基于LEACH协议的人体生理参数无线监测网络的实现

Realization of W ireless M onitoring Network Based on LEACH Protocol for Hu-man Physiological ParametersLI Cheng-gui1，2 ZHA0 Li-guo(1.Colege of Beihai，Beihang University，Beihai 536000，China；2.School of Instrumentation Science and Opto-electron·ics Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China)Abstract：Wireless human physiological parameters monitoring could real-time monitor the important physiological in--dices under the human motion state，could also analyze and prevent the motion dangerous.Therefore，it has the im-portant meaning in the sports medicine.This paper presents the realization of wireless monitoring network based onLEACH protocol for human physiological parameters.The basic idea of LEACH routing algorithms was introducedfirstly.The hardware circuits of ECG data acquisition node and blood oxygen acquisition node were designed and de-bugged.The paper focuses on the wireless monitoring network system based on NRF24L01.When finished the onlinedebugging of function modules and system，the heart rate and blood oxygen saturation values are tested and analyzed。

Key words：low energy adaptive clustering hierarchy (LEACH)protocol；ECG signal；blood oxygen；wireless sensor随着生物信息技术和航天技术的高速发展，针对航天员在运动状态下的生理参数实时监测尤为重要。由于传统的生理参数监测设备都是有线监测1]，无法完成对航天员在 自由运动状态下的生理参数监测，而运动状态下的生理参数包含了大量身体机能信息2。心电信号与血氧饱和度都是人体重要的生理参数，本文主要对这两种生理参数的采集进行了研究，并通过无线组网同时测试多个待测人员的生理参数信号，克服了传统有线监测仪对运动状态的束缚 ，同时保证了信号实时性、准确性。

1 LEACH路由算法描述LEACH协议是-种层次路由算法l31，LEACH路由算法使用 自适应成簇技术和簇头节点的轮换技收稿 日期 ：2013-0l-08：修订 日期 ：2013-02-19作者简介：李成贵(1964-)，男，博士，副教授 ，研究方向为计算机测控技术及仪器。

田 Automation＆Instrumentaion 2013(6)2.2 血氧采集节点设计血氧探头发射端采用的是 660nm和 905nm的发光二级管作驱动光源嘲，光敏二极管负责接收信号。首先保证驱动两个光源互不干扰 ，两路不同步PWM来控制二级管 ，驱动时序如图 3所示，驱动频率为 100Hz-R广] 广] 厂]i ； i i iRE。 广] 厂] 厂]图 3 血氧探头驱动时序Fig.3 Blood oxygen probe driving sequence血氧探头内部红外二极管正极接红光二极管的负极，负极接红光二极管的正极，这样在同-时刻只有-个二极管发光 ，同时为了提高驱动功率以及光源的稳定性 .还需要设计专门的血氧探头驱动电路 。

当红外光和红光穿过手指后.由于血红蛋白与氧合血红蛋白对两种光的吸收不同，则两种光透过的强度不-样，则光敏二极管接收到的信号也是不同的。由于光敏二极管得到的是电流信号，需通过I-V转换 ，得到相应的电压信号 ，为了得到较好的信号，对其进行了简单的滤波处理 ，电路如图 4所示3 无线传感组网设计3.1 组网成簇阶段设计本系统设计有五个被测用户，以每个被测用户为-簇，其身上所携带传感器为成员节点 ，即血氧节点和心电节点。成簇阶段 Sink节点和簇头节点的软件流程如图 5所示。

发送成簇广播消息竺N< - - - - - YJrY进入稳定通信阶段簇头奄发送成簇响应消息发送簇头广播消息发送TDMA广播消息发送成簇结束响应消息Sink节点工作流程图 主l进入稳定通信阶段簇 头节点工作流程 图图 5 Sink节点和簇头节点软件流程图Fig.5 Sink node and cluster headnodes software flow chaa3.2 稳定通信阶段设计稳定数据通信阶段完成整个网络的数据传输亨 GND GND GND GND图 4 血氧探头接收电路Fig.4 Receiving cimuit of blood oxygen probe signal任务。此阶段首先由Sink节点发送数据请求，当簇头节点接收到该数据请求后，再向各成员节点数据请求，各成员接收到请求后 ，按照 TDMA时隙表向囝簇头节点发送信息，簇头节点接收数据后，将数据融合并将数据发送到 Sink节点。其中稳定通信阶段采集节点软件流程如图 6所示。

AumaKon＆ j J咒册 砌 2013(( 塑)- - - 系统初始化- 切换为接收模式L--r--N< 参 土l启动时隙差定时舞动DMA AD采集!Yl切换为发送模式二][二 --- - - 启动无线发送--厂 N<叠Yl切换回接收模式-]图 6 采集节点软件流程图Fig.6 Data acquisition node software flow chart由于生理参数的特点 ，对各信号需要实时采集 ，所以对于数据通信阶段的实时性要求比较高，首先要保证信号的采样频率，其次保证各节点在 1 S内完成-次数据传输。下面以簇内血氧和心电节点为例.阐述本系统无线实时采集的实现方法。数据传输流水线如图7所示。

表 1 心率检测结果Tab.1 Heart rate test results测试者 1 2 3 4 5样机 87 85 84 85 83力康 88 87 87 88 85误差/(%) 1.1 2.3 3.5 3.4 2.4表 2 血氧饱和度测试结果Tab.2 Blood oxygen saturation test results测试者 1 2 3 4 5样机 95.33 97.67 95.72 97.26 95.53力康 96 98 95 97 95误差，(%) 0.69 0.34 0.76 0.28 0.56由测试结果可以看出，系统心率检测的最大误差为 3.5%，而血氧饱和度的最大误差只有 0.76%。

5 结语实现了基于 LEACH协议的无线生理参数传感请求 // K ～-/ PAK2 1、t/ PAK2 O～. CHO. CHIl CHO . CHlI CHOr 初始状态 1 .， .l 。

启动DMA l f 1 f f0 发送节点l数 据 发送节点l数 据 发送节点1Ja 据 发送节点1数. .1 l I I节点1 0 s启动 0.5 1.0 s 1.5 s 2.0 8的时隙差 D A 发送节2数据 发送节 2数据 发送节 2数据 发送节的时隙差图 7 数据传输流水线Fig.7 Data transmission time sequence两个 节点发送的数据包 分别 记为 PAK1和PAK2。其中CH0，CH1表示簇头节点接收相应节点的数据，其中每个节点在采集到-半时就向主机发送-次采集数据，主机接收到后就切换该节点的接收数据包。由时序图可以看出，通过包表示的状态就可以确定主机在何时接收哪个节点的数据包。其中每个节点 1 s内的数据由BUF0和 BUF1两个缓冲接收。

4 系统测试及分析最后利用样机对五位测试者进行了无线心率检测和血氧饱和度组网测试 ，标准设备采用的是力康指夹式血氧仪。测试结果分别如表 l和表2所示。

自动化s仪表 2013(6)网络，主要针对心电信号和血氧信号进行了采集和处理。系统不仅完成了对多用户生理参数组网监测，并保证了信号的实时性和准确性 。本无线传感网络的实现 ，可用于对多个航天员的生理参数实时监测.对航天医学监测数据 技术的发展具有较大意义。