可穿戴计算:基于人体传感器网络的可穿戴系统建模与实现

本书关注基于人体传感器网络(BSN)编程的高级方法。支持读者开发自己的BSN应用/系统，并涵盖BSN的新兴主题，如协作BSN、BSN设计方法、自主BSN、BSN与普及环境的集成以及BSN与云计算的集成。本书提供了一个真实的BSN原型的描述，并包括更多实际应用的案例研究。

詹卡洛？福尔蒂诺（Giancarlo Fortino），意大利卡拉布里亚大学信息学、建模、电子和系统学系的计算机工程教授，他于2000年获得卡拉布里亚大学的计算机工程专业博士学位。他的研究兴趣包括基于智能体的计算、无线（人体）传感器网络和物联网，他通过国际期刊、会议和书籍发表了350多篇论文。他是意大利国家研究委员会ICAR研究所的高级研究员，是SenSysCal S.r.I.（附属于卡拉布里亚大学，专注于创新物联网系统）的联合创始人兼首席执行官，还是武汉理工大学的兼职教授。他目前是IEEE SMCS BoG的成员，是IEEE SMCS意大利分会的主席。

前言致谢第1章  人体传感器网络 11.1  介绍 11.2  背景 11.3  典型的移动健康系统架构 41.4  传感器节点的硬件架构 51.5  通信媒介 61.6  功耗考虑 61.7  通信标准 71.8  网络拓扑 91.9  商用传感器节点平台 111.10  生理信号和传感器 131.11  BSN应用领域 151.12  总结 17参考文献 17第2章  BSN编程框架 202.1  介绍 202.2  开发BSN应用 202.2.1  特定于应用和平台的编程 212.2.2  自动代码生成 222.2.3  基于中间件的编程 222.2.4  编程方法的比较 242.3  编程抽象 252.4  BSN框架需求 272.5  BSN编程框架 302.5.1  Titan 302.5.2  CodeBlue 312.5.3  RehabSPOT 312.5.4  SPINE 312.5.5  SPINE2 312.5.6  C-SPINE 322.5.7  MAPS 322.5.8  DexterNet 322.6  总结 32参考文献 33第3章  节点环境内的信号处理 363.1  介绍 363.2  背景 363.3  动机和挑战 373.4  SPINE框架 373.4.1  架构 383.4.2  程序设计视角 413.4.3  可选的SPINE模块 413.4.4  高级数据处理 413.4.5  多平台支持 433.4.6  总结 45参考文献 45第4章  BSN中的面向任务编程 464.1  介绍 464.2  背景 464.3  动机和挑战 474.3.1  对独立于平台的中间件的需求 474.3.2  设计面向任务的框架面临的挑战 474.4  SPINE2概述 484.5  SPINE2中的面向任务编程 504.6  SPINE2节点端中间件 524.7  SPINE2协调器 544.8  SPINE2通信协议 544.9  在SPINE2中开发应用程序 564.10  总结 57参考文献 57第5章  自主人体传感器网络 585.1  介绍 585.2  背景 585.3  动机和挑战 595.4  近期新技术 595.5  SPINE-*：基于任务的自主架构 615.6  自主身体活动识别 645.7  总结 68参考文献 68第6章  面向智能体的人体传感器网络 706.1  介绍 706.2  背景 706.2.1  面向智能体的计算和无线传感器网络 706.2.2  Sun SPOT（MAPS）移动智能体平台 726.3  动机和挑战 746.4  近期新技术：描述与比较 766.5  BSN领域基于智能体的建模和实现 786.6  基于智能体的工程化BSN应用：案例研究 796.7  总结 82参考文献 82第7章  协同人体传感器网络 857.1  介绍 857.2  背景 857.3  动机和挑战 867.4  近期新技术 887.5  协同BSN参考架构 897.6  C-SPINE：一个CBSN架构 917.6.1  BSN间通信 937.6.2  BSN接近检测 947.6.3  BSN服务发现 957.6.4  BSN服务选择和激活 957.7  总结 96参考文献 96第8章  集成人体传感器网络与楼宇网络 988.1  介绍 988.2  背景 988.2.1  楼宇传感器网络和系统 988.2.2  楼宇管理框架 1018.3  动机和挑战 1018.4  集成的层次 1038.5  近期新技术：描述与比较 1048.6  一种基于智能体的集成网关 1058.7  应用场景 1088.8  总结 110参考文献 110第9章  集成可穿戴与云计算 1129.1  介绍 1129.2  背景 1129.2.1  云计算 1129.2.2  传感器流管理架构 1139.3  动机和挑战 1149.3.1  BSN挑战 1159.3.2  BSN/云计算集成的挑战 1169.4  云辅助BSN参考架构 1179.4.1  传感器数据采集 1189.4.2  传感器数据管理 1199.4.3  可扩展的处理框架 1199.4.4  较为性存储 1199.4.5  决策过程 1209.4.6  开放标准和高级可视化 1219.4.7  安全 1219.5  近期新技术：描述与比较 1229.5.1  WSN与云计算的集成 1229.5.2  BSN与云计算的集成 1239.5.3  对比 1249.6  人体云：用于集群BSN应用的基于云的平台 1269.7  工程化人体云应用程序 1289.7.1  ECGaaS：心脏监测 1299.7.2  FEARaaS：基本的恐惧检测 1319.7.3  REHABaaS：远程康复 1349.7.4  ACTIVITYaaS：集群活动监测 1359.8  总结 140参考文献 140第10章  BSN系统开发方法 14510.1  介绍 14510.2  背景 14510.3  动机和挑战 14710.4  基于SPINE的设计方法 14710.4.1  模式驱动的应用级设计 14810.4.2  系统参数 14910.4.3  流程图 15010.5  总结 152参考文献 152第11章  基于SPINE的人体传感器网络应用 15311.1  介绍 15311.2  背景 15311.3  身体活动识别 15311.3.1  相关工作 15311.3.2  基于SPINE的活动识别系统 15511.4  计步器 15711.4.1  相关工作 15711.4.2  基于SPINE的计步器 15811.5  情绪识别 15911.5.1  压力检测 15911.5.2  恐惧检测 16211.6  握手检测 16611.6.1  相关工作 16611.6.2  基于SPINE的握手检测系统 16611.7  身体康复 16911.7.1  相关工作 16911.7.2  SPINE运动康复助理 17011.8  总结 172参考文献 172第12章  使用SPINE 17612.1  介绍 17612.2  SPINE 1.x 17612.2.1  如何安装SPINE 1.x 17812.2.2  如何使用SPINE 18012.2.3  如何使用SPINE1.3运行简单的桌面应用程序 18312.2.4  SPINE日志功能 18712.3  SPINE2 18812.3.1  如何安装SPINE2 19012.3.2  如何使用SPINE2 API 19112.3.3  如何运行一个使用SPINE2的简单应用程序 194

    人体传感器网络1.1  介绍本章概述无线人体传感器网络（BSN）领域的近期新动态及技术。在介绍完这一新兴技术的动机和潜在应用后，重点分析传感器节点的架构、通信技术和功耗问题。然后介绍和比较一些在无线传感器网络（WSN）领域最常用的可编程传感器平台，尤其是那些用于对患者进行远程监控的传感器平台。本章还会分析相关重要人体信号，以及用于记录这些信号的物理传感器。最后，本章介绍在基于BSN的医疗保健监控系统的设计阶段必须考虑的硬件/软件特征。例如，一些重要的特征包括传感器的耐磨性、生物相容性、功耗、安全性以及获取的生物物理信息的隐私性等。1.2  背景过去几年间，移动应用在病人监护领域得到广泛应用，从根本上改变了医疗保健的方式。在当今社会，移动应用在预防疾病方面正在发挥越来越重要的作用，尤其在诸如医疗保健成本方面的便利性是非常显著的。BSN技术充分利用移动应用的优势，让生命体征和身体活动（动作和手势）等信息能够传输到诸如智能手机或平板电脑这样的协调器节点［1，2］。小型化和生产成本的降低正在产生具备高处理能力的极小尺寸的传感器和计算设备，从而对无线传感器网络的发展起了很大的推动作用，并对人体传感器网络产生了直接的积极影响。各种不同类型的信息和多样化的生物信号可以经过传感器融合技术［3］处理之后，由传感器节点传输到协调器设备。下页的图1.1显示一些可穿戴传感设备及其在身体上的典型位置。1）心电图（ECG）：ECG用放置在皮肤上的电极来记录一段时间内心脏的活动（包括心率）。2）血压计：又称脉搏计，是一种用于测量血压（一般包括舒张压和收缩压）的装置。图1.1  一些常见的可穿戴传感器及其在人体上的位置分布3）脉搏血氧仪：血氧仪是一种能够对血液中的血红蛋白量进行无创测量的医疗设备。血红蛋白会与氧结合，因此可以获得血液中含氧量的估计值。4）肌电图（EMG）：EMG传感器用于监测肌肉活动，它利用插入肌肉的针电极来获得较高的精度，或者用简单的皮肤电极来获得更佳的实用性和无创性。它记录肌肉纤维在不同条件下的活动：在放松状态下，在自发性收缩达到优选时，以及在保持平均收缩状态期间。5）脑电图（EEG）：EEG传感器使用放置在头皮上的电极来监测大脑活动，捕捉不同类型的脑电波。6）运动惯性传感器（例如，加速度计和陀螺仪）监视人体动作，甚至姿势。BSN系统通常具有多项硬件和软件方面的特征：1）互操作性：必须确保能够通过不同的标准（例如，蓝牙和ZigBee）进行数据的连续传输，以促进信息的交换，并确保设备之间的交互。此外，它还应该提供与传感器节点数量和BSN工作负荷相关的足够的可伸缩性。2）系统设备：传感器必须具有较低的复杂度、体积小、重量轻、节能、易于使用且可重新配置的特性。另外，病人生物信号的存储、检索、可视化和分析必须便利。3）设备和系统级别的安全性：必须特别关注对这些敏感数据的安全传输和授权访问。4）隐私：如果应用的目的“?超出?”了医疗目的，BSN可被视为对个人自由的“?威胁?”。社会对这些系统的接受程度是其更广泛传播的关键。5）可靠性：整个系统在硬件、网络和软件方面必须可靠。可靠性直接影响监控质量，因为（在最坏的情况下）未能观察并且/或者未能成功通知“?关键风险事件“?对患者来说可能是致命的。由于对通信、功耗的和要求，传统网络领域中使用的可靠性技术不再简单地适用于BSN领域，在设计和实施阶段，都必须认真考虑这一点。6）传感器数据的验证和准确性：硬件约束可能影响所采集的数据的质量，而这会制约传感器设备；有线和无线连接并不总是可靠的；环境干扰和供电的有限性也会影响这个方面。这些因素会导致传输数据的不一致，甚至可能在数据的解释过程中导致严重问题。所有从传感器节点传输到协调器的数据都要在硬件或软件中经过充分“?验证?”，并尝试找出系统的“?关键点?”，这一点非常重要。7）数据一致性：对于具有数量众多且不同类型传感器的大规模BSN，单个生物物理现象可能显得有些“?支离破碎?”，并且在单个信号中，只有一部分可能被检测到。这会导致信息的一致性问题，必须通过适当的同步策略、数据融合技术［3］以及/或者数据访问中的互斥等方式来解决。8）干扰：BSN中使用的无线链路应该尽量减少干扰问题，并且使传感器节点能够与无线电频率范围内可用的其他网络设备共存，而不会相互干扰。9）生物相容性：可穿戴传感器和皮肤电极必须具备生物相容性和稳定性，因为它们可能会在使用者身上不中断地连续工作很长一段时间。除了硬件和软件方面的特征之外，我们还将重点介绍其他一些方面，它们可能会促进BSN系统的广泛传播及其开发活动：1）成本：用户期望所用设备能够具备较高的性能，同时具有较低的健康监测成本。2）不同级别的监测：用户可能需要不同级别的监测，例如，控制缺血性心脏病或在行动过程中跌倒的风险。根据不同的工作模式，设备供电的水平也会随之变化。3）无创且易用的设备：设备必须是可穿戴、轻便和无创伤的。它们不应该妨碍用户的日常活动；其操作对于用户来讲应该是“?透明的?”，用户应该不需要知道监控任务的细节。4）性能的持续性：传感器必须经过校准，而且即便BSN停止工作并且多次重启，它们也应该提供持续的测量。无线链路应尽可能健壮，并能够在不同（嘈杂）的工作环境中正确运行。1.3  典型的移动健康系统架构图1.2显示一个基于BSN技术的移动健康系统的典型架构。它通常由三个不同的层组成，各层之间通过无线（有时是有线）通道进行通信［4］。图1.2  一个三层的分层BSN架构：①人体传感器层，②个人局域网层，③全球网络层第1层代表人体传感器层，包括组成BSN的一组无线可穿戴医疗传感器节点。每个节点都能够检测、采样并处理一个或多个生理信号。例如，运动传感器能够辨别姿势、手势和动作；心电图（ECG）传感器可用于监测心脏活动；脑电图（EEG）传感器用于监测脑电活动等等。第2层是个人局域网层，包含运行最终用户应用程序的个人协调设备（通常是智能手机或平板电脑，也可能是一台PC）。该层负责一系列功能，提供与BSN、用户以及上一层的透明接口。与BSN的接口提供配置和管理网络的功能，例如传感器的发现和激活，传感器数据的记录和处理，以及与第1层和第3层之间安全通信的建立。配置好BSN后，最终用户监控应用程序开始通过用户友好的图形和/或音频界面提供反馈。最后，如果与上层有活跃的通信通道，它就可以报告原始的和经过处理的数据，以便进行离线分析和长期存储。相反，如果Internet连接暂时不可用，则协调设备应该能够在本地存储数据，并且一旦网络连接恢复，则能够立即执行数据传输。第3层是全球网络层，包括一个或多个远程医疗服务器或云计算平台。第3层通常为医务人员提供服务，用于离线分析患者的健康状况，实时通知攸关生命的事件和异常情况，并对收集的数据进行科学和医疗可视化。此外，这一层还可以为患者本人或亲属提供Web界面。1.4  传感器节点的硬件架构典型的传感器节点架构如图1.3所示，由以下主要部分组成：感知单元，每个节点通常包含一个或多个内置传感器和一个扩展总线，该总线能够进一步连接一些特定应用中所必需的其他传感器。传感器通常由感知器件和模数转换器（见下一个要点）组成。感知器件是利用某些材料能够根据不同的环境条件改变其“?电气特性?”这一特征来实现的。无线传感器节点上使用的很多感知器件均基于MEMS（微电子机械系统）技术。与压电传感器相比，MEMS传感器效率更高、功耗更低。此外，MEMS传感器的特点是生产成本低，尽管与压电传感器相比，这样可能会导致精度的降低。模数转换器（ADC）把感知器件的电压值转换为数字值，然后用于后续处理。处理单元，传感器节点的微控制单元（MCU）通常与有限的内置存储器单元一起使用，以提高处理速度，并支持本地在线感知数据的处理。传感器节点也因此能够进行信号处理，如“?背景噪声?”过滤、数据融合和聚合以及特征提取（例如，均值、方差、优选/最小值、熵、信号幅度/能量等）。MCU还负责管理其他硬件资源。收发器单元是将节点连接到网络的组件。它可以是光学或射频（RF）设备。使用低占空比的无线电不仅是可能的，而且实际上非常有用，这样可以帮助降低功耗。图1.3  典型的传感器节点硬件架构外部存储器用来存储在传感器节点上运行的二进制代码程序。一些传感器平台还包括另一个存储器（通常是microSD闪存），作为记录感知数据的大容量存储单元。电源是传感器节点最稀缺的资源，必须妥善保藏以尽量延长其寿命。它可以得到能量收集单元的特别支持（例如来自太阳光、热能或振动）。1.5  通信媒介在多跳传感器网络中，节点可以通过无线通信媒介相互交互。一种选择是使用ISM（工业、科学和医学）无线电频谱［5］，即一组预定义的，可以在许多国家免费使用的频带。目前市场上的大多数传感器事实上确实使用了射频电路。另一种选择则是红外（IR）通信。一方面，红外通信不需要许可证，而且不容易受干扰，红外收发器非常便宜且易于实现。然而，另一方面，红外通信需要发射器和接收器在视线范围内，这使得它几乎无法作为节点用在WSN和BSN中，因为很难以这种方式进行部署。1.6  功耗考虑传感器节点配备的能量源通常非常有限。传感器节点的生命周期在很大程度上取决于电池的容量，以及执行数据处理和通信的工作周期。鉴于这些原因，很多研究工作主要集中在设计可感知功率的通信协议和算法上，旨在优化能耗。虽然在传统的移动网络和自组网络中，能耗并不是最重要的条件，但在WSN领域，它却是至关重要的因素。即便在BSN的特定子领域中也是如此。尽管可穿戴节点的电池通常更容易充电或者更换，不过由于可穿戴性，电池的尺寸（也就是它的容量）通常还是比其他WSN应用场景下的电池尺寸小得多。在传感器节点中，能耗主要来源于以下三种任务：通信：这是影响优选的因素。低功率的无线电、严格的无线电工作周期、WSN专用的可感知功率的通信协议和标准，以及节点上的数据融合和聚合技术等，这些手段都是尽可能减少收发器模块活动的重要设计选择。需要注意的是，传输和侦听/接收时间必须加以优化。感知：进行采样所需的功率取决于应用程序的性质，以及因此涉及的物理感知器件的类型。数据处理：即使处理给定数量的数据所消耗的能量与传输相同数据量的功耗要求相比已经非常小，也必须考虑到这一点。试验研究表明，传输1kB数据的功耗差不多与传感器节点的微控制器执行3～100万条指令的功耗相当［6］。1.7  通信标准上述要求对可以在WSN中使用的网络协议类型提出了非常严格的条件。鉴于每个节点能够获得的电量预算有限，短距离无线通信就成为先决条件。一种无线网络通信协议的实现必须是健壮的、容错的，甚至在恶劣环境中能够自我配置，而这种恶劣的环境已经成为相当大的技术挑战，这需要（并且仍然需要）几个标准化组织的努力，比如IEEE和IETF。IEEE 802.15.4［7］是在WSN领域中迄今为止最广泛采用的标准。实际上，它旨在提供无线个人局域网（WPAN）中基本的、较低的网络层级（物理层和MAC层），它专注于提供设备之间低成本、低速、无处不在的通信。其重点是在几乎没有底层基础架构的条件下，为附近设备提供极低成本的通信支持。这个基本协议构成一个传输速率为250kbit/s的10米通信范围。通过几个物理层的定义，还有可能在功耗更低的前提下，支持更多数量的嵌入式设备。最初定义了20kbit/s和40kbit/s的较低传输速率，后来又增加了100kbit/s的速率。更低的速率可以认为是耗电量造成的影响。802.15.4的主要特点是在不牺牲灵活性和通用性的前提下，实现了极低的制造和运行成本，以及技术的简单性。它的重要特性包括通过保留有保证的时隙实现服务的实时性，利用CSMA/CA避免冲突，以及集成对安全通信的支持。它可以在下面三个不需要许可的频段运行：868.0～868.6MHz：欧洲，允许1个通信信道。902～928MHz：北美，最多30个信道。2400～2483.5MHz：全球使用，最多16个信道。为了完善IEEE 802.15.4标准，ZigBee［8］协议已经实现。ZigBee是一种低成本、低功耗的无线网状网络标准，它建立在802.15.4中定义的物理层和介质访问控制层上，旨在实现比诸如蓝牙等技术更简单、更便宜的通信方式。ZigBee芯片供应商通常把无线电收发、微控制器和60～256kB的闪存集成在一颗芯片上进行销售。ZigBee网络层原生支持星形和树形网络，以及通用的网状网络。每个网络都必须拥有一个协调器设备。特别是在星形网络中，协调器必须是中心节点。具体来说，ZigBee规范通过添加四个主要组件完善了802.15.4标准：网络层，支持正确使用MAC子层，并为应用层提供合适的接口。应用层是ZigBee所定义的优选层级，代表与最终用户的接口。