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医学信息学解锁27(2021)100775低功耗无线传感器在网络Rajesh Kumar Garg,Jyoti Bhola1,Surender Kumar Soni2电子通信工程系,NIT Hamirpur,HP,印度A R T I C L E I N F O关键词:医疗登山救援行动无线传感器网络A B S T R A C T长期以来,山脉吸引了许多爱好者和徒步旅行者来征服高峰或探索风景如画的地形。一队登山者携带必要的设备,攀登陡峭的斜坡和通过崎岖的地形。通过主要控制中心监测这些活动。报告机制是根据需要定期进行的,或在一天的简要报告结束时进行。 队员们在雪崩的威胁下旅行,一旦发生事故,受害者就会被埋在雪堆里。在这些事故中,65%的死亡是由于窒息,29%是由于创伤,其余是由于体温过低,溺水和原发性心脏骤停。商业上可用的小工具和以前开发的电子系统是为正常居住而设计的。他们使用WiFi服务在物联网平台上传输健康参数。使用者应该有意识和自我意识,以监测和交流健康参数,而被掩埋的受害者遭受创伤,仍然无法移动/失去知觉。本文旨在解决登山者在正常条件下以及在不需要WiFi连接的情况下徒步旅行时的医疗保健问题。拟议的电子系统使用低功耗芯片,可承受高达-40° C的低温。该系统监测氧气水平、心率、体温等,并通过采用无线传感器网络、LoRa和卫星调制解调器中的技术进步将编译的数据分发到中央控制站。在意外埋葬受害者的情况下,电子系统配备了一个特殊功能,可以自动激活操作模式5,并以最佳功率向主节点传输数据。该系统可定期评估登山者的健康状况,以便及时进行搜救行动,挽救宝贵的生命。1. 介绍无线传感器网络(WSNs)已被概念化,以监测和记录物理参数的帮助下,专用的传感器节点。加州大学伯克利分校于2003年宣布了“智能灰尘”的想法,用于在小型设备的帮助下收集信息。后来,伯克利注意到了在预期的大小与能量存储需求之间。然而,设计和开发具有成本效益和可持续的传感器节点的研究仍在继续。在无线传感器节点的设计中,通常采用体积小、功耗低的电子芯片。 首先,他们携带一个小电池源,低内存和小处理能力,以监测目标参数更长的持续时间[1]。 作者已经设计了能量有效的源节点以及汇聚节点,用于保存传感器节点中可用的能量[2]。传感器节点的无线电模块消耗最高的权力。能量有效的路由协议[3-一些作者强调路径损耗的先验估计,以便无线电模块发送最佳功率量[11]。无线传感器网络目前被用于各种应用,即,工业过程、战场信息、环境监测、安全、监视等。[12一些作者已经使用低功耗的无线传感器网络,并提出了监测目标应用的案例研究。Evers等人[15]讨论了采用无线传感器网络管理物流过程的案例研究。 可回收运输物品(RTI)用于按照 订单 名单该过程是手动的,错误。 作者概念化的无线传感器网络为基础的系统架构,自动化的分配过程。一些研究人员[16]提出了一个案例研究部署无线传感器网络的健康∗通讯作者。电子邮件地址: rk. nith.ac.in(R.K. Garg)、jyotib@nith.ac.in(J. Bhola)、soni@nith.ac.in(S.K.Soni)。1 共同作者-1。2 共同作者-2.https://doi.org/10.1016/j.imu.2021.100775接收日期:2021年7月12日;接收日期:2021年10月24日;接受日期:2021年10月25日在线预订2021年2352-9148/©2021的 自行发表通过Elsevier 公司这是一个开放接入文章下的CCBY-NC-ND许可证(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)中找到。可在ScienceDirect上获得目录列表医学信息学期刊主页:www.elsevier.com/locate/imuR.K. Garg等人医学信息学解锁27(2021)1007752监测布拉格和伦敦两个地下隧道的结构。无线传感器网络允许快速部署,作者发现此功能有助于在时间受限的环境中安装传感器节点 场景地下铁路。作者强调了无线电连接问题,并通过部署中继节点和多个网关来解决这些问题。Tsitsigkos等人。[17]讨论了一项基于物联网,无线传感器网络和移动设备的案例研究,用于监控房屋中的运动,未来的目标是照顾老年居民。 Tuna等人[18]提出了一个案例, 智能电网链路可靠性和节点寿命评估研究。他们使用电力环境中的现场测试数据来得出结果。建议在制定无线传感器网络监测方案时,考虑节点发射功率、距离和通信信道特性。 Ningombam等人。[19]使用基于Zigbee的WSN技术为茶园设计了一个自动化系统。他们的中央决策支持系统决定灌溉,农药,化肥和霜冻过程管理的控制措施。随着传感器设备的集成,以及计算和通信能力的不断提高,无线传感器网络将变得更加平滑地集成到物理世界中。雪崩是山区的一个主要风险,会导致致命的事故,基础设施损坏,并对冰雪覆盖的地形中的登山探险造成生命威胁[20]。印度大马来山脉发生此类事故的数量最多。在查谟和克什米尔、喜马偕尔邦和北阿坎德邦,有216个定居点和11条重要道路位于易发生雪崩的斜坡下。军事行动和民间探险在崎岖的地形中进行 在山区,需要持续监测小组成员的位置和行动。国家机构或中央控制站观察计划的移动,以便在可能发生的情况下启动搜索和救援(SAR)行动。由于天气不稳定和山区气候寒冷,这些行动时间紧迫。1959年2月1日,在乌拉尔山脉北部的一次滑雪探险中,9名俄罗斯滑雪者因不明原因死亡。页面等人[22]分析了自1950年以来45年雪崩事故的数据1994年的调查,并观察到大多数受害者(87.7%)被完全掩埋。一些受害者(4.7%)被部分掩埋,7.6%没有被掩埋。Mair等人[23]发现,雪崩事故中,当受害者被旁观者或团队成员救出时,幸存率约为80%,而当受害者被直升机搜救队救出时,幸存率为20%。2018年,Sheets等人[24]根据科罗拉多雪崩信息中心21年(1994年至2015年)的数据调查了雪崩受害者的死亡原因。 他们发现,65%的死亡是由于窒息,29%是由于创伤,并平衡由于体温过低,溺水和原发性心脏骤停造成的死亡。2016年2月3日,雪崩袭击了印度的一个军事基地,北部锡亚琴冰川地区[25]。10名士兵被埋在海拔19,600英尺的35英尺的雪下,温度为-45°C。9名士兵在事件中丧生,然而,Lance Naik Hanumanthappa Koppad于2月8日在印度军队的SAR行动中被救出后来,他无法生存因为多个器官衰竭2019年2月20日,六名士兵被埋[26],雪崩袭击了位于喜马偕尔邦(印度)金瑙尔(Kinnaur)Pooh的中国边境的Shipki La山口。陆军发起的大规模搜救行动持续了23天,以找回所有尸体。2020年1月13日,许多徒步旅行者被困在拉达克(印度)的Chadar Trek-Zanskar山谷,因为河水在结冰的冰面上流动。在列城当局的要求下,印度陆军和空军救出了41名徒步旅行者。2021年4月23日,雪崩袭击了印度北阿坎德邦Joshimath北部的边境公路支队和劳动营。印度军方救出384人,并找到10具尸体[28]。Strapazzon等人[29]研究了气候变化对雪崩事故和生存的影响作者突出了印度喜马拉雅地区搜救基础设施的缺乏。 军事人员、登山者、徒步旅行者、登山运动员和居民面临被雪崩/雪堆掩埋的潜在危险。为了挽救宝贵的生命,应立即在事故现场展开搜救行动。因此,需要建立与中央控制站的连续通信以更新位置和健康参数。在过去,研究人员已经开发了基于物联网的解决方案,用于患者和老年人的健康监测。Garbhapu等人[30]实现了基于物联网的传感器节点,用于健康监测。他们的系统 采用 LM35 温度 传感器 具有一个 精度的±0。5C.无线电连接由nRF 24L01模块用于使用802.11 WiFi协议将健康参数传送到Raspberry Pi 3并进一步传送给医生。 在他们的论文中,Ogunduy-ile等人[31]开发了一种无线身体区域基于网络的系统,用于监测老年人和其他康复患者的健康参数。收集生理数据并通过GPRS/互联网上传到医疗健康服务器(MHS)进行分析。 Mohsen等人[32]开发了用于健康监测的自供电可穿戴节点。使用WiFi微控制器单元(ESP8266)将数据上传到Ubidots云服务器。Parate等人[33]提出了基于节点MCU(ESP32)的便携式健康监测系统,该系统包括:基于单线协议的数字温度计DS18B20。他们的温度传感器的±0。在−10<$C至+85<$ C的工作范围内为5<$C。 Tham等人。[34]使用WiFi微控制器单元(ESP8266)来制作物联网健康监测设备。卡达里纳[35]为母亲和孩子开发了一个医疗保健系统。 使用Thingsboard物联网(IoT)平台进行部署。 对于当地的搜救行动,雪崩受害者探测器 ”[36]也有使用。 该设备采用无线电信标,缺乏嵌入健康参数和地理位置的智能。Majumder等人[37]的综述文章介绍了现有医疗器械的最新技术水平调查。他们讨论了使用可穿戴电子设备独立监测健康参数的许多选项。 在所有开发的系统中,需要WiFi连接以确保通信。商业服务正在半城市或乡村地区蔓延,数据可以通过物联网云服务传输。然而,传统的GSM/互联网/WiFi服务目前在偏远的徒步旅行和高山地区不可用。缺乏沟通给登山队带来了连通性的挑战。卫星调制解调器具有与偏远地区通信的能力,可以在微控制器的帮助下进行编程,以便将健康数据传输到中央控制站。智能手表和小型健康监测设备已设计有先进的电子芯片。商业上可用的小工具测量健康参数并通过WiFi进行通信。在偏远地区,无法使用传统的GSM、互联网或WiFi服务。这些小工具还需要用户有自我意识和意识来传达健康参数。在雪崩/雪堆中意外掩埋的情况下,受害者遭受创伤并保持不动/无意识。在这种情况下,监测和通信的整个过程必须在传感节点的能量资源内以自动模式进行。他们应该使用最佳的发射功率,以保持节点存活更长的时间,以增加成功救援的机会上述差距激发了作者承担目前的研究工作。建议的电子系统配备了微型芯片,用于监测窒息严重程度的氧气水平,体温过低, 心率和心电图 健康 的心。无线传感器网络有助于确保与团队领导的本地通信,卫星调制解调器将数据传输到中央控制站。如遇意外掩埋,电子系统会自动进行健康监察及报告地理位置,以便在意外地点立即展开搜索行动。为了简洁起见,它被命名为基于无线传感器网络的搜索和救援设备(WSARE)。WSARE估计了R.K. Garg等人医学信息学解锁27(2021)1007753附近的救援节点,并以最佳传输功率进行通信,以使受害者的节点在更长的持续时间内保持活跃。 这些方面在以下章节的手稿中介绍:第1节描述了无线传感器网络的潜力,案例研究,历史事件的事故在积雪地区,以前的研究工作,健康监测系统,以及研究差距,以承担目前的工作。第2节讨论了可以在远程现场位置测量以进行健康监测的重要参数。第三部分介绍了实现WSARE的芯片和模块的选择。它进一步提供了对WSN配置和各种操作模式的了解。第4节解释了用于改进操作方法和节省船上电力的埋入测试的结果和细节。最后,第5节总结了手稿的发现。2. 生命健康参数2018年,Sheets等人[24]调查了雪崩受害者的死亡原因。他们发现,65%的死亡是由于窒息,29%是由于创伤,其余死亡是由于体温过低,溺水和原发性心脏骤停。因此,在现场场景中,需要监测氧饱和度水平、心率、体温和ECG。一个人的生命体征的正常范围因年龄、体重、性别和整体健康状况而异。可在现场记录的生命参数的简要细节如下:(a) 氧饱和度读数(OSR)定义为氧饱和血红蛋白相对于血液中总血红蛋白(不饱和+饱和)的比值。这是确保肺功能的重要参数,特别是在人类因COVID-19而遭受痛苦的时候。 在健康成人中,动脉血氧饱和度水平在95%至100%的范围内。在低氧血症的情况下,OSR降至90%以下。如果OSR低于80%,那么身体(b) 健康成人的体温在36.1 ℃体温低于35摄氏度可能导致体温过低;在高山寒冷气候中观察到的(c) 心电图(ECG)是一种借助电极和记录设备显示心脏电活动的测试。ECG用于检查心脏功能的健康状况。(d) 心率(HR)定义为每分钟心跳次数(bpm)。在休息的健康成人中,HR从60 bpm变化到100 bpm。在正常情况下,HR大约是RR的四倍。(e) 呼吸频率(RR)定义为每分钟呼吸的次数一个成年人在休息时的正常呼吸频率是每分钟12到20次RR受体育锻炼、焦虑、肺部疾病、心脏并发症、药物等的影响。RR是根据研究算法从ECG中得出的[38,39]。(f) 脉搏呼吸商(PRQ)是一个衍生参数,定义为比率 心率与呼吸率的比值朔尔克曼 等人[40]强调PRQ捕获心肺系统的复杂调节状态。他们进一步讨论了PRQ用于疾病分类和监测的医学方面。商业上可获得用于测量上述健康参数的电子装置。在遇难者被掩埋的场景中,整个记录和传输过程必须在自动模式下进行。拟议的基于无线传感器网络的搜索和救援设备(WSARE)是为了捕捉登山者的生命体征,在移动中或意外埋葬中。WSARE帮助中央控制站作出启动搜索和救援行动的知情决定。呼吸率和脉搏-呼吸商是导出的参数。WSARE可测量的其他健康参数的操作范围如下:Fig. 1. [43]第四十三话• SpO2水平或氧饱和度读数(OSR):校准后,SpO2可在70%至100%之间测量[41]。• 体温:传感器能够测量0° C至50° C范围内的温度,并提供临床级精度(0.1° C)。• 心率:20至255 bpm,可通过嵌入式编程进行配置。• ECG:ECG的输出电压由模拟电路捕获。 端口电压范围为0至3.3V。3. 材料和方法3.1. 硬件设置对于健康监测项目的实施,Arduino Mega板比Arduino Mini或Uno板具有优势。Mega板围绕ATMega2560(图1)微控制器设计,可配置为在3.3 V和8 MHz时钟频率下工作。ATMega 2560的接线板显示了用于集成传感器/通信模块的端口数量。该芯片由Arduino IDE支持,程序可以通过引导加载程序轻松上传。 它具有8 kB SRAM和256 kB闪存用于存储和运行嵌入式程序。需要大的存储器来存储通信协议无线电和卫星调制解调器。内置54×数字输入/输出引脚、4× USART、16×模拟通道,支持SPI和I2C总线。低压差稳压器MIC 2937 A-3.3BT [42]用于调节宽输入电压(4.3 V - 26 V),并在160 μA(典型值)的极低静态电流下提供固定输出(3.3 V)。3.3 V的输出电压可确保数字 的输入/输出线路 微控制器工作在3.3V高逻辑,许多标准模块可直接集成。传统的充电电源在喜马拉雅山的偏远地区是不可用的,因此所选的芯片和模块消耗的功率非常小,以节省机载能源。它们能够承受高达-40° C的低温。 用于监测登山者健康参数和位置的芯片/模块的详细信息如下:3.1.1. 脉搏血氧仪、心率监测仪和体温喜马拉雅山的高海拔地区(>3500米)没有植被,攀登山脉时氧气水平持续下降。登山运动员的OSR在上升过程中会下降, 一个不可避免的要求。 OSR可以测量通过透射式脉搏血氧仪或反射式脉搏血氧仪。两R.K. Garg等人医学信息学解锁27(2021)1007754图二. Arduino的健康和位置的盾牌。技术是非侵入性的和安全的。透射式脉搏血氧仪是首选,因为它测量指尖/耳垂处的外周氧水平。读数与动脉血气水平相关,典型的准确度为2%。血红蛋白具有吸收光谱,并且其随着血液的氧合水平而变化。通过测量可见光和红外波段的信号,可以消除组织、皮肤等中的常见信号干扰在模拟条件下,通过比率测量和校准准确地估计氧合水平。接线板具有M/s Maxim Integrated的MAX 30101芯片[44该芯片采用了红色和红外LED的组合,用于在光电探测器的帮助下测量血液中的光吸收(图1)。2a)。到达光电二极管的入射微弱信号由低噪声模拟信号处理单元进行放大和处理。该芯片需要1.8 V和3.3 V的典型电源分别用于操作芯片和LEDLED的3.3V电源由ATMega2560板提供该器件由限流电路、驱动晶体管、精密参考电压和误差校正电路。限流器MAX30101芯片内置温度传感器,用于校正红光LED的读数脉搏血氧仪芯片安装在靠近用于测量登山者的体温。MAX30101芯片的温度精度为±1℃,对于温度的临床级测量不是很好。对于体温测量,MAX30205芯片[45]在37° C至39° C范围内提供0.1°C的精度,符合ASTM E1112的临床测温规范。体温监测有助于在第3.2节的操作模式4中触发SOS信号。如果温度下降到接近35摄氏度,小组成员将宣布体温过低的医疗紧急情况。该芯片的I2C接口适合与AT-Mega 2560集成。该芯片的功耗非常低(1 mW),关断模式下仅需0.7 μA电流,工作温度最高可达−40° C。3.1.2. ECG心电图(ECG)显示心脏的心电信号的图形变化,用于检查心脏功能的健康状况。登山者在高海拔地区崎岖的山坡上攀登时,他们的心脏会显着发挥作用。对于山区的ECG监测,选择了配备M/s ADI公司AD 8232芯片的分线板(图1)。2b)。 它具有4 mm×4 mm的非常小的外形尺寸,可在高达−40° C的低温下工作。它可以直接与ATMega2560集成。3.3 V时,典型静态功耗为170μA。该芯片的输出为模拟信号,可与ATMega 2560的“A0 "-模拟端口接口R.K. Garg等人医学信息学解锁27(2021)1007755图三. 无线电通信模块。当所有9轴模块运行时。该芯片适合在−40°C以下的低温该芯片具有与ATMega2560接口的I2C接口3.1.5. 无线电模块对于节点之间的本地通信,可以考虑使用LoRa技术的无线电收发器(E32- 433 T30 DT)(图1)。3a)。长距离(LoRa)是一种扩频调制技术,它是从线性调频扩频(CSS)技术衍生而来的。最初,它是由法国格勒诺布尔的Cycleo开发的,后来被M/s Semtech收购,是一种用于低数据速率和小数据流量的远程通信的专有产品。LoRa模块提供433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM频率。由于研究了积雪环境中的节点掩埋和路径损耗特性,因此首选433 MHz的配置频率[11]。该模块是围绕M/s Semtech的芯片SX 1278设计的,该芯片可在高达−40 ° C的低温下工作。它具有−148dBm的高接收灵敏度和−4dBm至+14 dBm,步长为1 dB。芯片支持占空比 操作更高的功率输出为+20dBm,适用于更长的范围。SX1278有一个 休眠电流极低,仅为2 μA,非常适合基于电池的工作。 该模块可配置为点对点通信模式,见图4。 健康监测系统(WSARE)框图。3.1.3. GPS定位器M/s Ublox的小型GPS定位器NEO-6 M,跟踪导航卫星,并支持使用高灵敏度GPS接收器进行定位 (图 2c)。 的 芯片 来 在一小形式 因子16.0毫米× 12.2毫米×2.4毫米,用50通道接收器监测卫星,灵敏度为−160 dBm,用于跟踪和导航。 芯片支持基于卫星增强系统(BAS),用于接收GPS完整性和校正数据的输入。该模块可承受高达−40° C的低温。它采用3.3 V供电,因此可轻松与ATMega2560集成该模块支持通用异步接收器/发射器(UART),USB和SPI端口与外部微控制器集成。3.1.4. 9轴运动跟踪模块它是一个多芯片模块,内置3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴磁力计(图1)。2d)。这些模块的组合有助于受害者意外坠落或被困在雪崩中后的惯性导航。M/s TDK InvenSense公司的MPU 9250芯片具有3 mm× 3 mm× 1 mm的小尺寸,工作在3.3V,功耗仅为3.5mA支持LoRaWAN网络运营。对于登山应用,由于节点数量较少和本地通信要求,点对点通信是首选。E32- 433 T30 DT模块支持与外部微控制器接口的UART端口。3.1.6. 卫星调制解调器登山者通常在山区的偏远地区跋涉,那里没有传统的GSM或WiFi服务。卫星上的通信有效载荷提供全覆盖,并且便携式调制解调器在现代可从多个服务提供商获得,ARGOS、IRIDIUM、GLOBALSTAR、THURAYA、INMARSAT等 的简要细节适用于远程通信的卫星系统如下:• 30多年来,ARGOS卫星系统一直用于收集环境数据和跟踪野生/海洋生物。• IRIDIUM是一个由66颗在轨活动卫星组成的卫星星座。它携带L波段有效载荷,用于全球语音和数据服务。• THURAYA在两颗地球同步卫星的帮助下为160多个国家提供全球语音和信息服务。• GLOBALSTAR是一个类似IRIDIUM的美国卫星系统,用于满足低数据速率通信和使用卫星电话的语音需求。R.K. Garg等人医学信息学解锁27(2021)1007756图五、 主节 点 和从节点之间通信的TDMA格式。• 国际海事卫星组织提供全球电话和数据服务在便携式或移动终端上。在众多的卫星服务提供商中,M/s Orbandi的ST-2100卫星调制解调器已被选为自动健康报告(图10)。3 b)。该调制解调器具有12.5cm× 8.5 cm ×12.5 cm的小尺寸3.6厘米它支持INMARSAT卫星通信,其商业业务在印度是允许的 该调制解调器工作在9 V至32 V的宽输入电压下,休眠模式下的功耗非常小,仅为280 μA。发射和接收电流分别为570 mA和75 mA。该模块具有5 F,5 V的内置超级电容器作为能量存储设备。在-40 ° C的低温下,它具有IP67外壳,可防止灰尘/湿气进入。调制解调器支持AT命令集,用于数据交换,一个串行接口,便于与ATMega2560集成3.2. 无线传感器网络与数据通信登山队由经验丰富的领队带领,其他队员的行动都在领队的指挥下控制。他携带主节点,该节点配备了卫星调制解调器和LoRa无线电模块。其他成员只携带带有LoRa无线电模块的从节点。 所有节点都有独立的电力系统,并携带传感器进行健康监测。 利用ATMega2560单片机板和3.1节给出的其他模块,完成了健康监测系统的框图。四、为了简化网络拓扑,假设所有节点都能够到达单跳LoRa通信中的主节点。主节点将基于TDMA的顺序时隙分配给其他从节点,用于查询健康参数。每个节点具有唯一地址,并且主节点发起健康参数的查询。其他节点处于监听模式。维护消息计数器以跟踪传感器节点的查询和响应消息。从节点在接收到与自身标识匹配的查询和地址时,将处理后的健康度量数据主节点向所有从节点发起顺序查询以获取健康数据。在主节点和从节点处实施CRC校验查询完成后,所有节点进入睡眠模式。根据TDMA方案的周期性和功率预算,主节点唤醒并重复测量过程。在预定的传输窗口时隙,主节点通过Orbandic卫星调制解调器将整个编译数据发送到中心站[46]。主节点和从节点之间的TDMA通信方案如图所示。 五、查询帧被启动并且响应帧由从节点准备。通常情况下,所有节点保持在睡眠模式,以节省能源消耗。节点与中心站之间的数据采集和通信操作分为五种模式:3.2.1. 操作模式1在Op-Mode-1中,所有节点在 预定义 间隔1分钟到60分钟,并在本地存储器中记录健康指标。在测量和存储之后,节点进入睡眠模式。如果健康度量不在正常范围内,则从节点启用操作模式4以用于紧急通信。3.2.2. 操作模式2Op-Mode-2在中途休息处和一天旅程结束时执行。主节点发起查询以建立和调度从节点之间的传输。它们从主节点接收数据的查询消息。一旦通信信道被激活,从节点就从睡眠模式唤醒,并且它们解码主节点的数据请求。 在与相应的唯一地址匹配时,目标从节点测量当前身体参数,并将所存储的和最新的数据发送到主节点。该序列在所有从节点中重复。在成功传输之后,节点再次切换回睡眠模式以节省板载能量。主节点合并所有从节点的数据,并随时准备更新中心站。3.2.3. 操作模式3Op-Mode-3仅由主节点执行。 从所有从节点收集的全天健康数据通过融合和聚合方法进行过滤和处理[47,48]。 处理后的数据被发送到中心站进行状态更新。 中央小组分析收到的数据,并在情况需要时向小组提供关于远程医疗的移动或管理的进一步指示。3.2.4. 操作模式4Op-Mode-4是一种紧急通信模式,由任何团队成员在出现健康问题时启动此模式取代了正常模式的通信层次结构。主节点和所有从节点在正常情况下处于睡眠模式。在激活紧急通信模式时,主节点确认事件并向其他成员警告最近的从节点的紧急情况。主节点立即在中心站报告紧急模式的任何情况以及远程医疗或发起搜救行动的情况的严重性。R.K. Garg等人医学信息学解锁27(2021)1007757见图6。 主节点操作的状态流程图。3.2.5. 操作模式5Op-Mode-5是要求最高的自动应急通信模式。它在意外跌倒或被困在雪堆/雪崩中的情况下被激活。当被困在雪崩中时,受害者经历了几次上下运动的循环。 在微型芯片MPU 9250的帮助下记录突然的运动,并激活操作模式5。9轴芯片MPU 9250的采样率高达10 Hz。中央车站被告知可能的紧急疏散和医疗照顾。队长和其他队员立即展开同伴救援行动。受害者节点上的GPS接收器提供2.4 GHz(S波段)或5.1 GHz(C波段)的位置坐标。 在材料中的穿透深度与发射的频率信号成反比。S/C频段在雪地中的穿透力低于UHF频段(433MHz)。信号的Lora 模块 操作 与GPS模块的S/C频带相比,433 MHz的GPS模块将与更深的埋地位置通信。在GPS被锁定的情况下,则计算新的位置并且将坐标发送到最近的从/主节点。如果受害者的从节点埋得很深,或者GPS天线没有正确定向,那么GPS将不会锁定。因此,新的位置将根据最后的GPS坐标和9轴芯片MPU9250的最新值计算。从接收到的RSSI估计与附近的从/主节点的分离距离。此后,根据RSSI随埋置节点的水平距离和垂直深度的变化的现场调查中所观察到的回归拟合(第4节)来确定最佳发射功率。LoRa模块−4 dBm至+14 dBm,步长为1 dB。从节点周期性地发送 受害者的 优化功率这使得受害者的淋巴结能够在被掩埋的条件下存活更长的时间,从而提高了现场救援的机会。在多个埋葬的情况下,受害者节点的健康参数和唯一地址有助于以更好的方式规划救援行动主节点和从节点的操作的状态流程图在图1和图2中给出。分别为6和7。见图7。 从节点操作的状态流程图。4. 结果和讨论一些作者已经使用低功耗的无线传感器网络,并提出了监测目标应用的案例研究。山脉的高处经历降雪事件,积雪以层状结构生长。 雪崩从一层薄弱的积雪开始,队员们面临着被埋在 大雪。无线传感器网络的进步有可能监测环境参数和跟踪高山上的人员移动。为了确定积雪中节点的埋藏效应,作者[11]于2018年2月11日至2018年2月12日在喜马拉雅山的一个偏远实验地点进行了实地测试。主节点和3个从节点按照图1中给出的布局在水平和垂直平面中以可变间隔部署。8 .第八条。节点采用Arduino Mini Board和CC1101芯片的433 MHz射频模块设计。实验观察R.K. Garg等人医学信息学解锁27(2021)1007758见图8。 积雪掩埋试验。以及主节点和从节点被埋在积雪中的时间。CC1101以dBm为单位给出RSSI值从主节点发送的无线电波在到达从节点之前遭受路径损耗。作为一个统一的模型,作者倾向于指数路径损耗模型比线性模型。实验数据的回归分析如图9所示。指数/回归模型帮助受害者节点计算到附近救援节点的近似距离以及成功通信所需的最佳功率。如果一个受害者是在这个意义上,那么救援节点在附近的存在给了他心理上的安慰和生存的希望以优化的功率传输健康和位置数据有助于受害者的从节点在SAR操作期间持续更长的持续时间。Strapazzon等人[29]强调加强印度喜马拉雅地区的搜救Majumder等人[37]的调查论文讨论了独立模式下的各种健康监测选项在以前设计的健康监测系统[30山区的偏远地区没有GSM,互联网或WiFi的商业服务。因此,WSARE配置有经识别的芯片/模块,用于在中央控制站处进行健康监测和报告。芯片/模块功耗低,工作温度低温度高达-40°C。ATMega 2560 [43]是系统的核心,它有许多用于集成芯片/模块的数字端口。它配置为在3.3 V和8 MHz时钟速度下工作,允许直接连接标准芯片/模块。MAX30101 [44]提供脉搏血氧饱和度和心率。根据临床标准ASTME1112,通过MAX30205准确测量体温[45]。AD8232 [49]有助于监测团队成员的心电图(ECG)。 使用u-blox-6的GPS定位器更新位置[50]。多芯片模块(MPU 9250)[51]可以在发生事故时检测到队员的突然移动。如果受害者被深埋在雪堆/雪崩中,GPS可能无法锁定,因此MPU 9250可以帮助计算最后已知位置的新位置。基于SX1278收发器的LoRa模块[52]能够提供团队成员之间的长距离通信,以进行定期状态更新。最后,安装在主节点上的Orbandic [46]卫星模块将团队成员的健康和位置数据传送到中心站进行监控和救援行动。在第3.2节中,详细描述了无线传感器网络实现中采用的框架。在正常操作中使用Op-Mode-1、Op-Mode-2和Op-Mode-3。Op-Mode-4由团队成员在感知到任何健康问题时启动。操作模式5在意外掩埋的情况下自动激活。 路径损耗的先验估计节省了节点中的板载能量,最佳功率传输,并且受害者的节点可以在SAR操作期间传输健康数据达更长的持续时间。在多次埋葬的情况下,利用受害者的健康数据进行更好的规划 救援行动。WSARE的概念化考虑到了电子芯片和模块的低工作温度、低功耗和小外形尺寸。它用于现场健康监测,不能替代临床研究/测试。为确保性能,应遵守以下预防措施:(a) 感测 模块MAX30101和MAX30205需要 尽可能靠近人体,以获得准确的测量结果。(b) 电池在低温下的性能下降,因此应携带足够的备份。(c) 最好是规划通过开阔地带的路线,而小组可能不得不进入茂密的森林,卫星连接可能会受到影响。在未来,可以采用低复杂度的数据压缩方案来减少健康参数的数据流量。减少 在数据将减少无线电模块的传输时间和更多的板载能源将节省。所提出的硬件可以被组装,bled和设计可以被优化,以降低整体功耗。可以结合低温对车载能量源的影响和移动中的功率再生5. 结论无线传感器网络(WSNs)已经在我们生活的大范围中找到了应用,即,环境参数、危险、工业设置、森林火灾、入侵、医院护理、军事监视应用等的监视。它们是能量受限的设备,并且各种硬件和软件方法被设计用于节省传感器节点中可用的功率。信息/数据的传输消耗了大部分电力。在本文中,低功耗无线传感器网络的应用已经概念化的登山运动员在民间探险或军事行动的健康监测。积雪覆盖的山脉构成雪崩的潜在威胁,受害者可能被埋在大雪中。团队成员采用的路由通常没有GSM/互联网覆盖,因此从团队到中心站的通信是通过卫星调制解调器实现的,团队内部的通信是通过LoRa模块实现的。采用选定的芯片/模块和ATMega 2560微控制器,设计了基于无线传感器网络的电子系统(WSARE)。WSARE定期记录和传输登山者的健康数据, 的 团队成员的远程位置。它具有操作模式1至操作模式4,用于传输健康数据和自动操作模式-5用于意外掩埋的紧急情况。该系统在及时开展搜索和救援行动方面具有潜在的应用价值。即使是雪崩下的多个埋葬也可以通过从节点的唯一地址来识别。通过采用所提出的优化功率传输的方法,节省了节点的机载能量,从而提高了持续和成功的救援行动的网络寿命。具有坚固的数据加密和本土卫星的WSARE也可以适用于高空军事行动。竞合利益作者声明,他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系,可能会影响本文报告的工作R.K. Garg等人医学信息学解锁27(2021)1007759确认见图9。 实验数据的回归模型。[16]Bennett P,Soga K,Wassell I,Fidler P,Abe K,Kobayashi Y,et al. Wirelesssensor networks for Underground railway applications:case studies in Prague作者对研究所所长为承担具有挑战性的研究任务提供的持续指导和全心全意的支持表示衷心的感谢。他的浓厚兴趣和不断的鼓励帮助我们概念化的无线传感器网络为基础的搜索和救援设备(WSARE)的自动健康监测登山。目前的研究工作是在研究所的支持下进行的,但不涉及直接资助。引用[1]Akyildiz I,Su W,Sankarasubramaniam Y,Cayirci E.传感器网络综述。IEEECommun Mag2002;40(8):102-14.[2]Garg RK,Soni SK。用于雪环境监测的节能无线汇聚节点。 Turk J ComputMath Educ 2021;12(2):1775-85.[3]海因策尔曼 WB, Chandrakasan 美联社, Balakrishnan H. 专用无线微传感器网络的协议架构。IEEE Trans Wireless Commun 2002;1(4):660-70. http://dx.doi.org/10.1109/TWC.2002.804190网站。[4]Manjeshwar A,Agrawal DP. APTEEN:一种用于无线网络中高效路由和综合信息检 索 的 混 合 协 议 。 第 16届 国 际 并 行 与 分 布 式 处 理 研 讨 会 论 文 集 。 2002,http://dx.doi。org/10.1109/IPDPS.2002.1016600。[5]陈明,权涛,毛松,袁勇,梁伟,高密度无线传感器网络中的可靠节能路由协议。传感器网络2008;4(1):104[6]KandrisD,Tsioumas P,Tzes A,Nikolakopoulos G,Vergados DD.电源控制-无线传感器网络中的穿透式能量有效路由。传感器2009;9(9):7320-42。[7]Pantazis NA,Nikolidakis SA,Vergados DD. 高能效路由协议 在无线传感器网络中的应用:综述。IEEE Commun Surv导师2013;15(2):551-91. http://dx.doi.org/10.1109/SURV.2012.062612.00084网站。[8]BholaJ, Soni S,KakarlaJ. A scalable and energy-efficient MAC protocol forsensor and actor networks. IntJ Commun Syst 2019;32(13):e4057. 得双曲正切值. doi.org/10.1002/dac.4057网站。[9]Verma S,Kaur S,Dhiman G,Kaur A. 无线纳米传感器网络中一种新的能量有效路由框架的设计。2018首届安全网络计算与通信国际会议(ICSCCC)2018,p.532-6. http://dx.doi.org/10.1109/ICSCCC.2018.8703308网站。[10] BholaJ, Soni S,Cheema G.基于遗传算法的能量有效无线传感器网络leach协议优化。JAmbientIntellHumanizComput2020;11:1281http://dx.doi.org/10.1007/s12652-019-01382-3网站。[11] Garg RK,Soni SK。用于健康监测的喜马拉雅雪中433 MHz的经验路径损耗模型。
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