Беспроводные распределённые сенсорные сети. Сенсорные сети: будущее человечества Время жизни сенсорной сети

Лисецкая С. Ю. БМП-107

Введение

На протяжении многих лет задача беспроводной передачи данных в ближнем поле представляла значительную проблему для разработчиков медицинских датчиков. В данной области исследований требуется использование современной технологии передачи данных для усовершенствования медицинского оборудования, позволяющего измерять такие характеристики пациента, как ЭКГ, уровень насыщения крови кислородом, уровень кровяного давления, вес, уровень содержания глюкозы в крови и т. п. Необходимость применения высокотехнологичных медицинских датчиков широко проявляется во всех областях медицины, где кабельные соединения приборов представляют большое неудобство для врачей, пациентов и обслуживающего персонала. Особенно остро эта проблема стоит в спортивной медицине, медицине сна, экстренной медицине и реанимации.

1.Распределенные сенсорные сети

Беспроводные сенсорные сети строятся из узлов, называемых моты (mote) - небольших автономных устройств с питанием от батарей и микрочипами с радиосвязью на частоте - например 2,4 ГГц. Специальное программное обеспечение позволяет мотам само организовываться в распределенные сети, связываться друг с другом, опрашивать и обмениваться данными с ближайшими узлами, расстояние до которых обычно не превышает 100 метров.

Рис.1 Датчики и принимаемое устройство

В англоязычной литературе такую сеть называют wireless sensor network (WSN) - это беспроводная сеть состоящая из территориально распределенных автономных устройств, использующих датчики для совместного контроля физических или экологических условий в разных районах.

Они могут изерять такие параметры, как температуры, звук, вибрации, давление, движение объектов или воздуха. Развитие беспроводных сенсорных сетей изначально было мотивированно военными задачами, например наблюдением за полем боя. В настоящее время беспроводные сенсорные сети используются все шире во многих областях гражданской жизнедеятельности, включая промышленный мониторинг и мониторинг окружающей среды, здравоохранение и контроль движения объектов. Область применения становится все шире.

Основные принципы работы:

Каждый узел сети: мот оснащен радиотрансивером или другим устройством беспроводной связи, небольшим микроконтроллером и источником энергии, обычно батареей. Возможно использование батарей солнечного освещения или других альтернативных источников энергии

Данные от отдаленных элементов передаются по сети между ближайшими от узла к узлу, по радиоканалу. В итоге с ближайшего мота пакет с данными передается на шлюз. Шлюз соединен, как правило, USB кабелем с сервером. На сервере - собранные данные обрабатываются, хранятся и могут быть доступны через WEB оболочку широкому числу пользователей.

Стоимость сенсорного узла меняется от сотни долларов до нескольких центов, в зависимости от размера сенсорной сети и ее сложности.

Аппаратное обеспечение и стандарты

Рис.2 Шлюз (2шт), соединен с ноутбуком кабелем USB. Ноутбук по UTP соединен с интернетом и выполняет роль сервера.

Аппаратное обеспечение беспроводного узла и протоколы сетевого взаимодействия между узлами оптимизированы по энергопотреблению для обеспечения длительного срока эксплуатации системы при автономных источниках питания. В зависимости от режима работы время жизни узла может достигать нескольких лет.

В медицине такие датчики могут быть имплантированы в тело пациента для непрерывного контроля функционирования внутренних органов и обеспечения, при необходимости лечения. В промышленности такие системы могут быть использованы на больших площадях для контроля влажности, температуры и бесконечного числа других параметров и способны обеспечить предсказание состояния производственных систем и инициацию процедур самовосстановления системы. Использование датчиков в военной технике позволит получать такую жизненно важную информацию, как наличие мин, ядовитых веществ или источников электромагнитного излучения не только для немедленного предупреждения об опасности, но и для изучения поведения техники на поле боя. Это позволит разработчикам усовершенствовать следующие поколения военной техники. Ключевыми элементами, позволяющими реализовать подобную технологию, являются обеспечение высокой плотности размещения и автономности датчиков за счет повышения степени интеграции (что включает в себя и миниатюризацию источников питания), использования высокоэффективных схем управления питанием, а также трансиверов, датчиков и остального схемного обрамления с микромощным энергопотреблением. Типичная структурная схема микродатчика с автономным питанием показана на рисунке 3.

В таких сенсорных системах используются датчики пьезорезистивные и тензорезистивные.

1. 2 Область применений

Применение WSN многочисленно и разнообразно. Они используются в коммерческих и промышленных системах для мониторинга данных, которые трудно или дорого контролировать с использованием проводных датчиков. WSN могут использоваться в трудно досягаемых районах, где они могут оставаться в течение многих лет (экологический мониторинг окружающей среды) без необходимости замены источников питания. Они могут контролировать действия нарушителей охраняемого объекта

Так же WSN используют для мониторинга, отслеживания и контроля. Вот некоторые приложения:

Мониторинг задымленности и обнаружение очагов возгорания с больших лесных массивов и торфяников

Дополнительный источник информации для Кризисных Центров Управления субъектов федерации РФ

Сейсмическое обнаружение потенциальной напряженности

Военные наблюдения

Акустическое обнаружение движения объекта в охранных системах.

Экологический мониторинг пространства и окружающей среды

Мониторинг промышленных процессов, использование в MES системах

Медицинский мониторинг

Автоматизация зданий :

2. Применение датчиков в медицине

Для чего необходимо знать температуру тела, пульс, артериальное давление? Во многих случаях эта информация жизненно важна для скорейшей диагностики какого-либо заболевания, для ухода за новорожденными детьми и пожилыми людьми. Всевозможные датчики пульса, давления и температуры востребованы и в спортивной среде они применяются для контроля над тренировочным процессом.

Датчики и охрана здоровья детей

Зеленый смайлик, умеющий превращаться в черную рожицу, может спасти жизнь тысячам детей. Если мордашка на диске улыбается это означает, что с новорожденным все в порядке, в случае почернения диска нужно бить тревогу. Устройство, предназначенное для измерения температуры тела у детей, называется Термоспот (ThermoSpot). Его изобретатель Джон Зил ( John Zeal ).

ThermoSpot, представляющий собой круглый диск диаметром 12 мм, выступает в роли жидкокристаллического индикатора гипотермии критического понижения температуры тела, являющегося одной из главных причин смерти среди новорожденных в странах третьего мира. Способ применения смайлика прост необходимо приклеить диск на кожу подмышки или на область шеи над ключицей. Если температура тела ребенка от 36,5 оC до 37,5 оC зеленый кругляшок улыбается, но чернеет при падении ниже 35,5 оC при таком охлаждении младенца необходимо согреть как можно быстрее, в противном случае ребенок умрет. Результаты экспериментов показали, что ThermoSpot так же точен при измерении температуры, как ректальные термометры.

ThermoSpot смайлик в действии
Устройство Boardbug Baby and Child Monitor также предназначено для контроля состояния здоровья младенца. Комплект состоит из двух терминалов детского и взрослого. Первый предназначен для ребенка и используется для снятия показаний, второй для предоставления данных родителям. Boardbug Baby and Child Monitor работает в двух режимах: наблюдение за младенцами и контроль за несколько повзрослевшими детьми. В первом случае на наручные часы одного из родителей передаются данные о температуре тела ребенка и транслируются звуки, издаваемые младенцем. Таким образом, потребность несения неусыпной вахты у кроватки малыша отпадает о пробуждении ребенка, о необходимости его перепеленать или покормить родитель узнает и на расстоянии.

Датчики в борьбе за жизнь человека
Неудобство стационарных приборов для измерения давления и пульса заключается в их сравнительно крупном размере. К тому же тяжело больной человек вряд ли сможет самостоятельно произвести все необходимые измерения. В таких ситуациях приходят на помощь альтернативные методы получения данных о состоянии здоровья человека. Например, изобретение британских ученых из компании Toumaz имеет небольшой размер и может крепиться к обыкновенному медицинскому пластырю. Микрокомпьютер состоит из миниатюрного кремниевого чипа и датчиков, которые контролируют температуру тела, уровень кровяного давления, содержание глюкозы в крови и пр. Вся информация, собираемая устройством, передается на мобильный телефон или КПК, затем отсылается на центральный компьютер и помещается в базу данных. Доступ к этой информации могут иметь лечащий врач или родственники больного. При помощи цифрового пластыря можно следить за самочувствием пожилых людей.
В дальнейшем ученые планируют расширить функциональность устройства, внедрив в него датчик движения. С его помощью можно будет отслеживать различные происшествия, происходящие с владельцем устройства падения или отсутствие активности длительное время.

Компания Nexense разработала технологию, позволяющую при снятии сигнала с различных датчиков улучшить соотношение сигнал/шум в 10 тысяч раз. На основе этого усовершенствования компания занялась созданием медицинских датчиков, измеряющих пульс и дыхание, температуру тела, кровоток и другие параметры человека без прикосновения и на значительном расстоянии.

Одно из изделий Nexaver представляет собой тонкий пластмассовый лист, помещаемый под матрас. Устройство предупредит родственников больного и персонал медицинского учреждения об опасном изменении сердечной деятельности или дыхания человека. Этот аппарат может предотвратить внезапную смерть грудного ребенка во сне или спасти жизнь человеку, у которого случился сердечный приступ.

За состоянием здоровья человека отныне будет следить и его нижнее белье. Датчики беспроводного контроля самочувствия человека от компании Philips могут размещаться в нижнем белье и оттуда вести непрерывный мониторинг пульса и температуры тела. Именуемые сухими электродами датчики вшиваются в лиф, трусы или в пояс. Важно, что вещи можно стирать вместе с электронной начинкой.

Вся информация собирается и записывается в специальном модуле. Устройство снабжено встроенной памятью в 64 МБ. Это позволяет записывать данные в течение трех месяцев.

Датчик, размещающийся в нижнем белье своего владельца

Британские исследователи в Imperial College London намерены использовать компьютеризированные сенсоры-имплантанты с процессором Pentium для мониторинга состояния здоровья пациентов. Для передачи информации об изменениях в организме пациента применяется модуль беспроводной связи Bluetooth и канал мобильной связи. Отправляемые устройством лечащему врачу SMS-сообщения будут содержать информацию об уровне сахара в крови, если он понизится до критической отметки. Также сенсор, устанавливаемый под кожу больного, фиксирует повышенное кровяное давление и гипотермию. В будущем разработчики планируют связать сенсор с аппаратом подачи инсулина, управляемым врачом.

Датчики и спорт

Казалось бы, зачем спортсменам не жалующимся на здоровье молодым людям нужны датчики температуры тела, артериального давления и пульса? Оказывается, для контроля состояния организма во время интенсивной тренировки им необходимо знать показания этих медицинских приборов. Помимо классических термометров, тонометров и других приборов, спортсмены и люди, ведущие спортивный образ жизни, применяют специальные часы, беспроводные датчики и т. п.

Особенно интересной является разработка итальянской лаборатории Grado Zero Space. Исследователи создали куртку с подогревом, оснащенную четырьмя датчиками, измеряющими температуру тела.

Изделие предназначено для автогонщиков и мотоциклистов. В куртку вшиты микропроцессор и жесткий диск, которые контролируют температуру при помощи пяти мини-обогревателей. Для каждого пользователя уровень подогрева задается индивидуально. Ранее этой же лабораторией была разработана куртка с абсолютно противоположным действием она охлаждает тело. Вместо обогревателей разработчики поместили в эту куртку специальные емкости с гелем, поддерживающим низкую температуру. Изделие также измеряет температуру тела владельца.

Куртка с подогревом и датчиками, измеряющими температуру тела

Компания Suunto выпустила часы n6-HR, имеющие встроенный датчик для измерения пульса человека. Данная модель позволяет выставлять два предельных значения этого показателя. В случае, если тренировка слишком интенсивна для спортсмена, часы оповестят его об этом. Также n6-HR позволяют программировать три тренировочных режима. Часы имеют и околоспортивные функции, к примеру, стекло с повышенной твердостью, водонепроницаемый корпус с возможностью погружения на глубину до 100 м.

Кроме того, спортсменами наверняка будет востребован и цифровой пластырь от компании Toumaz, о котором говорилось выше.

Часы Suunto n6-HR с датчиком для замера пульса человека

Датчики измерения артериального давления, температуры, пульса, уровня сахара в крови жизненно необходимы для людей с тяжелыми заболеваниями, так как позволяют выявить ухудшение самочувствия и диагностировать приступ болезни. Сенсоры, измеряющие температуру тела, чрезвычайно важны для предотвращения детской смертности. Для регуляции интенсивности тренировки и во избежание перегрузок спортсмены также прибегают к использованию всевозможных датчиков.

Эти приборы и многие другие, находящиеся на стадии разработки и усовершенствования, диагностируют и предупреждают заболевания. И, как следствие, помогают человеку следить за своим здоровьем.

3. Технология беспроводной передачи Bluetooth

Учитывая хорошие характеристики в области энергопотребления, диапазона, безопасности данных, а также сетевых возможностей для передачи результатов измерений была выбрана единая стандартная технология беспроводной передачи Bluetooth.

Поскольку цифровые данные пересылаются на приемную станцию с использованием технологии Bluetooth, первичная обработка измерений может осуществляться непосредственно в датчике, а не в мониторе.

В данном пункте рассматриваются приборы, использующие технологию Bluetooth: Bluetooth-ЭКГ, Bluetooth-пульсоксиметр, Bluetooth-пикфлоуметр, а также «событийный регистратор» на основе Bluetooth. С одной стороны, использование данных приборов позволяет системно наблюдать пациентов в режиме on-line (ЭКГ, пульсоксиметр). С другой стороны, данные приборы могут быть интегрированы в комплексные лечебные программы (пикфлоуметр) и могут использоваться для мониторинга пациентов высокой степени риска в домашних условиях (поясное носимое записывающее устройство).

Стандартная методика проведения медицинских измерений предусматривает проводные соединения датчиков (зачастую пациента полностью опутывают кабелями). Во многих системах каждый электрод или датчик подсоединяется к монитору с помощью отдельного кабеля. Все эти провода ограничивают движения пациента, а передаваемые сигналы изобилуют искажениями из-за перемещений кабелей и наличия электромагнитной интерференции.

Одним из практических примеров проблем, вызываемых наличием кабельных соединений, может служить отведение 12-канальной ЭКГ в эргометрии. Запись ЭКГ под нагрузкой происходит во время тренировки на велотренажере или беговой дорожке. Из-за движений пациента в проводах, располагающихся между пациентом и монитором, возникают наводки и появляются искажения сигналов. В дополнение к сказанному следует отметить, что пациент не в состоянии свободно двигаться на эргометре из-за кабелей, подсоединенных к ЭКГ-монитору.

Более сложные измерительные деривационные системы используются в экстремальной медицине и реанимации. В данной области параллельно используется множество датчиков, информация с которых отображается на одном мониторе. Стандартный инструментарий, применяющийся здесь, включает 3-канальный ЭКГ, пульсоксиметр и оборудование для измерения уровня кровяного давления. Нетрудно предположить, что все эти кабельные соединения мешают свободному движению пациента и приводят к появлению артефактов в измерениях (рис. 4).

Рис. 4 . Пример классического отведения сигналов в реанимации

В настоящее время кабельные соединения между датчиком и монитором заменяются беспроводными технологиями передачи данных. При выборе такой технологии необходимо принимать во внимание экстремальные условия «окружения». Функционирование датчиков должно быть гарантировано даже в случаях, когда, например, тучный пациент, находящийся в лаборатории сна, лежит непосредственно на передатчике, таким образом полностью его экранируя. Помимо этого, должны соблюдаться требования к безопасности передачи данных (рис. 5).

Рис. 5 . Беспроводной мониторинг

Структура беспроводных измерительных датчиков

Современные системы отведения включают электрод или датчик на теле пациента, кабель и систему обработки измерений в приемнике (рис. 6). Соединительный кабель вполне возможно может быть длиной в несколько метров. Слабые аналоговые сигналы датчика, проходящие эти несколько метров кабеля, подвержены воздействиям помех от различных источников. Достигнув монитора, аналоговые сигналы, находящиеся в милливольтном диапазоне, затем усиливаются, фильтруются и впоследствии оцифровываются аналого-цифровым преобразователем. Приобретя цифровую форму, данные измерений могут быть обработаны и показаны на мониторе.

Рис. 6 . Блок-диаграмма передачи медицинских данных

Поскольку приборы не могут снабжаться энергией через обычные кабели, в качестве единственного энергетического источника рассматриваются обычные или перезаряжаемые батареи. Чтобы разрабатываемый прибор не стал слишком громоздким, все его компоненты должны быть разработаны и интегрированы на высоком техническом уровне для минимизации энергопотребления. Только такой прибор будет удобен для ношения пациентом, что будет его главным преимуществом перед классическими системами.

В качестве источника питания могут использоваться обычные АА и ААА батареи или перезаряжаемые батареи Li-Ion.

Выбор технологии передачи данных

Поскольку в медицинских аппаратных системах нельзя гарантировать соединения в пределах прямой видимости, вопрос беспроводной передачи данных сосредотачивается на радиоволновом диапазоне. Также рекомендуется использовать стандартизованную форму передачи данных. В процессе выбора технологии также необходимо учитывать, что на мониторе должен быть визуализирован не один прибор. Например, в экстренной медицине необходимы одновременно сигналы ЭКГ, пульсоксиметрические параметры, а также данные об уровне кровяного давления. Если, однако, разработчик принимает решение не в пользу стандартизованной формы, то все вышеперечисленные проблемы необходимо будет решать самостоятельно.

Одним из стандартов радиосвязи, который применяется в медицинских учреждениях, является Wireless LAN. Wireless LAN, в основном, применяется в случаях, когда в помещении необходимо построить стационарные беспроводные коммуникационные сети с большими полосами частот и расстоянием 30-100 м. Поэтому в медицинских учреждениях, не имеющхе интерфейса Ethernet, имеют вход в местную сеть через Wireless LAN. Из-за высокой частоты несущей и большой полосы пропускания уровень энергопотребления является очень высоким, что делает Wireless LAN неприемлемым для использования в беспроводных медицинских датчиках.

Технология Bluetooth широко используется во многих областях. Этот стандарт изначально использовался для соединения компьютеров, а также мобильных телефонов и периферийных устройств. Данная технология применяется также в беспроводных телефонных гарнитурах.

В разработках часто возникает необходимость одновременного подключения нескольких периферийных устройств (например, мышь, клавиатура и принтер). Использование технологии Bluetooth позволяет одновременно работать с 7 терминальными устройствами. В медицине необходимо также, чтобы связь с данными устройствами была свободной от ошибок. Исследования этой проблемы показали, что ошибки передачи, возникающие на уровне радиоканала, полностью исправляются, так что на пользовательском уровне их не возникает.

В настоящее время технология Bluetooth является наиболее доступной, эффективной и приемлемой в плане энергопотребления. На сегодняшний день эта технология является единственным качественным инструментом для применения в беспроводных медицинских датчиках.

BlueЭКГ является мобильным компонентом прибора Bluetooth — ЭКГ, который может применяться для беспроводных измерений по 3, 6 или 12 ЭКГ-каналам (рис. 7). Модуль Bluesense используется в качестве интерфейса Bluetooth.

Рис. 7 . Bluetooth-ЭКГ

Bluetooth-ЭКГ был разработан для использования в системах, осуществляющих мониторинг в режиме «онлайн». В первом варианте (3-канальная ЭКГ) осуществляется отведение по Эйнтховену с использованием 4 электродов. Путем конфигурирования программы монитора 3-канальная ЭКГ может быть расширена до 6-канальной.

Второй вариант — 12-канальная ЭКГ с 3 отведениями по Эйнтховену, 3 — по Гольдбергеру и 6 — по Вильсону. Помимо простейшей передачи ЭКГ-каналов, на мобильной части определяется комплекс-QRS, измеряется качество контакта электрода и пульс синусового узла сердца, а также интегрирована дефибрилляционная защита от импульсов дефибриллятора.

В процессе длительного мониторинга данные измерений передаются в реальном времени на центральную систему (например ПК, PDA, специальный монитор). В случае, если по какой-то причине связь была прервана во время передачи данных, информация сохраняется во внутренней памяти передатчика. После этого в течение 5 минут восстанавливается связь, и сохраненные данные синхронизируются с получающей системой. Применение данного прибора позволяют гарантировать полный мониторинг, даже в случаях, когда пациент случайно оказывается за пределами диапазона приема.

Характеристики работы сердца, а также текущий уровень контакта каждого электрода показываются непосредственно на дисплее прибора. В ограниченном режиме на дисплее не показываются характеристики работы сердца, однако его символическое изображение, пульсирующее с текущей частотой, остается на дисплее. В случае обнаружения комплекса QRS в дополнение к соответствующему изображению подается акустический сигнал.

Прибор BlueЭКГ может подавать сигнал при появлении каждой R-волны.

BlueOxy — Bluetooth-пульсоксиметр

Пульсоксиметр BlueOxy представляет собой компактное независимое пульсоксиметрическое устройство, предназначенное для ношения на руке пациента (рис. 8). Данное устройство позволяет производить неинвазивные измерения уровня насыщения артериальной крови кислородом (SpO2), а также измерения пульса пациента. Помимо измерений пульса и SpO2, на гистограмме интегрированного дисплея показывается уровень качества сигнала.

Рис. 8 . Bluetooth - Пульсоксиметр

Для проведения долгосрочного мониторинга пациента имеются режимы «оффлайн» и «онлайн». В режиме «онлайн» данные измерений передаются на главную систему (например, ПК, PDA, монитор) в реальном масштабе времени, моментально оцениваются и сохраняются. Так же, как и прибор BlueЭКГ, в случае перебоев соединения BlueOxy сохраняет данные в буфере. Однако, в отличие от первого примера, здесь возобновление соединения происходит в течение 15 минут, а не 5, после чего сохраненные данные передаются на систему мониторинга. В режиме «оффлайн» данные измерений сохраняются во внутренней памяти с указанием даты, времени и идентификационного номера пациента. Эти данные могут анализироваться автономно и позднее обрабатываться с помощью соответствующего программного обеспечения на ПК.

Регистратор событий CorBELT/BlueBELT для мониторинга пациентов высокой степени риска

Регистратор событий BlueBELT представляет собой систему для длительного мониторинга в домашних условиях пациентов высокой степени риска, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями (рис. 9).

Рис. 9 . Регистратор событий CorBELT/BlueBELT для мониторинга состояния пациентов высокой степени риска

Для того чтобы необходимая медицинская помощь была оказана оперативно, в случае, например, критического состояния сердца, на груди пациента с помощью ремня фиксируется прибор, весящий всего 120 г, который способен анализировать в постоянном режиме данные ЭКГ. Если поясное устройство обнаруживает данные пациента, угрожающие жизни, автоматически устанавливается связь с базовой станцией по технологии Bluetooth. Базовая станция, установленная в квартире пациента, при получении сигнала от прибора выдает опто-акустический сигнал тревоги, который предназначен для членов семьи пациента или обслуживающего персонала. Данная схема гарантирует пациенту оказание своевременной медицинской помощи и, как следствие, спасение жизни.

В дополнение к тревожному оповещению членов семьи или обслуживающего персонала базовая станция автоматически устанавливает телефонную связь с электронной базой данных пациента в медицинском учреждении и передает данные о состоянии пациента за 10 с до события, а также за 10 с, последовавших позднее. Одновременно ЭКГ-данные автоматически пересылаются в центр слежения за пациентом и службу скорой медицинской помощи, где специалистами проводится анализ данных и, например, в случае обнаружения опасного состояния, оповещается специалист неотложной медицинской помощи.

По сравнению с существующими системами, прибор BlueBELT принимает и передает сигналы тревоги в критических кардиологических случаях, что дает пациенту высокой степени риска чувство защищенности и уверенности. Применение технологии Bluetooth в профилактике заболеваний можно рассмотреть на примере использования Bluetooth-пикфлоуметра.

Беспроводные медицинские датчики в домашнем мониторинге успешно работают в медицине сна, диализе, а также при мониторинге пациентов высокой степени риска, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями. Более того, существуют варианты для применения беспроводной измерительной регистрации для профилактики заболеваний в области конгестивной сердечной недостаточности, высокого кровяного давления, диабета, а также астматических заболеваний и хронических обструктивных легочных заболеваний.

В программах профилактики заболеваний и домашнего мониторинга, проводимых в настоящее время, используются дневниковые записи, телефонные интервью, а также передача данных через модемы или акустические устройства связи для регистрации измерений. Проведение этих программ требует большого количества персонала, а также отличной технической квалификации в отношении контролируемого пациента. Вполне вероятно, что вследствие определенного количества эксплуатационных ошибок, здесь могут передаваться не вполне корректные данные.

При применении беспроводных датчиков пользователю не нужно заполнять какие-либо формы, нет кабелей соединения между прибором и модемом, и нет необходимости прижимать датчики к телефонной трубке для акустической передачи данных. Данные после измерений могут автоматически передаваться в беспроводном режиме на соответствующим образом оборудованный модем, не беспокоя пациента. Такой модем устанавливается единожды, и затем получаемые данные могут передаваться оператору программы. В зависимости от варианта применения данные могут пересылаться через аналоговый модем, либо посредством GSM-соединения, либо с использованием SMS-сообщений (рис. 10).

Рис. 1 0 . Концепция мониторинга пациентов с заболеваниями астмы и легочными заболеваниями

Рассматриваемый здесь пикфлоуметр устанавливает соединение (Bluetooth master) с мобильным телефоном после проведения измерений и посылает SMS-сообщение на принимающий сервер. Затем эти данные автоматически анализируются оператором программы профилактики заболеваний. При обнаружении значений, превышающих допустимые, с контролируемым пациентом устанавливается связь, либо он направляется в соответствующее медицинское учреждение. Данная схема взаимодействия с пациентом будет способствовать выявлению отклонений в здоровье пациента на ранних стадиях развития заболевания и у него появится возможность своевременного обращения к специалисту.
Заключение

Рассмотренные датчики демонстрируют уровень существующих в настоящее время разработок медицинских приборов с применением технологии Bluetooth. В настоящее время имеется возможность создания на их основе систем для проведения «онлайн»-мониторинга, мониторинга пациентов высокой степени риска, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями, а также повышения эффективности существующих и планируемых программ профилактики заболеваний.

Все представленные датчики и приборы минимизируют неподвижность пациента и его обслуживающего персонала, а также способствуют снижению ошибок передачи информации с датчиков.

Более того, данные новые подходы к мониторингу пациентов в их домашних условиях позволяют реализовывать концепции, которые не были возможны в прошлом.

В таких областях, как спортивная медицина, медицина сна, экстренная медицина, реанимация, а также мониторинг в домашних условиях, у врачей и обслуживающего персонала появляется больше уверенности в проведении обычных процедур.

Обычный аналоговый модем с Bluetooth-приемником, установленный в доме пациента, превращается в приемную станцию. Это выгоднее, чем использование связи GSM или SMS. Для мобильных вариантов применения мобильные телефоны и смарт-фоны могут выполнять роль подходящих принимающих станций. С этих принимающих станций данные идут на веб-сервер, который осуществляет оценку измерений с возможной постановкой диагноза. Подобным образом реализуются медицинские порталы, позволяющие осуществлять интегрированное наблюдение за пациентами в рамках программ профилактики заболеваний.
Список литературы:

1. Дж. Фрайден. Современные датчики. Справочник. Москва: Техносфера, 2005. - 592 с .
2. Компьютерные сети | WSN http://193.200.95.46/ index. php/Беспроводные_распределённые_сенсорные_сети
3. Габриель Ринсин-Мора , Джастин Вогт . Беспроводные датчики с автономным питанием, 2007
4. Елена Ващилко. ИТ в медицине, На страже здоровья http:// www. ci. ru/ inform14_05/ p_24. htm

1. Мур Клаудиус, Чудовский Игорь.Беспроводные технологии, 2006 вып.2 http://www.wireless-e.ru/articles/technologies/2006_2_53.php

«Реализация распределенного алгоритма балансировки трафика в сенсорной сети для увеличения времени жизни И.В. Воронин, М.Д. Хоменко...»

Реализация распределенного алгоритма балансировки трафика в

сенсорной сети для увеличения времени жизни

И.В. Воронин, М.Д. Хоменко

Институт проблем лазерных информационных технологий РАН

140700, МО, г. Шатура, Святоозерская д.1

Аннотация

Сенсорные сети все бол ьше занимают сво е место в прил ожениях

мониторинга ра зличных мест и событий. Особенность ю т аких

сетей является необходимость экономить огр аниченный заряд

бат ар еи. Один из способов эко номии – это эфф ективна я

мар шрутизация. Рабо та посвящ ена распред ел енному алгоритму мар шрутизации дл я бал ансировки тра фика в сенсорной сети. Он позволяет продлить время жизни сенсорной сети мо нитор инга, гд е ва жна информация ка ждого узл а.

Введение В связи с развитием элект ро ники и бе спр оводной связи в двадцать первом веке появил ась возможно ст ь р азвит ия бе спр овод ных распр еделенных с енсорных с етей (Р СС). РСС отличают ся от обычных сетей огр аниченным энерго ре сур сом, низкой вычислит ельной мо щно стью, необход имо стью более плотного расположения, и низкой ценой одного узла. Эти о собенно сти от дру гих с етей (например, сотовых) опр еделяют новые цели и зад ачи применения Р СС. Бе спроводные с ен сор ные с ети полу чили широко е применение во многих с ферах деятельно ст ь че ловека, и по этому к ним с ейчас уделяет ся огромно е внимание, как со сторо ны научного сообще ства, т ак и промышленно сти. Опубликовано и проводит ся множе ство научных р абот по исследованию проблем уст ановки и работы РСС.

Распр еделенная с енсорная с еть со стоит из множе ства дешевых, авто номных, много фу нкцио нальных у злов (мотов), которые находят ся в зоне мониторинга. Каждый узел со стоит из набора блоков, т аких как: с енсор, используемый для получения данных от окружающей ср ед ы, блок приема-передачи данных, микроконт роллер для о браб отки и упр авления сигна лами и источник энергии. Проце ссор пит ает ся от авто номной бат ареи с конечным энергоре сур сом, что приводит значит ельным ограничениям в энергопот реблении. Обслуживание с ен сор ных узло в, замена бат арей пит ания т ребу ют значительных зат рат в о собенно сти, когда узлы расположены в т руд нодо ступных ме ст ах, т ак что большин ство с ен сорных с ет ей являет ся необслуживаемыми и работ ают до истощения бат ар еи. Это сво йство с енсор ных с етей являет ся очень важным при разр аботке а лгор ит мов маршрутизации в Р СС.

Рисунок 1: Построение сети, путем опроса Ст андартный а лгоритм по зволяет ст роить маршрут на о сновании запро сов и ответов. Координато р с ет и (1, рис 1)- отправляет широковещательный запро с HE LLO и принимает от вет ы от Роу теро в (2) Каждый роутер, т акже отправляет широко вещат ельный запро с и полу чает ответы от со с едних уср ойств, это могут быть дру гие роут еры или конечные у ст ройст ва (3). На о снове принятых ответов (силе сигна ла, времени ответ а) выст раивает ся коо рдинатором т аблица мар шрутизации на каждом роутер е. Да лее выбо р мар шрут а о суще ствляет ся в ст андартном а лгоритм е - пу тем опр ед еления ве сового графа с минимальным суммарным значением.

Как пр авило, с енсор ные у злы оборуду ют ся од нотипными уст р ойствами с опр еделенным набором функций. По сле у ст ановки в проце сс е эксп луат ации с енсор ные узлы д олжны с ами организоват ься в комму никационную с еть, где каждый узел использует только те функции, которые необходимы для решения по ст авленной задачи. Мар шрутизация т ак же происходит в автоматиче ском режиме. Помимо первичной мар шрутизации т ребует ся еще регулярно е пере ст ро ение с ети, потому что уст р ойства часто могут выходит ь из ст роя по причинам связанным с внешними или внут ренними факто рами.

Работ а каждого с ен сорного узл а направлена на измерение различных парамет ро в среды, н апример температуры, давл ения, о свещенно сти и других. Тако е разнообразие парамет ров влечет за собо й различны е с феры применения, начиная мониторингом окружающей ср еды, заканчивая во енными применениями.

Сенсорные с ет и выполняют р азличные задачи, котор ые можно грубо разделить на две категор ии. Первая категория задач связана с детекцией событий, котор ые прои сходят очень редко, но т ребуют немедл енного оповещения и/или обнаружения ме стонахождения. Во вто рую кат егорию (монито ринг) вход ят задачи непрерывного измерения, какой либо величины в течение д лительного промежутка вр емени. Зд е сь время задержки может быть равно характерному вр емени и змен ения изм еряемого парамет ра. Мониторинг может проводиться точечно, либо по какой-либо площади. При точечном измерении о сно вная часть у злов играют роль передат чиков, и лишь не значительная часть нодов непо сред ственно о сущ е ствляет монито ринг.

Рисунок 2: Кл ассификация способов сохранения энергии Суще ст вует множе ство спо собо в экономии элект ро энергии узлов. В обзоре приведена их классификация, предст авленная на рису нке

1. Вс е спо собы сох ранения можно разделить на т ри большие группы

– это сохран ение энергии при помо щи циклов работы, о сно ванные на количе стве переда ваемой информации и на мобильно ст и. К циклам р аботы отно сят конт р оль топологии и управлени е энергопот реблени ем. Конт роль тополо гии направлен на использовани е или уменьшение избыточных связей в с ети в целях эко номии ре сурс а. Упр авлять пот р ебл ением можно применяя различные энерго с берегающие MAC протоколы и режимы работ ы уст р ойств. Второй класс спо со бов сохранения энер гор е сурс а о снован на количе стве перед аваемой информации, а т ак же на полу чение этой информации экономичными спо собами. Энергия пот раченная на обработку информации не сравнимо меньше т ребующей ся для ее передачи, по этому использует ся внут ри-с етевая обработ ка данных, сжатие или пр едсказание д анных. Так же использу ют ся мо бильные стоки или рет р ансляторы для экономии элект ро энер гии узло в сенсорных с етей.

В данной работе р ассмат р ивает ся разр аботка экономных алго ритмо в мар шру тизации си стем мониторинг а, провер ке разр абот анных а лгор ит мов в применение на пр едприятии. В первой с екции описывают ся изве стные а лгоритмы маршрутизации. Вторая описывает разр абот анный алгоритм маршрут изации, показан спо соб продления времени работы при помощи этого а лгоритма, оцен ено ре ально е время работы с енсорно й с ети бе з обслуживания. Эт а оценка экспер имент а льно провер ена на ре альной с енсо рной сети и позволяет судить о зат рат ах связанных с обслужи ванием распр еделенной с енсорной с ети.

1. Существующие методы маршрутизации в РСС Суще ст вующи е методы мар шрутизации можно разд елить на не сколько кат егорий прямая, иерар хиче ская и маршрут изация в зависимо сти от географиче ского положения. Прямая маршрутизация подр азумевает перед ачу соо бщений от узла к узлу в с ети где, каждый у зел выполняет од инаковую функцию пер едачи и/или рет р анс ляции, в отличие от иерар хиче ско й, где выделяет ся узел с бора и обр аботки информации. Минус прямой маршрут изации в том, что с ети собирающие информацию с какой-то области будут по сылать множе ство избыточной информации, о собенно при значительной плотно сти с енсо рной с ети. Для то го что бы избежать изб ыточно сти информации использу ют специ альные алгоритмы, направленные на получение информации не от узлов, а от опр ед еленной области сет и. Например, в раб оте о пис ан алгоритм SPIN 1, где б азовая ст анция по сы лает запро с к определенному региону с енсорной с ети. Получив запро с, у злы област и выполня ют т ребо вание запро с а, локально обменивают ся данными и по сылают обратно о бобщенный ответ.

При иерархиче ско й же мар шру тизации для сбор а и обработки т ребует ся использовать узлы с большим запасом энер гии, что хотя и позволяет экономить на передачи уже обр абот анных данных значительно меньшего объема зачасту ю не приемлемо ввиду од но родно сти используемых приборо в или других т рудно ст ей. Д ля что бы не использоват ь специа лизиро ванные узлы суще ст вуют не сколько т ехнологий. Например, в работе опис ана технология LE ACH 2, когда функцию сбора пр инимает поочередно не сколько узло в с енсор ной с ети выбираемых по опред еленному а лгор ит му, тем с амым распред еляя нагрузку узла с бора.

Мар шру тизация в зависимо сти от географиче ского положения т ак же еще называет ся геомет риче ская маршрутизация, потому что для нахождения маршрут а использует ся геом ет риче ско е напр авление на базовую ст анцию.

При т акой маршрутизации каждый узел пер едает сообщение сво ему со седу, у которо го географиче ско е положени е ближе к стоку. Помимо маршрутизации в географиче ских коо рдинат ах суще ствует мар шрутизация по виртуа льным коо рдинат ам , котор ые выст раивают ся не только в зави симо ст и от ре ального положения узла, а т ак же и учитывают е сте ственные неровно сти поверхно сти, препят ствия, уровень кана ла пер едачи и др.

SPIN - Sensor Protocols for Information via Negotiation LEACH - Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy Так же су ще ствует мно го потоковая маршрутизация, где до ст авка сообщения от одно го узла возможна по не скольким путям. В по следнее время появляет ся большо е количе ст во р абот по мар шру тизации обзо р, котор ых можно по смот реть в работ ах по запро су у базо во й ст анции. Пер вые работы (н апример ) по мар шру тизации были напр авлены на нахождение кр атчайшего пути, подд ержание его с учетом плохого канала и выхода из ст р оя у злов.

Однако узлы р асположенные на кр атчайшем расстоянии часто быст ро истощают ся что пр иводит к обрывам связи и уменьшени ю вр емени жизни с ети, кото ро е часто понимает ся, как время жизни первого вышедшего из ст роя у зла. По этому в по следних работ ах }