultra Wide Band (UWB) 14

2.1.4 Wireless Fidelity (WiFi) 14

2.1.5 So sánh các công nghệ 15

2.2 Đánh giá mạng cảm biến không dây trong giám sát sức khỏe 19

2.2.1 Độ tin cậy 21

2.2.2 Năng lượng 21

2.2.3 Khả năng di chuyển 22

2.2.4 Mạng lưới giao thoa 22

2.2.5 Thời gian thực và giám sát liên tục 23

2.2.6 Những hạn chế và thách thức của WSN 23

2.3 Phân tích đánh giá công nghệ Zigbee 24

2.3.1 Giới thiệu 24

2.3.2 Giao thức MAC chuẩn IEEE 802.15.4 25

2.4 Phân tích không khe cắm CSMA/CA 29

2.4.1 Truyền các gói thời gian và trì hoãn 29

2.4.2 End to end delay 34

2.4.3 Truyền các gói tin 36

2.4.4 Môi trường đánh giá 37

2.4.6 Ảnh hưởng của số lượng thiết bị mạng 39

2.4.7 Ảnh hưởng của Data Payload Size (Kích cỡ dữ liệu tải trọng) 40

2.5 Cấu hình lại thông số không khe gán IEEE 802.15.4 MAC cho giám sát điện tâm đồ 44

2.5.1 Giới thiệu 44

2.5.2 Kết quả 46

Chương 3 : Triển khai ứng dụng cho giám sát sức khỏe 56

3.1 Hệ thống giám sát đo nhịp tim 56

3.2 Xây dựng trên phần mềm 61

3.3 Xây dựng trên phần cứng 63

3.3 Giao thức Mac cho các gói truyền ưu tiên 65

3.3.1 Phương pháp đề xuất cho thiết bị mạng được kết hợp trong PAN 65

3.3.2 Thông số Mac thích hợp cho dữ liệu ưu tiên 69

Kết luận và hướng phát triển 71

Tài liệu tham khảo 72

Danh sách các thuật ngữ và ký tự

ACK Acknowledgement Sự công nhận

ADC Analog-to-digital converter Chuyển đổi tín hiệu tương tự số

b Number of back-off attempt

periods

Số lượng giai đoạn truyền lại back-off

BE Back-off exponents Số mũ back-off

CCA Clear Channel Assessment Đánh giá rõ ràng kênh

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access

with Collision Avoidance mechanism

Đa truy cập cảm biến sóng mang

CDMA Code Division Multiple Access Chuẩn tế bào số dùng các kỹ thuật

phổ dài rộng để truyền tín hiệu

Cmax Most effective data capacity Dung lượng dữ liệu hiệu quả

CPHY IEEE 802.15.4 data capacity Dung lượng dữ liệu của IEEE

802.15.4 (250kbps)

CW Contention Window length Sự tranh chấp độ dài cửa sổ

DAC Digital to Analogue Converter Chuyển đổi kỹ thuật số tương tự DMA Direct Memory Access Truy cập bộ nhớ trực tiếp

ECG Electrocardiogram Điện tâm đồ (cảm biến để theo dõi

hoạt động của tim) EEG electroencephalography Điện não (cảm biến cho hoạt động

giám sát điện não) EMG electromyography Điện đồ cơ (cảm biến để giám sát

hoạt động cơ bắp)

Viết tắt Tên đầy đủ Ý nghĩa

FCF Frame Control Field Khung điều khiển dòng

FFD Full Function Device Thiết bị đầy các chức năng

ISM Industrial, Scientific and

Medical Band

Công nghiệp, khoa học, y tế

LIFS A long inter-frame spacing Khoảng cách dài giữa các khung MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MCU Microcontroller unit Đơn vị vi điều khiển

MHR MAC header Phần đầu điều khiển truy nhập môi

trường MPDU MAC protocol data unit Giao thức đơn vị dữ liệu MAC MSDU MAC service data unit Dịch vụ đơn vị dữ liệu MAC

NACK No Acknowledgement Không công nhận

NB The number of back-offs with

initial value of zero

Số lượng back-offs với giá trị ban đầu là 0

PAN Personal area network Mạng khu vực cá nhân

PC Personnel Computer Máy tính các nhân

PC Probability of channel being

idle

Xác suất của kênh rỗi

PS Probability of access the

channel

Xác suất truy cập kênh

PDA Personnel Digital Assistant Hỗ trợ số liệu cá nhân

PRD Packet delivery ratio Tốc độ chuyển giao gói tin

PER Packet error rate Tỉ lệ gói tin lỗi

PPDU Physical Giao thức đơn vị dữ liệu lớp vật lý

Viết tắt Tên đầy đủ Ý nghĩa

PWM Pulse width modulation Xung điều chế độ rộng

q Probability of packet

transmitting

Xác suất truyền gói tin

R Average number of back-off Trung bình số lượng back-off

r macMaxFrameRetries Khung truyền lại lớn nhất Mac

(0~7)

RSSI Radio Signal Strength Indicator Tín hiệu vô tuyến chỉ báo cường độ QoS Quality of service Đánh giá chất lượng

RIP Respiratory inductive

plethysmograph

Máy ghi thể tích quy nạp hô hấp

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến

RFD Reduced Function Device Giảm chức năng của thiết bị

RFID Radio Frequency Identification Xác định tần số vô tuyến

SINR Signal Interference Noise Ratio Nhiễu tín hiệu tỉ số truyền

SIFS A short inter-frame spacing Khoảng cách ngắn giữa các khung SFD Start of frame delimiter Bắt đầu khung phân cách

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời

gian

TUB aUnitBackoffPeriod Đơn vị thời gian back-off (20- Ts)

TACK The transmission time length of

ACK frame plus an interframe spacing period

Độ dài thời gian truyền khung ACK cộng với một thời gian khoảng cách interframe

TCCA The period of clear channel

assessments

Thời gian rõ ràng để đánh giá kênh

TDATA The mean transmission period

of data frame

Thời gian truyền tải trung bình của khung dữ liệu

Viết tắt Tên đầy đủ Ý nghĩa

(12-Ts)

(12-Ts)

TLIFS LIFS time Thời gian LIFS (40-TS)

TSIFS SIFS time Thời gian SIFS (12- TS)

Tpd Packet transmission delay Truyền trễ gói

TAB Average back-off times Trung bình thời gian back-off

TABj Sum of T AB of each periods Tổng TAB cho mỗi giai đoạn

TTB Total back-off period time Tổng giai đoạn thời gian back-off WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội hạt vô tuyến

WPANs Wireless personal area networks Mạng vùng cá nhân vô tuyến

WSNs Wireless sensor networks Mạng cảm biến không dây

WBAN,

WBSN

Wireless Body Area Networks Mạng cảm biến cơ thể

Danh sách các bảng

Bảng 1.1: Các dải tần dành cho các ứng dụng trong Công nghiệp, Khoa học và Y

tế 7

Bảng 2.1: So sánh các giao thức Bluetooth, UWB, ZigBee, Wi-Fi 17

Bảng 2.2: Môt số hệ thống giám sát sinh lý hiện tại 20

Bảng 2.3: Các thông số 38

Bảng 2.4: Các thông số 45

Bảng 3.1: Tóm tắt kết quả 61

Bảng 3.2: Tổng quan về phần cứng 64

Danh sách các hình

Hình 1.1: Thành phần của nút cảm biến 2

Hình 1.2: Ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây 4

Hình 1.3: Giao thức định tuyến trong WSN dựa theo phân loại tiêu chuẩn 9

Hình 2.1: Hệ thống mạng cảm biến không dây điển hình cho các ứng dụng y tế 12

Hình 2.2: Khoảng thời gian cho một khung dữ liệu LIFS với ACK 28

Hình 2.3: Chuỗi truyền khung của IEEE 802.15.4 30

Hình 2.4: Tác động của Lpayload và N trong trung bình số lượng truyền lại back-off 32

Hình 2.5: Tổng thời gian back-off với kích thước tải trọng khác nhau 34

Hình 2.6: Ảnh hưởng của kích thước tải trọng và N lên trung bình trễ End-to-End 35 Hình 2.7: Ảnh hưởng của kích thước tải trọng và N về tỷ lệ giao gói tin trung bình 37

Hình 2.8: Giao thức mạng hình sao PRD của IEEE802.15.4 với số nút N 40

Hình 2.9: Giao thức mạng hình sao trung bình trễ End-To-End 802.15.4 với các nút N 40

Hình 2.10: Số lượng gói dữ liệu được gửi với đa dạng kích thước trọng tải dữ liệu trong cùng một khu vực mạng 41

Hình 2.11: Số lượng gói dữ liệu giảm với đa dạng kích thước trọng tải dữ liệu trong một cùng khu vực mạng 42

Hình 2.12: Trung bình trễ end-to-end đa dạng các kích cỡ tải trọng trong cùng một mạng lưới 43

Hình 2.13a: Kết quả tỉ lệ dữ liệu 47

Hình 2.13b: Trễ End-To-End chu kỳ các gói tin 48

Hình 2.13c: Tốc độ của giao gói của chu kỳ các gói tin 48

Hình 2.14a: Tỉ lệ dữ liệu của macMinBE 49

Hình 2.14b: Trễ End-To-End của macMinBE 50

Hình 2.14c: Tốc độ giao gói của macMinBE 50

Hình 2.15b : Trễ End-To-End của macMaxBE 52

Hình 2.15c : Tốc độ giao gói tin của macMaxBE 52

Hình 2.16a: Tỉ lệ dữ liệu của macMaxCSMABackoffs 54

Hình 2.16b: Trễ End-To-To của macMaxCSMABackoffs 54

Hình 2.16c: Tốc độ giao gói của macMaxCSMABackoffs 55

Hình 3.1: Tổng quan hệ thống cảm biến y sinh 57

Hình 3.2: Chuyển đổi của nhịp tim âm thanh với bit kỹ thuật số 58

Hình 3.3: Toàn bộ dữ liệu gói tin âm thanh nhịp tim 59

Hình 3.4: Lưu lại nhịp tim từ thiết bị Zigbee 802.15.4 60

Hình 3.5: Quản lý bộ đệm đôi để truyền và nhận dữ liệu 63

Hình 3.6: Thay đổi dòng chảy liên mạng để truyền dữ liệu ưu tiên 66

Hình 3.7: Các trường khung điều khiển (FCF) 68