传感器技术论文范文第1篇
摘 要：近年来，随着研究的深入和相关硬件技术的发展，无线传感器网络在实际应用中得到越来越多的部署，并逐渐渗透到军事探测、资源保护等数据敏感领域。无线传感器网络的安全性是这些应用得以实施的重要保障，它使得无线传感器网络能够排除攻击者的干扰，正常地与用户进行交互，为正确决策提供数据依据。然而，由于无线传感器网络中节点受能量、存储空间、计算能力和自身安全的限制，使得保证无线传感器网络的安全性成为了一个巨大的挑战。如何根据无线传感器网络的特点，制定出高效的安全协议，成为了当前的研究热点。
关键词：无线传感器；网络安全；应用技术
1 攻击方法和防御手段
拥塞攻击是指攻击者在知道目标网络通信频率的中心频率后，通过在这个频点附近发射无线电波进行干扰。防御的办法是在检测到所在空间遭受攻击以后，网络节点将通过统一的策略跳转到另外一个频率进行通信。
碰撞攻击是指敌人在正常节点发包时同时发送另外一个数据包，使得输出信号会因为相互叠加而不能够被分离出来。防御的方法是使用纠错编码来恢复收到的出错数据包，使用信道监听和重传机制来避免数据包对信道需求的冲突，并在冲突后按照某种策略选择数据包的重传时间。
丢弃和贪婪破坏是指恶意节点被当成正常的路由节点来使用时，恶意节点可能会随机丢掉一些数据包；另外，恶意节点也可能将自己的数据包以很高的优先级发送，从而破坏网络的正常通信。为了解决这个问题，可用身份认证机制来确认路由节点的合法性；或者使用多路徑路由来传输数据包，使得数据包在某条路径被丢弃后，数据包仍可以被传送到目的节点。
泛洪攻击是指攻击者不断地要求与邻居节点建立新的连接，从而耗尽邻居节点用来建立连接的资源，使得其它合法的对邻居节点的请求不得不被忽略。解决这个问题可以采用客户端迷题技术。它的思路是：在建立新的连接前，服务节点要求客户节点解决一个迷题，而合法节点解决迷题的代价远远小于恶意节点的解题代价。
3 热点安全技术研究
3.1 密码技术
目前评价密码技术是否适合无线传感器网络的标准是密码算法的代码长度、数据长度、处理时间和能量消耗量。对称密钥算法与不对称密钥算法相比具有计算复杂度低、能量消耗小的特点，因此一直被当作无线传感网中的主流密码技术。
3.2 密钥管理
WSN中节点之间的位置关系无法在部署前确定，并且网络拓扑不稳定，使得传统的密钥管理技术无法有效地运用于WSN。由于对称密钥算法在计算复杂度和能量消耗方面的优势，目前绝大部分密钥管理技术的研究都是基于对称密钥机制的。下面将对当前流行的密钥管理技术进行分类介绍：（1）预共享密钥模型和非预共享密钥模型。预共享密钥模型是指节点间的共享密钥在节点布置前就已经确定。非预共享密钥模型是指节点间的共享密钥在节点布置后通过协商机制确定。非预共享密钥模型符合WSN中节点相对位置一般无法在布置前预知的特点，因此更适合WSN。后面介绍的密钥管理技术都属于非预共享密钥模型。（2）概率性和确定性。如果密钥共享成功与否是以一个可计算的概率提出的，则它属于概率性密钥管理技术。确定性密钥管理技术是指忽略信道出错等物理因素，两个需要交换数据的节点之间在理论上一定可以生成一个共享密钥。
3.3 安全路由
普通的路由协议主要是从路由的高效、节能来考虑问题，一般没有关注路由中的安全问题，很容易受到各种攻击。例如，GEAR路由协议的正确执行需要在邻居节点间交换位置信息，而恶意节点可以通过广播虚假的位置信息来把自己放到数据包传输的路径上。一旦恶意节点参与数据包转发，它可以执行选择性转发等多种攻击。
3.4 数据的安全聚合
安全数据聚合的目标是尽可能地排除虚假数据对聚合值的影响。为了实现这个目标，安全数据聚合需要在普通数据聚合的基础上引入各种安全技术来保证数据的完整性、秘密性和可认证性，甚至需要引入恶意节点识别机制。
3.5 入侵检测
简单的密码技术仅仅能够识别外来节点的入侵而无法识别那些被捕获节点的入侵，因为这些被捕获节点和正常节点一样具有加解密和认证身份所需的密钥。目前的研究主要是针对被俘节点的入侵，按研究目的可以分为虚假数据识别和恶意节点识别两类。
3.6 信任模型
信任模型是指建立和管理信任关系的框架。信任模型可以用来解决许多其他安全技术无法解决的问题，例如邻居节点的可信度评估、判断路由节点工作的正常与否等。
3.7 应用相关的特殊安全问题
有的安全需求是某类应用所特有的，是基本的加密、认证等安全技术无法解决的，其解决需要特殊问题特殊分析。Ozturk等提出的熊猫保护问题就提出了一类特殊的安全需求，即如何保护源节点位置的秘密性。他以WSN在熊猫检测系统中的应用为例，假设偷猎者可以在基站对无线信号的方向和强度进行分析，从而反向追踪到上一跳的转发节点。这样，偷猎者就可以不断重复反向追踪过程，直到追踪到熊猫的位置。Ozturk等首先基于泛洪路由协议对该问题的严重性进行了分析；然后给出了泛洪路由协议下该问题的解决方案：概率泛洪法、假源法和分边概率泛洪法；最后说明其它路由方式下该问题更加严重。
[参考文献]
[1]王海涛，郑少仁.Adhoc传感网络的体系结构及其相关问题[J].解放军理工大学学报（自然科学版）.2003（01）.
[2]苏忠，林闯，封富君，任丰原.无线传感器网络密钥管理的方案和协议[J].软件学报.2007（05）.
[3]孙雨耕，李桂丹，武晓光，张强.基于基站辅助定位的无线传感器网络通信协议[J].天津大学学报.2007（01）.
传感器技术论文范文第2篇
摘要:传感器技术是实现测试和自动控制的重要环节。它的主要特征是能准确地传递和检测出某一形态的信息,并将它转换成另一形态的信息。随着科学技术的迅猛发展,其越来越广泛的应用于科学技术的各个领域。文章将传感器技术的研究现状与发展以及传感器在机电一体化系统中的应用等问题进行探讨,并分析了我国传感器技术发展的若干问题和未来发展的方向。
关键词:传感器技术;机电一体化;应用
传感器是一种检测装置,是实现自动检测和自动控制的首要环节。它能感受到被测量的信息,将检测感受到的信息,并按照一定的规律转换成可用输出信号,来满足信息的传输、处理、存储、显示、记录以及控制等的要求。在机电一体化的系统中,传感器处系统之首,是机电一体化系统达到高水平的有效保证。随着人类探知领域的不断深入,各种信息的传递速度将越来越快, 处理信息的能力也将越来越强,因此,就要求相对应的信息采集传感技术也要跟上发展的步伐,这也就决定了传感器将越来越被广泛运用、无处不在。
1传感器的研究现状与发展
随着现代科技的发展,传感器和检测仪表是工业设备中不可缺少的一部分,工业设备作为自动化系统的控制对象或其中的一部分,必须能与自动化系统的检测、控制和执行相兼容或能提供接口,从而使之集成为一个有机的整体,使该工业设备的用途扩大,是传统设备更新换代的必要条件。因此,从20世纪80年代开始,在世界各国掀起一股传感器热潮,各发达工业国家都十分重视传感技术的相关研究工作。传感技术已成为现代重要的科技领域之一,传感器及其系统的生产也成为了重要的新兴产业。传感器产品的品种较多,采用的科学原理也比较多,技术较密集,具有边缘性、多样性、综合性以及技艺性的特点,需要多种高新技术和多学科的相互配合。所以要推动传感器产业的进一步发展,也是有难度的。近些年来,由于传感器越来越多的应用于各行各业,加之汽车家电行业和信息产业等方面的飞速发展,对传感器需求量大增,以此推动了传感器制造业的快速发展,并形成独立的产业,也促进传感器由传统型向新型传感器的转型和发展。新型的传感器具有智能化、数字化、微型化、系统化和网络化的特点,而且功能更加广泛,它的研制和发展必将促进传统产业的发展和改造,在此基础上还可促进建立新型工业,这必将成为当代经济的新的增长点。当前,mems的发展,推动了传感器向智能化、微型化和多功能化的进一步发展。 除mems外,未来新型传感器的进一步发展还有待于新型的敏感材料、纳米技术和敏感元件,例如新一代超导传感器、焦平面陈列红外探测器、光纤传感器、生物传感器、新型量子传感器、纳米传感器、微型陀螺、网络化传感器、智能传感器、模糊传感器、以及多功能传感器等。
2传感器在机电一体化系统中的应用
传感器广泛应用于机电一体化系统和机电一体化产品之中,是推动其快速发展的重要技术之一。没有这些传感器对系统状态和信息精确可靠的自动检测,系统的信息处理以及控制决策等功能就无法实现。
2.1机器人用传感技术
机器人传感技术是一类专门用于机器人的新型传感器,发展于20世纪70年代,这种传感器与普通传感器的工作原理基本大致相同,但其对智能化处理以及传感信息种类的要求相对较高。 为了能检测作业对象和环境或机器人与它们的关系,在机器人上安装了触觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器、超声波传感器和听觉传感器等,这样就为机器人控制提供了准确及时的反馈信息,也大大改善了机器人的工作状况,使机器人能够更充分更完美的完成复杂的工作任务。
2.2汽车自动控制系统中的传感技术
现代化汽车工业随着传感器技术等新技术的不断应用,已经进入了全新发展时期。用自动控制系统代替纯机械式控制部件,这是汽车的机电一体化要求, 先进的检测和控制技术不仅体现在发动机上,也体现在全面的彻底的改善汽车的性能上,增加了人性化服务的功能, 减少排气污染、降低油耗、操作方便和舒适,同时也提高了行驶过程中安全性和可靠性。使用曲轴位置传感器、吸气及冷却水温度传感器、气敏传感器、压力传感器等,这些是在其所有重点控制系统中必不可少的。
2.3机械加工过程中的传感检测技术
①切削过程与机床运行过程中的传感技术。切削过程的传感检测是为了优化切削过程的生产率和制造成本或材料的切除率等。切削力探测、颤震探测传感、切削过程探测传感、刀具与工件的碰撞传感、切削过程识别的传感等是切削过程传感检测的目标所在。其中最重要的传感参数有、切削过程振动、切削力、切削过程声发射、切削过程电机的功率等。另外对于机床的运行来说,轴承与回转系统、驱动系统、温度的全性等是其传感检测目标,其传感参数有被加工件的表面粗糙度和加工精度、机床的故障停机时间、功率、机床状态和冷却润滑液的流量等。
②工件的过程传感。研究和应用最早和最多的是工件的过程监视,这是与刀具和机床的过程监视技术相比较而言的。其目标是是工件加工的质量控制。从20世纪80年代开始, 工件的过程传感加入了工件的识别与工件安装位姿的监视的相关要求。大致而言, 所谓的工件识别是辨识送入机床等待加工的毛坯或工件是否是要求加工的毛坯或工件,而工序识别是为辨识所执行的加工工序是否为零件加工要求的工序等,并且同时还要求辨识工件安装的位姿是否为工艺规程所要求的位姿。为了完成这些识别和监视就必须使用或者开发许多种传感器,例如激光表面粗糙度传感系统、基于CCD的机器视觉或TV传感器等。
③刀具(砂轮)的检测传感。在切削过程中,刀具的失效与砂轮的过程工况,对切磨削过程的正常进行有着重要影响。刀具与砂轮磨损到一定限度或出现破损,将使它们失去了切磨削的能力或无法保证其加工精度与加工表面的完整性时等,这被称为刀具或砂轮失效。工业统计证明,刀具失效可能引发设备或人身安全事故,甚至引起重大事故。从80年代开始,刀具与砂轮的过程监视与控制技术和装置的研究与开发受到世界各国的普遍关注。
3我国传感器技术发展的问题与发展方向
传感器技术水平的高低在一定程度上影响和决定了系统的功能,作为实现自动控制和自动调节的重要环节和机电一体化系统必不可少的一部分,如不能利用传感检测技术对被控对象的各项参数进行准确及时的检测并转换成容易传送处理的信号,那么所需的用于系统控制的信息就不能获得,也影响了整个系统的正常有效的工作。我国传感器的研究开始于20世纪的80年代,研究地点主要是在专业的研究所和大学里, 当前我国在这一方面的研究和国外先进技术相比还有比较大的差距,体现在许多方面,首先是先进的微机械加工技术与设备;其次是先进的模拟、计算与设计方法;然后是先进的封装技术和设备;最后是可靠性的技术研究等。
所以,当前我国应进一步加强相关的技术研究工作,并及时引进国外先进的设备,以此提高整体的技术水平。基于此传感器技术未来的发展主要展现于以下几个方面。
①加速研发新型的敏感材料。致力于研制出精确度和灵敏度高、响应速度快以及互换性好的新型传感器,使其向高精度方向发展,以确保生产自动化的安全可靠性。
②研制出一批基于新型敏感材料的新型传感器。这主要是通过光电子、微电子、生物化学和信息处理等各种学科和各种新技术的相互渗透与综合来成就完成的。
③研发微型化传感器。未来一段时间研究的热点问题将是针对传感器微型化来进行,这主要要通过发展新材料和加工技术来实现。
④向智能化数字化迈进,随着科技的快速发展,传感器的功能也日新月异,其输出的将是经过微电脑处理好后的数字信号,而不是一个单一的模拟信号,这将是带有控制功能的智能传感器。
总之,传感器技术作为实现测试和自动控制的重要环节。在科技迅猛发展的今天,已被广泛地应用于社会和科学技术的各个领域。我国应加紧对传感器技术的研究和发展,为工业发展服务。
参考文献:
[1] 汪国平.浅谈传感器技术在机电一体化中的应用[J].硅谷,2009,(15).
传感器技术论文范文第3篇
关键词：无线传感器;船载环境;能量回收;电磁感应
0 引言
无线传感器结合了微型传感器技术、通信技术和集成电路技术等，能对环境或对象进行实时监测、感知和信息采集，并具有远程无线传输功能，无需器件的连接，能降低整个监测系统搭建的复杂程度和维护成本[1]。无线传感器节点通常采用便携式电源供电，电能耗尽后，无线传感器也将失效，电池的寿命往往限制着无线传感器的寿命。因此，无线传感器的设计通常要求降低其功耗[2]。这种设计可以在一定程度上延长无线传感器的使用时间，可是无法补充电池能量这一根本问题仍然没有解决，这仍是限制无线传感器发展和应用的重要因素。
在很多无线传感器的应用场合，存在着许多可转化、可利用的能量，回收这些能量并给无线传感器供能是一种切实有效的方法，例如利用压电效应回收环境中的振动能量[3]等等。当无线传感器应用在舰船上时，在海上航行的舰船必然会因受到海浪的冲击或推动而发生一系列复杂的船体摇摆运动[4]，这种摇摆能量在舰载环境中几乎无处不在，并且具有较高的能量密度。因此，研究一种装置将船载环境中的摇摆能量回收并转化为电能供应给无线传感器节点是一种切实有效可行的方法。
本文将对采集摇摆能量的器件进行设计，并将设计的器件和无线传感器结合起来，同时对无线传感器进行低功耗设计，以进一步延长其使用寿命。
1 总体设计
无线传感器节点中的器件和微机电系统在工作时必须有稳定的电流，但由于船体的摇摆运动是无规律、不规则的，所以收集到的电能也是不稳定的，无法直接供给设备使用，必须将其转换为稳定的电能之后才能正常使用。本设计的总体构思如下：将船舶的摇摆动能进行回收，稳压处理后向蓄电池充电，再由蓄电池向设备供电，同时对无线传感器做低功耗设计，进一步延长其使用寿命。本文提出的无线传感器系统框架如图1所示。
2 能量收集装置设计
环境中能量回收技术按照原理划分主要有三种类型：电磁式[5]、静电式[6]和压电式[7]。它们通过特定的机械结构将环境中的机械动能收集转化为电能，能有效改善传统无线传感器不能长期供能的缺点。船载环境中摇摆动能普遍存在，频率低且幅度较大，因此本设计拟采用基于电磁感应的电磁式能量回收技术来回收摇摆能量。
电磁式摇摆能量收集装置的结构模型如图2所示，该结构包括顶盖、外壳、磁珠、弧面支架和线圈。线圈固定在弧面支架下，磁珠能在弧面支架上自由滚动，当船舶摇摆时，磁珠在弧面支架上滚动，线圈感应到磁场变化产生感应电流。
目前，凌力尔特公司的芯片LTC3588集成了一个低损失全波桥式整流器和一个高效率降压型转换器，能实现对电能的整流、稳压和控制，并且可以对蓄电池进行充电。电路结构如图3所示。
3 传感器模块(传感+处理)设计
传感器模块负责检测舰船船舱中的温度数据，采用定制的低功耗温度变送器。拟选用热电偶探头温度传感器WZPT-01，Pt100进行冷端温度补偿。温度变送器电路如图4所示。
AD7124-8是低功耗、低噪声、24位模数转换器(ADC)，系统的典型无噪码声分辨率约为15位，片内集成了系统需要的大部分构建模块，因而能够简化热电偶系统设计。
4 无线传输模块设计
无线传感器网络组网常用的技术有Zigbee、LoRa、NB-IOT等。其中NB-IOT基于现有蜂窝组网，在舰船环境无法使用。而LoRa是一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案，在同样的覆盖距离下，其相比Zigbee更加节能，而且信号经过扩频调制后频谱特征接近噪声，在信号安全和抗干扰方面有优势。LoRa模块低功耗通信距离远，通信距离可达十几千米，解决了低功耗和远距离不能兼得的难题。所以，无线传输模块选用国内某公司的RHF76-052 LoRaWAN模块，其采用SX1276系列LoRa专用基带芯片，MCU采用ST公司超低功耗STM32L052 ARM芯片。其中SX1276负责LoRa的物理层基带部分(信号接收发送、调制解调)，STM32L052负责LoRa通信协议的MAC层部分(数据成帧、帧检查、介质访问、差错控制)、传感器模块控制与数据采集以及电源管理，框图如图5所示。
变送器输出电压通过RHF76-052模块的MCU转换为数字信号，再根据传输协议数据打包后送SX1276发送。
无线传感器节点中，无线通信模块的功耗占整个节点功耗的大部分，降低无线通信模块的功耗是实现无线传感器低功耗的一个重要环节。在保证数据正常传输的情况下，应尽可能降低或简化不必要的控制信息，通过减少传输数据量来降低能耗;同时，通过节点“侦听—休眠”状态的改变来降低空闲侦听所带来的能量消耗。具体流程如图6所示。
5 结语
本文首先分析了船载环境的特点，确定摇摆动能是船舶在航行中分布广泛的一种能量;然后设计了能量回收装置，将装置通过LTC3588芯片与无线传感器结合起来，并且对传感器模块和无线传输模块进行了设计分析;最后通过对无线通信模块进行低功耗设计，进一步延长无线传感器的使用寿命。
[参考文献]
[1] 张超，徐姣.振动能量回收功能的无线传感器[C]//第十届全国振动理论及应用学术会议论文集，2011：995-1002.
[2] 张永梅，杨冲，马礼，等.一种低功耗的无线传感器网络节点设计方法[J].计算机工程，2012，38(3)：71-73.
[3] 汪泽浩.一种基于压电陶瓷晶体的振动能量回收装置的研究[D].杭州：浙江大学，2015.
[4] 程家军，李春枝，陈颖.舰载环境振动摇摆特性测试分析[J].装备环境工程，2015，12(1)：114-119.
[5] 王满州.电磁式振动能量收集装置研究[D].杭州：浙江工业大学，2017.
[6] CHIU Y，KUO C T，CHU Y S.MEMS design and fabrication of an electrostatic vibration-to-electricity energy converter[J].Microsystem Technologies，2007，13(11)：1663-1669.
[7] 任朝阳，曹自平，朱洪波.振动能量采集供电的无线传感器设计和制作[J].功能材料与器件学报，2015，21(4)：51-55.
收稿日期：2020-02-19
作者简介：李振扬(1995—)，男，湖南湘乡人，在读硕士研究生，研究方向：机械电子。
通信作者：赵立宏(1967—)，男，湖南衡阳人，硕士，教授，主要从事机械电子、测控技术的教学与研究工作。
传感器技术论文范文第4篇
摘要：针对快速捕捉赛场中裁判员手势判决跟踪问题，依靠图像的动态手势跟踪虚拟现实交互技术，研制了一种基于惯性传感技术的裁判员手势控制器，并进行了相关实验验证。该手势控制器由安装在手部、小臂和大臂的13个传感器节点组成，可用于计算机快速捕捉到裁判员对赛事的判罚，进而与虚拟空间中的物体进行交互。实验结果表明，该手势控制器能够准确地跟踪裁判员手姿势，进而控制虚拟手完成虚拟各类手势等交互操作。
关键词：虚拟交互;裁判员手势;惯性传感
文献标识码：A
0 引言
裁判员作为体育比赛中负责赛场只需的任务，其主要依靠手势行使规则赋予的职权[1]。针对裁判员手势的跟踪研究是快速判断比赛结果的重要依据。虚拟现实（Virtual Reality，VR）作为目前虚拟空间并与之交互的三维环境模拟系统，是视觉表达最为完美的艺术表现形式，具有很强的沉浸感[2]，且已经在军事航天、康复医疗训练、游戏、室内设计、工业仿真、教学等从军事到民用等诸多领域得到了广泛应用[3]。裁判员手势输入具有迅速、直观的特点，主要分为基于数据手套的静态手势识别[4]和基于图像的动态手势跟踪[5]两类。数据手套能够准确地识别出手势信息，但是手势被限制在固定点，属于静态手势，而且柔性传感器成本昂贵、容易损坏[6]。基于图像的动态手势跟踪是基于实时图像处理技术实现的，該方法能有效快速跟踪裁判员手部的运动，但是算法实现难度大[7]，而且容易受到赛场摄像机视场以及光照条件的限制。
近年来，随着微惯性传感技术（MEMS）的不断发展，惯性式动作捕捉技术逐渐成为研究热点[8]。国内外对惯性传感技术在手势跟踪方面的研究主要集中在主从控制[9]、人机交互[10]、康复医疗[11]等领域，而且这些研究大多针对静态手势识别。从交互的角度来看，静态手势识别适用于指令式操作，属于单向输入，一般用于流程控制;动态手势跟踪适用于交互式操作，可用于操作虚拟空间中的手势。
从虚拟现实输入的角度出发，针对裁判员动态手势跟踪，提出了一种基于惯性传感技术的手势控制器，并加入了振动反馈。该控制器不仅可以为虚拟现实提供手势跟踪，而且可以提供触觉反馈，使得虚拟交互变得更加真实自然，且快速获取裁判员对赛事判决。
1 整体方案设计
1.1 功能需求
在体育赛事中，裁判员通过手势去表达比赛结果的判决，手势表达在赛事中具有非常重要的意义。在人机交互中，手势输入作为一种新型交互手段，具有生动、形象和直观的特点，可以为研究裁判员手势提供非常自然的交互体验。
针对虚拟交互的动态手势跟踪方法主要有两类，一是基于图像的动态手势跟踪方法[12]，该方法对摄像机视场中的图像进行实时处理，但是当赛场中众多运动员同时交互发生遮挡或受到空间中其他物体的遮挡时，动态手势跟踪会失去效果。另一类是基于惯性传感技术的动态手势跟踪方法[13]该方法不受光照、背景、空间等外部环境的限制，不存在遮挡问题，而且具有实时性好、灵敏度高、动态性能好等优点，非常适合应用在多人互动的虚拟交互环境中。
针对虚拟交互设计的裁判员手势控制器应该具备以下功能：（1）适用于虚拟交互，具有可拓展性，未来可用于现实赛场;（2）具有触觉反馈功能，可用来感知操作对象;（3）穿戴方便，且性能要稳定可靠。手势控制器中增加的触觉反馈功能可以增强互动感，考虑到舒适性、体积限制等因素，拟采用振动触觉反馈方式。
1.2 传感器布局方案设计
图1所示为人手骨骼解剖结构图。手掌骨骼主要由掌骨、近节指骨、中节指骨和远节指骨构成。其中除大拇指外，其他四指均由远节指骨、中节指骨和近节指骨构成。手指的弯曲由三节指骨的旋转运动来实现，其中除大拇指外其余四指主要依赖近节指骨和中节指骨的主动运动。由于远节指骨的自主运动范围极小，而且它与中节指骨在运动上有一定的附属关系，因此在手势跟踪中，远节指骨的数据常常根据中节指骨来计算出，而不需要在远节指骨上安装传感器。大拇指的运动是由远节指骨和近节指骨的运动来共同完成的。因此，在手掌部分，每根手指需要安装两个传感器，同时手背处也需安装传感器来检测手的空间翻转、俯仰运动，则手掌部分共需11个传感器。
人手在空间中的运动范围可以抽象为：以肩关节为原点，臂长为半径的球形空间（在不考虑关节运动限制的情况下）。当前设计出的包含11个传感器节点的手势控制器所控制的虚拟手被限定在固定位置，属于静态手势识别。因此，参照人手的运动特点，在大臂和小臂处增设传感器节点，以肩关节为原点，大臂、小臂和手掌共同作为运动捕捉对象，通过关节间的旋转构造出人手的空间运动姿态。在单手手势控制器中，共需13个传感器，最终的传感器布局方案如图2所示.
2 姿态解算原理
2.1 捷联惯导系统
在捷联惯导系统中[14]，导航坐标系为n，即地理坐标系，一般采用东北天坐标系。由运载体的机体轴确定的坐标系为6，一般称为载体坐标系。根据欧拉旋转定理可知，载体坐标系相对于导航坐标系的转动可通过三次独立的旋转来实现。初始时载体坐标系与导航坐标系重合，设旋转轴依次为：-Zn→Xn→Yn，得到的旋转角依次为：偏航角ψ，俯仰角θ，横滚角φ。初始时载体坐标系b与导航坐标系n重
2.2 空间旋转四元数法
表征空间旋转的方法主要有欧拉角法[15]、方向余弦法[16]和规范化四元数法[17]。其中欧拉角法仅用三个旋转角参数（ψ、θ、φ）进行描述，计算简单，但是会出现奇异值，造成万向节死锁，不能用于全姿态的解算。方向余弦法可用于全姿态解算，但是需对九个方程求解，计算量大，不适合实时解算系统。规范化四元数法相对于方向余弦法而言，计算量小，动态响应快，对处理器性能要求低，且不会出现欧拉角法涉及到的万向节锁，是空间全姿态解算方法，因此在惯导系统中应用较为广泛。四元数的复数形式表示为：
2.4 基于互补滤波器的四元数姿态解算方法
在姿态解算中，利用加速度计和磁力计可以直接解算出姿态信息，静态时准确性较好，但是容易受到外界加速度及磁场的影响，动态性能较差。陀螺仪动态响应特性良好，但是直接用于积分会累积误差，精度也不高。为了获得较准确的运动信息，同时兼顾动态性能，拟采用滤波算法融合这三个传感器的数据，以提高解算精度和系统的动态性能。最常用的滤波算法有卡尔曼滤波和互补滤波两类。卡尔曼滤波是一种最优估计方法，计算过程中涉及到大量代数运算和矩阵求逆，运算量很大，对处理器性能要求较高。相比之下，互补滤波具有计算量小、实时性好、对处理器性能要求不高等特点，而且在载体变化率较小的情况下，互补滤波的效果比卡尔曼滤波更好。综合考虑，选择采用互补滤波算法来进行数据融合。姿态解算流程如图3所示：
3 硬件设计
3.1 传感器节点设计
传感器节点的硬件电路架构如图4所示，包括微处理器及外围电路、三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁强计。
传感器节点的功能是采集当前传感器原始数据，进行数据融合处理得到姿态数据[19]（四元数），最后将姿态数据输出到数据采集板。由于该节点要安装在手指上，因此其尺寸必须满足微型化要求，且不能影响手指的正常生理活动。
微处理器采用ARM Cortex -M3内核的STM32F103系列微处理器，该处理器内部集成了IIC接口、USART接口以及CAN控制器等，提供了多种数据传输方式。处理器外围电路主要包括供电（3.3V）、复位、晶振以及通讯相关接口部分。姿态传感器采用MPU6050芯片，该芯片是集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪的6轴运动处理组件，消除了加速度计与陀螺仪安装轴误差带来的影响，减小了封装空间，且该芯片内部集成了nc接口以及辅助nc接口，能够挂载额外的传感器，如磁强计或气压计。三轴磁强计采用HMC5883L芯片，该芯片体积小集成度高，具备nc接口，航向精度能精确到10至20，使用简单且成本较低，充分满足了设计需求。
3.2 触觉反馈设计
由于手部体积限制，考虑采用振动来提供反馈，即在传感器绑带的内侧（手心一侧）增加微型振动马达（如图6所示），连接到微控制器10处，通过PWM输出来调节振动强度。当虚拟手与虚拟物体接触时，将接触信号反馈到对应的微控制器，微控制器进而驱动微型马达振动，为操作者提供一个触觉上的接触反馈。
3.3 节点实物图
3.4 数据采集模块设计
数据采集模块的硬件电路架构如图7所示，包括微处理器、串口芯片、WIFI模块、CAN收发器。
数据采集模块的功能是接收各传感器节点的姿态数据并打包处理[20]，然后通过有线（串口传输）或无线（WIFI）传输的方式发送到上位机中。传感器节点内已经集成了CAN控制器，每一个CAN控制器都对应一个CAN收发器，二者配合实现CAN总线的数据传输，即实现了各传感器数据的采集。数据采集模块内主要包括处理器、CAN收发器、WIFI模块、USB转串口芯片及外围电路，其中处理器采用STM32F103系列微处理器;WIFI模块采用正点原子[21]的HLK-RM04模块，CAN收发器采用SN65HVD230芯片，该芯片采用3.3V供电;USB转串口芯片采用CH340G芯片。
4 软件设计
4.1 软件处理流程
（1）传感器节点内处理好传感器数据，经由CAN收发器与CAN总线连接，将姿态信息发送到CAN总线上;
（2）数据采集模块内的处理器STM32F1系列经CAN收发器从CAN总线接收姿态信息;
（3）当处理器接收到全部13个节点数据后，将数据进行打包处理，然后经由有线（串口）或无线（WIFD的方式发送至控制主机（即计算机）。
（4）控制主机对姿态数据进行解包，并将数据与骨骼相对应，操作虚拟手运动，当虚拟手与虚拟物体发生交互作用时，触发反馈信息，同时将该信息发回到处理器，进而驱动振子振动，为使用者提供振动反馈。
4.2 虚拟平台设计
采用PC机作为控制主机，选择Unity 3D软件作为虚拟平台。Unity 3D是由Unity Technologies开发的一个专业游戏引擎，其具备跨平台发布、高性能优化、高性价比、高级游戏渲染效果等特点，应用范围非常广泛，也是目前主流的一款VR开发平台。
在场景建模方面中，本文采用了从外部直接导入模型的方式，将在3DS MAX软件中建立的模型.max文件直接导入到Unity中使用，被导入的信息包括物体的空间位置、材质、关节信息等。
4.2.1 虚拟手模型驱动
在裁判员手势活动中，以手臂运动为例来说明，手指可以独立运动而不影响手背、小臂、大臂的运动;但是，当大臂、小臂、手背运动时，手指必然会随之运动而改变手指的空间位置。因此，在运动捕捉的过程中，我们以大臂终点肩关节为基本根关节，小臂肘关节为子关节，手部腕关节为次子关节，各手指关节同一指节的地位相同，依照图9所示的次序驱动各个关节运动。
Unity 3D中支持脚本语言C#和JavaScript，通过选择合適的脚本，可以完成数据通信、模型控制、场景变换等不同的功能。本方案中，选择C#脚本语言作为开发语言，Unity中封装了大量的API函数供开发者调用。通过GameObject.Find O函数获得指定游戏对象，进而用Quatemion（四元数）类下的API函数去处理由串口或WIFI读入的姿态数据（四元数），从而驱动指定游戏对象做相应的运动。
4.2.2 坐标系转换
由串口读入的数据是在地理坐标系n下的载体姿态数据，由于Unity中有世界坐标系和局部坐标系的概念，世界坐标系是固定在Unity中一切其他坐标系的总参考，因此经串口读入的数据需要进行坐标转换，转换步骤如下：
（1）首先通过Quatemion类下的旋转函数将虚拟手臂的坐标系旋转到与世界坐标系重合;
（2）真实手臂相对于东北天坐标系的初始姿态与虚拟手臂相对于Unity中的世界坐标系的初始姿态重合，进行初始化;
（3）通过配置运动函数及参数，使得真实手臂运动来驱动虚拟手臂同步运动。
4.2.3 弯曲检测
弯曲检测可以模拟出现实环境中物体碰撞到障碍物时产生的反应。在Unity3D中，要产生弯曲的效果，必须为操作对象添加刚体属性（Rigidbody）和碰撞器（Collider）。当为虚拟手臂添加组合碰撞器和刚体属性后，手臂可以在虚拟空间中与其他物体产生联系，进而可以设计弯曲、抓取等交互实验。在Unity3D中，通过MonoBehaviour.OnTriggerEnter和Mono Behaviour.OnCollisionEnter可以设计出各类弯曲情形的组合。
5 实验设计
5.1 初始化
裁判员穿戴好传感器设备后，上电进行初始化。待初始化完成后，手部运动可以控制虚拟手同步运动，如图10、图11所示。图10为手掌展开状态，图12为握拳状态。
5.2 弯曲实验
在虚拟空间中创建立方体，并增加碰撞体表面。在手臂皮肤表面创建组合弯曲体，当手臂皮肤与立方体接触时，会触发弯曲，弯曲实验如图13、图14所示。图12表示手指在移动过程中即将与立方体接触但还未接触到时的状态;图13表示手指拨动立方体后的状态，接触的瞬间振动马达会振动产生反馈，立方体受到碰撞后旋转向上运动（此状态下未增加重力约束）。如果没有在立方体表面和手臂皮肤表面增加碰撞体表面，则手指在触碰到立方体后会穿透立方体表面，而没有相对运动的产生，也不会产生碰撞效应。
5.3 抓取实验
在虚拟空间中创建虚拟小球，并增加弯曲体表面。实验者操作虚拟手来完成小球的抓取，抓取实验如图14、图15所示。图14表示手指在移动过程中靠近小球但还未接触到时的状态，此时小球颜色为白色。图15表示手指抓取到小球时的状态，此时小球颜色变为红色，表示手指抓取到小球，且手指内侧的振动马达开始振动从而为用户提供一定的触觉反馈。在抓取状态下，小球可随手指在空间中移动。
6 结论
针对虚拟交互设计的裁判员手势控制器立意较新颖，能够流畅地完成动态手势跟踪及虚拟交互。在比赛场地中且不需要苛刻的实验环境条件下，该控制器稳定可靠，佩戴舒适，能够较好地满足裁判员手势跟踪的操作需求，并且还可用于快速获取裁判员对赛事判决，具有广阔的现实应用前景。
参考文献
[1]张文，牟艳，高振兴，等.基于移动终端的壁球裁判评分系统设计[J].微处理机，2017，38 （03）：46-51.
[2]林一，陈靖，刘越，等.基于心智模型的虚拟现实与增强现实混合式移动导览系统的用户体验设计[J].计算机学报，2015，38 （02）.408-422.
[3]孔丽文，薛召军，陈龙，等，基于虚拟现实环境的脑机接口技术研究进展[J].电子测量与仪器学报，2015，29 （03）：317- 327.
[4] 张立志，黄菊，孙华东，等.局部特征与全局特征结合的HMM静态手势识别[J].计算机科学，2016，43 （2）：247-251.
[5]张毅，姚圆圆，罗元，等，一种改进的TLD动态手势跟踪算法[J].机器人，2015，37 （06）：754-759.
[6]余超，关胜晓.基于TLD和DTW的动态手势跟踪识别[J].计算机系统应用，2015，24 （10）：148-154.
[7] 覃文军，杨金柱，王力，等.基于Kalman滤波器与肤色模型的手势跟踪方法[J].东北大学学报：自然科学版，2013，34 （04）： 474-477.
[8]孙伟，初婧，丁伟，等，基于IMU旋转的MEMS器件误差调制技术研究[J]，电子测量与仪器学报，2015，29 （02）：240-246.
[9]王少阳，张瑞峰，孙晓伟，等.基于FPCA的MEMS测量控制系统的设计[J].电子测量技术，2014，37 （12）：58-61.
[10]孙凯，严潇然，谢荣平.基于手势识别的智能家居人机交互系统设计[J].工业控制计算机，2014，27 （04）：54-56.
[11]陈俊江，李华，汤呈祥，等.基于MEMS传感器的肢体康复程度检测系统[J].沿海企业与科技，2015，（04）：28-32+20.
[12]林伟强，庄宝山，动态手势轨迹跟踪与HMM模式识别[J].电脑知识与技术，2014，10 （32）：7714-7718 +7733.
[13]李华兴.MEMS惯性传感技术专利分类对比研究[J].中国科技信息，2016，（16）：106-107.
[14]张小跃，杨功流，张春熹.捷联惯导，里程计组合导航方法[J].北京航空航天大学学报，2013，39 （07）：922-926.
[15]赵晓颖，温立书，么彩莲，欧拉角参数表示下姿态的二阶运动奇异性[J].科学技术与工程，2012，12 （03）：634-637.
[16]吴能伟，基于方向余弦的交会方法[J].光电子·激光，2017，28（O1）：87-90.
[17]乔相伟，周卫东，吉宇人.用四元数状态切换无迹卡尔曼曼滤滤波器估计的飛行器姿态[J].控制理论与应用，2012，29（01）：97-103.
[18]庞鸿锋，潘孟春，王伟，等.基于高斯牛顿迭代算法的三轴磁强计校正[J].仪器仪表学报，2013，34 （07）：67-72.
[19]江杰，朱君，岂伟楠.四旋翼无人飞行器姿态数据采集处理系统[J].计算机测量与控制，2012，20 （06）：1703-1706.
[20]王利华，胡志东.基于乒乓结构的数据打包技术[J].信息通信，2014，（03）：20-21.
[21]周青春，狄尊燕，周昱.量子点、量子点分子及耦合腔场的纠缠动力学[J].广东工业大学学报，2014，31 （02）：7-13.
传感器技术论文范文第5篇
1 一维光子晶体PBG的性能
利用传输矩阵法, 预测多层介质的光带隙性能, 将一层介质等效成一个界面, 应用电场强度E和磁场强度H的切向分量在界面两侧连续的边界条件, 得到入射介质中的光场E0, H0与出射介质中的光场E2, H2之间的关系为:
矩阵M1称为介质层的特征矩阵, 它包含了介质层的全部有用参量, 并且为单位模矩阵;δ1= (2πλ) N1d1cosθ1为相位厚度, N1, d1为介质层的折射率和几何厚度, 两者的乘积为光学厚度, 1θ为光线在介质层中与法线方向的夹角, 1η为有效导纳, 对于p偏振, η1=N1/cosθ1, 表1 MgF2和ZnSe的弹性性能和折射率对于s偏振, η1=N1cosθ1。设光子晶体由k层介质组成, 则整体特征矩阵为:
则反射系数r和透射系数t为:
而反射率为:
由此可以得到光线在光子晶体中的传播特性, 我们用常规的高低折射率相间的λ/4膜系模拟可见光长波区的一维光子晶体结构, λ为中心波长, 每个周期包含一层高折射率材料以及一层低折射率材料, 每层的光学厚度相等, 均为λ/4。随周期数的增加, 光子晶体的带隙结构趋于稳定。图1所示出具有6个周期 (共12层) 的某光子晶体的反射光谱, 禁带起始波长1λ和禁带截止波长1λ之间的光波被全部反射, 禁带宽为λ2-λ1。
2 光子晶体的受力与PBG性能的关系
假设光子晶体中各材料是各向同性的弹性材料, 并且受力后其介电性能不发生改变, 仍然用高低折射率相间λ4膜系模拟可见光长波区的一维光子晶体结构, 选取在该区透明的MgF和2ZnSe作为基本材料, 其弹性模量、泊松比和折射率如表1所示。选择中心波长为650nm, 则Mg F2层的厚度为119nm, ZnSe层的厚度为65nm共有6个周期, 而且光正入射到光子晶体上, 可以通过数值法计算得到, 将各层介质受压力后的厚度代入 (1) ~ (4) 式, 就可以得到一维光子晶体受压力后的反射光谱, 图2示出压力对带隙结构的影响, 可以看到施加压力后, 禁带的位置向短波方向移动, 同时禁带宽变小图3和图4示出压力与起始波长和截止波长之间的关系, 可以看出它们之间都呈简单的线性关系。这样, 根据起始波长和截止波长可以很容易地推断出压力的大小, 而精度只取决于对光波波长测量的精度。定义压光敏感系数为, 其中p为压力, 压光敏感系数的含义为压力引起的波长相对变化。根据图3和图4, 可得到起始波长的压光P敏感系数为, -8.8×10-6MPa-1, 截止波长的压光敏感系数为-9.0×10-6MPa-1为了提高压光敏感系数, 可以选择具有较小弹性模量的材料。
以上通过研究机械载荷对光子晶体的光带隙性能的影响, 发现两者之间存在简单的线性关系, 并因此提出了利用这种对应关系研制压光传感器的可能性。由于光子晶体的结构周期和光波波长为一个数量级, 也就有可能制造出一系列精巧的压光传感器或者其他精密仪器。这种传感器的一个优点是可以在不直接接触到受压区域的情况下测量压力的大小。那么温度载荷对光子晶体的形变影响是什么呢?我们来看一下光的相位特性, 许多光物理现象与相位特性有关。在光子晶体中, 几乎所有光物理现象都与相位特性相关联, 基于光子晶体相位特性的温度传感器, 它具有很高的灵敏度。
2.1 含耦合缺陷的不对称结构光子晶体的物理特性
光子晶体缺陷模的相位特性过去很少被应用, 其主要原因如下:在缺陷模光是高透射的, 离开缺陷模光是高反射的, 这种透射光或反射光的光强剧烈变化会使相位测量中光强无法恒定。另外相位还受衬底等影响。通过研究我们发现, 以上问题都能通过光子晶体不对称结构或异质结结构获得解决。我们计算和研究了含缺陷的一维光子晶体不对称结构的带隙和相位特性。不对称结构使缺陷模的高透射消失, 即整个带隙 (包括缺陷模频率) 的反射率接近于1, 但在缺陷模频率附近反射光的相移随频率迅速改变。对应耦合缺陷模的每一个子峰, 相移等于2π, 对含5个耦合缺陷层的缺陷模, 相移等于10π, 并且不对称结构使衬底的影响被克服。相位曲线中有近似线性一段, 这种近似线性关系在光子器件的应用中很有价值。下面我们基于光子晶体相位的上述特性, 以温度传感器为例讨论光子晶体相位特性在传感器中的应用。
2.2 高灵敏高分辨率光子晶体相位温度传感器
如果光子晶体缺陷层的介质是温度敏感材料, 温度变化时, 缺陷模的频率和相位都将随着温度而变化。根据热光效应, 温度直接导致的折射率变化可表示为。这里的为折射率随温度变化系数 (也称热光系数) , 越大, 说明温度引起的折射率变化就越明显。本文的计算中将选环氧树脂作为耦合缺陷层。环氧树脂的参数如下:折射率为1.5122。耦合缺陷模中含多个子峰, 两边沿的子峰频率处的相位随频率变化最剧烈。利用此最边沿的子峰获得较高的温度灵敏度, 且缺陷层越多, 则子峰越密, 即灵敏度越高。所以, 本文中用含10个耦合缺陷层结构, 并用频率最高的子峰的相位特性为例进行研究。具体的结构为 (LH) 3D- (HL) 3H (LH) 3D (HL) 3H (LH) 3D (HL) 3H (LH) 3D- (HL) 3H (LH) 3D (HL) 8, 其中nH=3.3, nL=1.45, nD=1.5 1 22 (环氧树脂的折射率) , nDdD=λ0/2, nHdH=nLdL=λ0/4。对这一结构计算得到的缺陷模中频率最高的子峰的相位特性能很好满足相位温度传感器的要求。如果在某项特殊应用中既要有很高的灵敏度又要有较宽的测量范围, 也可考虑用如下方法解决:可以设计一种特殊光子晶体, 其杂质层是热敏材料, 而周期层是电场诱变折射率材料, 这样就能用电场分档改变测量范围而实现宽范围测量。另外, 对高温的测量则要另选材料。利用光子晶体不对称结构解决了耦合缺陷模的不对称结构, 把光子晶体的相位特性原理制作出了高灵敏高分辨率温度传感器。
3 结语
本文具体分析了机械载荷与温度载荷光子晶体传感器原理可能制造出一系列精巧的压力、温度传感器或者其他精密仪器。这种传感器的一个优点是可以在不直接接触到受压区域的情况下测量压力的大小, 应当指出, 本文的工作还是探索性的。
摘要：当光子晶体材料承受外载荷时, 必然会引起形变, 并改变其组成材料的空间排列方式, 从而导致其光带隙性能的改变。而外载荷与光带隙性能之间的对应关系, 计算表明, 压力的大小与禁带起始波长、截止波长和禁带宽之间呈简单的线性对应关系, 通过测量光带隙性能而制造出感知外载荷的传感器。外载荷也可以是温度载荷, 对含耦合缺陷的不对称结构光子晶体的研究发现, 其缺陷模频率附近的反射率接近于1, 而缺陷模频率附近反射光的相移随频率迅速改变;当缺陷层为折射率的温度敏感材料时, 温度的极微小变化就能使处于缺陷模频率的反射光相移发生很显著变化。根据这一原理, 设计了高灵敏高分辨率的相位温度传感器。
关键词：光子晶体,压光,光的相移
参考文献
[1] John S 1984 Phys.Rev.Lett.53 2169.
[2] John S 1987Phys.Rev.Lett.58 2486.
[3] Yablonovitch E 1987 Phys.Rev.Lett.58 2059.
[4] Liu X Y2000Acta Phys Japan.J.Appl.Phys.38 L786.
[5] Noda S, Yokoyama M, Imada M, Chutinan A, Mochizuki M2001 Science 293 1123.
[6] Wang Z, Fan S H 2005 Opt.Lett.30 1989.
[7] He Y J, Su H M, Tang F Q, Dong P, Wang H Z 2001ActaPhys.Sin.50 892 (in Chinese) 何拥军, 苏慧敏, 唐芳琼, 等.物理学报, 2001, 50:892.
[8] Zhong Y C, Zhu S A, Wang H Z 2006 Acta Phys.Sin.55688 (in Chinese) 钟永春, 朱少安, 汪河洲.物理学报, 2006, 55:688.
[9] Wei Z C, Dai Q F, Wang H Z 2006 Acta Phys.Sin.55 733 (in Chinese) 韦中超, 戴峭峰, 汪河洲, 物理学报, 2006, 55:733.
[10] Li-Ping Xu, Ting-Dun Wen, Xiao-Feng Yang, and Wen-Dong Zhang.The resonant tunneling in Si1-xGex/Sisuperlattices.Solid State Phenomena Vols, 2007:121～123.
[11] Li-Ping Xu, Ting-Dun Wen, Xiao-Feng Yang.Mesopiezoresistive effects in double-barrier resonant tunnel-ing structures[J].Applied Physics Letters, 2008, 92:043508.
传感器技术论文范文第6篇
关键词:Zigbee;RFID; 无线传感器网络;管理系统
随着医院信息化建设的不断深入,医院信息 管理系统的建设将以临床患者为中心,建立直接服务于医护人员与患者的实时主动识别管理 系统。无线传感器网络和自动识别技术在医院信息化中的建设将成为未来医院管理系统建设 的发展目标。新的医院信息管理系统将实现对患者的实时、主动监控,并实时获取患者相关 信息,使医护人员即时掌握每个患者的相关数据,通过采集患者的相关生理信息,用做诊疗 的依据。利用基于Zigbee与RFID技术的无线传感器网络可以建设一个适合医院需求的主动管 理系统,在医院中实现对患者的自动管理与实时监测等功能,建设以患者为中心的新型医院 管理系统。
1 无线传感器网络硬件的构建
1.1 无线传感器网络简介
Zigbee技术是低速率短距无线通信技术标准,是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技 术标准[1,2]。RFID是非接触式自动识别技术的一种[2]。基于Zigbee和RF ID技术的无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是由微型传感器节点相互协作构 成的一个多跳自组织网络[3],其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域内被 监测对象的信息,如温度、湿度、压力、移动物体的速度等。WSN具有传感器节点数量大、 分布广、网络动态性强、感知数据流大、单个节点成本低等特点。WSN技术的出现使人们获 得了一种可以持续实时监测的新方法,可以广泛应用于环境检测、医疗健康等。
1.2 无线传感器网络的构建
无线网络系统由电子标签节点(传感器节点)、固定网络节点、协调器节点(路由节点)和网关 组成。固定网络节点采集到的电子标签数据传到协调器节点,然后由协调器节点将数据转发 到网关或经过其他协调器节点再次转发。应用服务器通过TCP/IP网络协议与网关通讯并取得 电子标签数据,并将数据处理后存入数据库服务器。无线网络采用自组织的簇树状的网络拓 扑结构,多个电子标签节点与固定网络节点构成数据采集网络。在住院部病房以及其他需要 定位和网络连接的相关位置安置多个低功耗无线网络全功能设备(FFD),用作无线传感器 网络的网络控制与路由节点,实现无线网络信号的接收和传输。其中,一部分无线网络全功 能设备只作为路由节点,起到无线网络的路由功能,另一部分无线网络全功能设备用作无线 网关节点,具有接收电子标签信号的作用,并将收集到的信号通过有线网络传到后台网络服 务器中,数据通过处理后,在系统服务器中实现数据的相关管理。
2 系统软件设计
本系统的软件部分主要包括系统管理软件与数据库,无线网络接收节点和电子标签的信息读 取与接收控制程序,数据通信程序等功能模块。其中系统管理软件是整个软件系统的基础与 核心。根据系统总体设计和功能分析,结合信息管理系统的实时性、可靠性、灵活性和稳定 性要求,管理系统软件的设计方案如下。
2.1 系统体系结构
本系统采用基于.NET开发环境下的多层B/S架构,微软.NET是在网络中连接各种信息资源、 系统与设备的软件体系架构。
微软的.NET体系结构的核心是.NET Framework。.NET Framework是一个计算机软件平台,它 通过提供一系列的标准框架使得基于互联网的高性能分布式应用程序开发大大简化[4 ]。.NET Framework是创建、部署和运行Web服务及其他应用程序的一个软件环境。它包 括3个主要部分:公共语言运行时、框架类和ASP.NET。.NET框架与编程语言无关,任何语言 都可以支持.NET框架。可以用各种语言来创建.NET程序,包括:C++,Microsoft Visual Bas ie.NET,JScript和Microsoft C#等。.NET还引入了公共语言规范(CLS),提供了语言集 成必需的一系列基本规则。CLS规定了成为.NET语言的最低要求。符合CLS的编译器都可以生 成彼此能互相操作的对象。整个框架类库(FCL)都可以被CLS的任何语言使用。.NET框架位 于操作系统的上层,由Windows窗体、Web应用、ASP.NETWEB服务、数据类、基类通用语言运 行时等构成。
2.2 系统运行与开发环境
本系统在Microsoft windows 2003 server操作系统平台上运行,WEB服务器为II S 6.0,数据库服务器使用Microsoft SQL Server 2000数据库,使用Microsoft Visual Stu dio 2008 作为系统开发开台,在开发管理系统时可以减少代码的输入,提高开发效率。
2.3 系统功能设计
管理系统软件主要实现以下功能。
2.3.1 系统登录模块 用户通过系统登录模块进行用户身份认证,系统根据用户 的身份和权限,分配对应的使用和操作权限。若用户登录成功,则进入不同用户权限的系统 操作界面,若果登录失败则提示用户重新输入用户名或口令。
2.3.2 基本信息管理模块 通过原医院管理系统(HIS)的基本数据库信息,并根 据各科室住院病房的分配情况,管理住院患者住院房号等基本情况,主要包括住院患者的住 院信息管理、诊疗医嘱管理和外出诊疗疗信息管理等程序功能模块。
2.3.3 网络标签管理模块 无线网络标签管理模块主要包括无线网络系统设备的 管 理和住院患者电子标签数据管理,完成对住院患者信息进行处理,并按照一定的规则进行编 码分配电子标签。主要包括住院患者的个人电子标签的发放,信息更改和收回等管理等程序 功能模块。
2.3.4 实时监控管理模块 主要是对住院患者在住院部进行活动情况的记录,实 现对住院患者活动情况,外出诊疗和限制住院患者未经医护人员允许外出或离开医院的监控 。住院患者位置信息通过服务器发送到监控主机后,由软件进行实时分析处理并在计算机屏 幕上实时显示当前住院部患者分布等情况。当携带电子标签的患者进入无线网络的检测范围 并被记录到时,后台管理软件即在软件中显示出来,并显示出此患者的电子标签的ID号。
2.3.5 诊疗数据管理模块 实现对住院患者日常诊断、治疗、处出治疗和用药等 情况的监控与管理;可随时查看住院患者的历史和当日的诊疗数据。主要包括日常诊断数据 、医嘱用药管理、患者费用管理和治疗情况管理等程序功能模块。
2.3.6 数据查询管理模块 数据查询模块主要完成通过各种条件对原始数据进行 检索并汇总的功能,具体功能包括:①查询住院患者的动态分布情况和数量。②查询任一住 院 患者当前位置和指定时间所处的位置。③查询任一指定位置的住院患者情况,并进行实时跟 踪显示。④查询住院患者诊疗完成情况。⑤全科住院患者活动、用药和外出等数据查询。
2.3.7 统计报表管理模块 数据统计模块主要是对住院患者的相关情况进行统计 汇总,并按照需要的格式进行报表的输出,主要包括报表生成、报表打印、报表编辑和报表 输出管理等功能。
2.3.8 系统维护管理模块 系统维护模块主要是完成对整个管理系统进行初始化 操作和对各种与系统相关的重要数据进行维护的功能。主要包括系统数据管理、用户管理、 基础设置管理、日志管理和SQL操作管理的增加、删除、修改和权限等管理功能程序 模块。
笔者提出了无线传感器网络在医院住院管理系统中的应用,该系统不仅能够提高医院住院部 的管理效率,也能明显提高住院患者管理系统在日常诊疗过程中的有效性,为患者的医疗提 供准确、重要的医疗数据资料,提高对患者的治疗和管理效率,顺应了医院管理的需要和数 字化、信息化的建设要求。
参考文献:
[1] 王东.利用ZigBee技术构 建无线传感器网络[J].重庆大学学报:自然科学版,2006,(8):22-28.
[2] 朱成,陈明,刘成智.Zigbee与RFID技术在医院信息化建设中的应用[J].华夏医学,2008,21(3):550-551.
[3] 童利标,漆德宁.无线传感器网络与信息融合[M]. 合肥:安徽人民出版 社,2008:14-23.
[4] 王毅.NET Framework 3.5开发技术详解[M].北京:人民邮电出版社,200 9:2-6.
(收稿日期: 2009-11-03)
[责任编辑 高莉丽 邓德灵]