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[摘要]设计一个无线传感器网络的应用模型婴儿物理行为系统。利用MoteWorks开发平台获取无线传感器网络的数据，通过数学建模的方式，利用Matlab和概率学等数学理论，定义两种婴儿物理行为的状态，并通过实际测试，对于非正常状态的婴儿物理行定义了警报，完成了实验应用目标。
[关键词]无线传感器网络 传感器节点加速计 应用 Matlab MoteWorks
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1110060－01
一、概述
无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、信息处理技术和网络通信技术，是信息技术中的一个新的领域。在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21 世纪产生巨大影响力的技术之一。
本文提出并构建了一个关于利用无线传感器网络侦测婴儿身体行为的一个简单系统。目的在于使用传感器的加速度传感器，它可以监测出十分微小的加速度。并且设计一个简单易用的系统，便于监测婴儿的身体行为，帮助妈妈们更好的管理生活。此应用也可扩展到病人护理，老人护理等。
二、开发无线传感器网络的硬件系统和软件环境
在本文中，使用到无线传感器网络的硬件部分主要包括基站和传感器节点。传感器板型号 是MTS310CA，它内嵌了2-axis 加速度传感器，无线电通信板型号是MICAz 2.4GH以及一个USB连接线，一个串行编成板，都是来自Crossbow公司的产品。这些硬件将用于建立起婴儿身体行为侦测系统的实验基本硬件框架。其他实验设备还包括电动婴儿以及婴儿床等。
TinyOS是由加州大学伯克利分校开发的一个开源的嵌入式操作系统，主要针对传感器网络的特性设计。MoteWorks是一个提供给研究无线传感器网络者使用的免费软件包，它提供了一个完整的无线网络传感器应用的软件开发环境。它主要是有三个部分的软件模块，Xmesh，Xserver，Xview。包括Cygwin，Xsniffer，Notepad2等软件组件。
三、传感器节点数据过滤和数学建模
本文利用了数学模型来分析传感器节点的运动，分别对于加速度传感器的X轴和Y轴，以及其合成的函数进行分析，其目的是为了通过分析这些数据选择出最适合作为传感器节点运动分析的一种数据。为了获得更为理想的衡量运动的数据，定义如下函数： 。这个函数的特点是，综合了X和Y的值，其函数值仍以mg为单位，和加速度传感器的X，Y输出单位一致。
在本文中，婴儿的身体行为被分成两类：正常和非正常。实验所用的是一个电动婴孩，当按下一个按钮，这个电动婴孩就会运动50秒，手脚身体的运动等。
对于函数 ，如果设X=Zσ+μ，则其中Z变量符合标准正态分布。这样X变量便可以利用标准正态分布查询表。在本课题中选取了X取值在（-3，3）之间，则此间的数据出现的概率高达99%。也就是说，婴孩的正常行为范围将被定义在99%。Matlab可以帮助很多数学计算，其中σ和μ的值是通过函数 的真实实验数据，通过Matlab的命令“mean”和“std”得出的。由此可确定婴儿身体行为的正常与否的极限点。
在确定了确立极限点后，需要定义一个警报。通过多次实践，确定在每个50秒中如果有大于等于四个值超出极限点，即有四个在99%的概率之外的数据出现，将产生一个警报。其表现是在相应的警报出现的时间点同时输出一个提示“error”，同时在Matlab中产生警鸣。
四、原型系统的实现
整个原型系统的实现过程和最终测试可以分成三个部分：
（一）配置部署系统
在这部分，主要是要配置网络硬件环境。首先将传感器板和无线电通讯板合并起来构成传感器节点，将无线电通讯板和编程板拼接起来构成基站；然后将基站和与传感器节点上的两块传感器板，分别与编程板拼接，并与电脑相连，利用MoteWorks开发平台的Notepad2向传感器节点和基站进行编程，并通过编译将软件转载到传感器板的闪存中。最后，利用Cygwin配置传感器节点和基站的数据发送接受频率，并且构建实验所需实验器材如婴儿床等。
（二）利用已有系统分析数据，确定极限和定义警报
第二阶段，将构建好的硬件环境搭好，即传感器节点已经开始和基站通讯，基站通过USB数据线连接电脑，然后通过Cygwin获取传感器节点获得的数据，并且将数据保存在dat文件中。使用C++程序将有用的信息从dat文件中过滤出来，保存在另一个文件中以待测试使用。接着，将实验数据导入Matlab。根据数学建模和分析，将实验中的C变量近似成正态分布，并通X变量过变形，制作出另外一个Z变量，符合标准正态分布，以便通过查表而得到概率。利用Matlab确定极限和定义警报。
（三）利用系统和定义的极限及警报作最终测试
最终，通过前期准备，分析研究，数学建模等，将获取的新的数据，通过已定义了的上下极限和警报，得出在Matlab中的行为分析图。这样便实现了婴儿行为正常和异常的检测。最终的测试是进行了3分30秒，通过Cygwin，计算机得到了1105个数据包。通过数据过滤得到1105组X轴Y轴的加速度传感器值。实验过程分为四部分：
第一部分，婴儿处于正常行为状态下；第二部分使婴儿处于非正常状态，即大幅运动；第四部分婴儿回归正常；第四部分婴儿基本没有运动，可以理解为睡眠状态等。在第二部分，实验为了看到明显的数据反映，施加了外力给婴儿床。所以，在第二阶段的时间内，应该出现报警，在Matlab的输出区域看到相应的报警信息。
通过Matlab数据分析得到下图的实验结果，在图2中，X轴是数据包传输，按时间推移的次序，Y轴是加速度传感器X，Y值合成C函数的值，蓝色虚线是C值被定义出的极限，在此虚线内的是出现频率为99%的数据，即被认为是正常行为的数据，在此虚线之外的是被认为不正常的数据。在最终
测试的数据中，在连续的50s内，超出99%的数据有出现四次以上的，所以该图中在第200到第300个数据中，有出现三个警报显示。这些值是明显是超出了极限，并且相对密集的。也就是说，这个时候婴儿的运动相对是异于平常的。值得引起关注。这样，从信息收集，到信息传输，到信息过滤，最后到信息分析。物理世界的抽象现象，通过科学的手段，以感性的图片形式，以精确的数学分析，体现了出来。
五、结论与展望
总体上看，当前无线传感器网络应用的研究还处于初级阶段，应用成果还不是很多。本文只是初步的一些测试和
学习，很多方面还不够细致和精确，对于实际的应用开发还需更多学习与研究。相信随着相关技术的发展和推进，无线传感器网络一定会得到更大的应用。
参考文献：
[1]孙利民、李建中、陈渝等，《无线传感器网络》.北京：清华大学出版社，2005，1-20.
[2]于海斌、曾鹏，《智能无线传感器网络系统》.北京：科学出版社，2006.
[3]Crossbow. MoteWorks Getting Started Guide.2007. http://www.xbow.com/Support/Support_pdf_files/MoteWorks_Getting_Started_Guide.pdf.
作者简介：
毛谦，男，河南省开封市人，同济大学软件学院06级软件工程研究生。
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
[关键词]无线传感器网络 传感器节点加速计 应用 Matlab MoteWorks
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1110060－01
一、概述
无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、信息处理技术和网络通信技术，是信息技术中的一个新的领域。在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21 世纪产生巨大影响力的技术之一。
本文提出并构建了一个关于利用无线传感器网络侦测婴儿身体行为的一个简单系统。目的在于使用传感器的加速度传感器，它可以监测出十分微小的加速度。并且设计一个简单易用的系统，便于监测婴儿的身体行为，帮助妈妈们更好的管理生活。此应用也可扩展到病人护理，老人护理等。
二、开发无线传感器网络的硬件系统和软件环境
在本文中，使用到无线传感器网络的硬件部分主要包括基站和传感器节点。传感器板型号 是MTS310CA，它内嵌了2-axis 加速度传感器，无线电通信板型号是MICAz 2.4GH以及一个USB连接线，一个串行编成板，都是来自Crossbow公司的产品。这些硬件将用于建立起婴儿身体行为侦测系统的实验基本硬件框架。其他实验设备还包括电动婴儿以及婴儿床等。
TinyOS是由加州大学伯克利分校开发的一个开源的嵌入式操作系统，主要针对传感器网络的特性设计。MoteWorks是一个提供给研究无线传感器网络者使用的免费软件包，它提供了一个完整的无线网络传感器应用的软件开发环境。它主要是有三个部分的软件模块，Xmesh，Xserver，Xview。包括Cygwin，Xsniffer，Notepad2等软件组件。
三、传感器节点数据过滤和数学建模
本文利用了数学模型来分析传感器节点的运动，分别对于加速度传感器的X轴和Y轴，以及其合成的函数进行分析，其目的是为了通过分析这些数据选择出最适合作为传感器节点运动分析的一种数据。为了获得更为理想的衡量运动的数据，定义如下函数： 。这个函数的特点是，综合了X和Y的值，其函数值仍以mg为单位，和加速度传感器的X，Y输出单位一致。
在本文中，婴儿的身体行为被分成两类：正常和非正常。实验所用的是一个电动婴孩，当按下一个按钮，这个电动婴孩就会运动50秒，手脚身体的运动等。
对于函数 ，如果设X=Zσ+μ，则其中Z变量符合标准正态分布。这样X变量便可以利用标准正态分布查询表。在本课题中选取了X取值在（-3，3）之间，则此间的数据出现的概率高达99%。也就是说，婴孩的正常行为范围将被定义在99%。Matlab可以帮助很多数学计算，其中σ和μ的值是通过函数 的真实实验数据，通过Matlab的命令“mean”和“std”得出的。由此可确定婴儿身体行为的正常与否的极限点。
在确定了确立极限点后，需要定义一个警报。通过多次实践，确定在每个50秒中如果有大于等于四个值超出极限点，即有四个在99%的概率之外的数据出现，将产生一个警报。其表现是在相应的警报出现的时间点同时输出一个提示“error”，同时在Matlab中产生警鸣。
四、原型系统的实现
整个原型系统的实现过程和最终测试可以分成三个部分：
（一）配置部署系统
在这部分，主要是要配置网络硬件环境。首先将传感器板和无线电通讯板合并起来构成传感器节点，将无线电通讯板和编程板拼接起来构成基站；然后将基站和与传感器节点上的两块传感器板，分别与编程板拼接，并与电脑相连，利用MoteWorks开发平台的Notepad2向传感器节点和基站进行编程，并通过编译将软件转载到传感器板的闪存中。最后，利用Cygwin配置传感器节点和基站的数据发送接受频率，并且构建实验所需实验器材如婴儿床等。
（二）利用已有系统分析数据，确定极限和定义警报
第二阶段，将构建好的硬件环境搭好，即传感器节点已经开始和基站通讯，基站通过USB数据线连接电脑，然后通过Cygwin获取传感器节点获得的数据，并且将数据保存在dat文件中。使用C++程序将有用的信息从dat文件中过滤出来，保存在另一个文件中以待测试使用。接着，将实验数据导入Matlab。根据数学建模和分析，将实验中的C变量近似成正态分布，并通X变量过变形，制作出另外一个Z变量，符合标准正态分布，以便通过查表而得到概率。利用Matlab确定极限和定义警报。
（三）利用系统和定义的极限及警报作最终测试
最终，通过前期准备，分析研究，数学建模等，将获取的新的数据，通过已定义了的上下极限和警报，得出在Matlab中的行为分析图。这样便实现了婴儿行为正常和异常的检测。最终的测试是进行了3分30秒，通过Cygwin，计算机得到了1105个数据包。通过数据过滤得到1105组X轴Y轴的加速度传感器值。实验过程分为四部分：
第一部分，婴儿处于正常行为状态下；第二部分使婴儿处于非正常状态，即大幅运动；第四部分婴儿回归正常；第四部分婴儿基本没有运动，可以理解为睡眠状态等。在第二部分，实验为了看到明显的数据反映，施加了外力给婴儿床。所以，在第二阶段的时间内，应该出现报警，在Matlab的输出区域看到相应的报警信息。
通过Matlab数据分析得到下图的实验结果，在图2中，X轴是数据包传输，按时间推移的次序，Y轴是加速度传感器X，Y值合成C函数的值，蓝色虚线是C值被定义出的极限，在此虚线内的是出现频率为99%的数据，即被认为是正常行为的数据，在此虚线之外的是被认为不正常的数据。在最终
测试的数据中，在连续的50s内，超出99%的数据有出现四次以上的，所以该图中在第200到第300个数据中，有出现三个警报显示。这些值是明显是超出了极限，并且相对密集的。也就是说，这个时候婴儿的运动相对是异于平常的。值得引起关注。这样，从信息收集，到信息传输，到信息过滤，最后到信息分析。物理世界的抽象现象，通过科学的手段，以感性的图片形式，以精确的数学分析，体现了出来。
五、结论与展望
总体上看，当前无线传感器网络应用的研究还处于初级阶段，应用成果还不是很多。本文只是初步的一些测试和
学习，很多方面还不够细致和精确，对于实际的应用开发还需更多学习与研究。相信随着相关技术的发展和推进，无线传感器网络一定会得到更大的应用。
参考文献：
[1]孙利民、李建中、陈渝等，《无线传感器网络》.北京：清华大学出版社，2005，1-20.
[2]于海斌、曾鹏，《智能无线传感器网络系统》.北京：科学出版社，2006.
[3]Crossbow. MoteWorks Getting Started Guide.2007. http://www.xbow.com/Support/Support_pdf_files/MoteWorks_Getting_Started_Guide.pdf.
作者简介：
毛谦，男，河南省开封市人，同济大学软件学院06级软件工程研究生。
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”