汇聚网络由具备数据存储能力以及较强处理能力的嵌入式基站建立并维护，允许网关节点作为子节点加入到网络中。汇聚网络负责从多个子传感网络获取采集的数据，拥有较广的覆盖范围和较大的节点容量。
以下为本篇论文正文：
摘 要：设计了一种基于无线体域网技术的自行车运动监测系统。首先介绍了系统的总体架构， 然后重点介绍了无线体域网系统的构成以及其中多功能网关节点的设计。无线体域网中包含有速度传感器节点、踏频传感器节点以及心率传感器节点， 在多功能网关节点的协调下进行组网通信， 实现了对多种运动参数的远程实时监测功能。最终通过Web将监测结果发布到智能终端上处理并显示。
关键词：无线体域网； 传感器； 组网； 监测；
Abstract: A bicycle motion monitoring system based on wireless body area network technology is designed. Firstly, the overall architecture of the system is introduced. Secondly, the structure of wireless body area network system and the design of multi-function gateway node are introduced. The wireless body area network comprises a speed sensor node, a pedal sensor node and a heart rate sensor node. They communicate with each other under the coordination of multi-function gateway nodes, and realize the function of remote real-time monitoring of various motion parameters. Finally, the monitoring results are distributed to the intelligent terminal through the Web.
Keyword:WBAN; sensor; networking; monitor;
一、 引言
体育运动员成绩的提升有赖于科学而高效的运动训练， 而高水平的训练离不开科学的训练计划。在制定训练计划的工作中引入信息技术， 不仅可以为教练员节省统计数据所花费的大量时间， 提高工作效率， 而且能够迅速掌握、分析、判断运动员的训练状况， 及时完成系统、详细的经验总结。在大数据的帮助下， 将能够更加精确地分析出运动员的综合运动能力， 发现其有待提高的方向， 并为教练员针对性地制定训练计划提供可靠的依据[1].
本文介绍一种基于WBAN的自行车运动监测系统。该系统通过布置在自行车上以及骑行者身体上的多个无线节点构成WBAN传感网络。网络中传感器节点完成骑行速度、骑行踏频和心率数据检测， 网关节点负责建立并维护WBAN, 将所有数据汇总处理并经由汇聚网络上传至基站。基站具备较强数据处理及存储能力， 在其上搭建了基于Web的数据查询。可将数据分发至互联网云端， 教练员可通过各类终端查询使用[2].
本系统采用ANT、Zig Bee、Wi Fi等多种无线协议混合组网传输， 充分发挥了各自协议的技术优势。整体系统具有功耗低、适应性好、扩展性强的特点， 可以在不影响运动员自由活动的情况下， 实现长时间的团队骑行训练数据监测[3].
二、 系统总体设计
基于WBAN技术的自行车运动监测系统结合了传感器技术、嵌入式技术、无线网络通信技术以及互联网技术。如图1所示， 系统结构可划分为三层， 第一层为基于WBAN构建的传感网络， 第二层为网关节点与基站构成的汇聚网络， 第三层为数据服务网络[4-5].
1、 WBAN传感网络
本系统以WBAN构成了第一层的传感网络。网络中传感器节点负责数据采集， 利用星型拓扑网络将数据集中并作初步的处理， 然后上传至汇聚网络[6].网络使用成熟的超低功耗无线协议ANT来完成通信传输。本系统内包含有3个传感器， 分别测量自行车速度、自行车踏频与车手心率。自行车运动训练生理参数传感网络如图2所示。
图1 无线体域网系统结构图
图2 自行车运动训练生理参数传感网络
2、 汇聚网络
系统的第二层为汇聚网络， 该网络由具备数据存储能力以及较强处理能力的嵌入式基站建立并维护， 允许网关节点作为子节点加入到网络中。汇聚网络负责从多个子传感网络获取采集的数据， 拥有较广的覆盖范围和较大的节点容量。
3、 数据服务网络
最后一层为服务网络， 在该网络中， 嵌入式汇聚基站充分发挥了其数据存储能力以及处理能力， 充当了一个个人服务器的角色， 将汇聚网络上传的实时监测数据储存汇总， 并通过Wi Fi或者LAN传输至互联网云端。这样不论是手机、平板， 还是笔记本计算机、PC机， 任何可联网的设备都能够通过访问云端网络获取数据。
三、 WBAN网络构建
WBAN是在WSN和PAN的基础上衍生出的一种新型应用型网络， 它以人体为中心， 由布置在人体体表、体内及周围区域的高度集成化的微型传感器节点、网络协调器以及数据采集基站等设备通过无线连接构成网络系统。
WBAN由无线通信技术所支撑。对比了当前主流的三种无线通信协议Zig Bee、ANT与BLE, 其中ZigBee是符合IEEE802.15.4的通用协议， 具有低速、高节点容量、支持复杂拓扑、路由等特点。考虑到自行车运动多为开阔的室外进行， 且团队骑行人数较多， 环境复杂， 本系统应用Zig Bee协议实现较长距离的汇聚网络的传输[7].
传感网络构建WBAN需要优化节点能量和最大化优化网络寿命， 目前BLE与ANT都满足超低功耗和低成本的特点， 本系统选择了发展更早且生态更加成熟的ANT无线通信协议构建传感网络， 保证了对现有成品传感器的良好兼容性。
四、 网络关键节点设计
网络中的节点按照其功能逻辑分为传感节点和网关节点。
1、 网关节点
网关节点是连接WBAN传感网络与汇聚网络的关键枢纽。其具体功能包括配对传感器节点， 建立WBAN网络；接收并暂存传感器节点数据， 作初步处理；将多种格式的传感数据汇总， 转换成汇聚网络所支持的数据格式并上传。如图3所示， 网关节点由主控模块、通信模块、传感器模块、SD卡存储设备以及供电部分构成。主控模块使用基于Cortex-M3核心的32位STM32F103RCT6微控制器， 具备72 MHz的主频。
图3 网关节点结构图
通信模块方面， 在基于ANT协议的WBAN传感网络端使用了nRF24AP2-8CH模块， 该模块具备8个可用通道， 可以在多节点的ANT无线网络中实现中心节点的功能。模块通过Bit-Sync模式的SPI接口与主控模块进行连接， 通过配置ANT指令完成数据的通信和控制。
在基于Zig Bee的汇聚网络端选择了Rexense公司的REX3DP模块。该模块板载PCB天线， 并内置PA, 发射功率范围可达-9~23 d Bm.模块支持Zig BeePRO协议， 协议的控制功能通过串口映射到外部， 利用预定义的AT指令完成网络配置和数据收发。
考虑到需要完成高度实时的通信控制与数据处理任务， 网关移植了μC/OS V2.91实时嵌入式操作系统， 采用基于优先级的抢占式调度方式。任务设计如图4所示。
图4 网关节点工作任务图
网关节点开机后， 首先完成附近所有传感节点的配对工作， 建立起ANT传感网络， 同时完成Zig Bee网络的初始化， 使汇聚网络就绪。随后传感网络便开始进行数据的通信， 采用时间片轮转调度的方式同步采集外部和本地的传感器数据。接收到数据之后， ANT-Zig Bee协议转换任务完成对数据的解析和处理， 将各类数据合并转换成Zig Bee的标准协议帧。最后根据程序选择完成数据转发或者SD卡的存储。
2、 传感器节点
本文使用的传感器节点有心率传感器、自行车速度传感器与自行车踏频传感器。
（1） 心率传感器
采用美国Bontrager公司生产的胸带式心率传感器节点， 使用橡胶电极采集心电数据， 提供4 Hz心率监测数据， 数据通过ANT+HRM兼容的无线网络传输至终端设备。心率精度±2次/min, 测量范围30~240次/min.传感器使用一颗CR2032电池供电， 视工作情况寿命长达数年。
（2） 自行车速度传感器
自行车速度传感节点使用干簧管传感器感测固定在车轮辐条上的感应磁铁， 以车轮转速得到车速以及距离数据。传感器兼容ANT+Bike Speed规范， 可以与任何ANT+设备兼容配对。传感器可测速度范围0~200 km/h.
（3） 自行车踏频传感器
自行车踏频传感节点安装在自行车曲柄上， 通过地磁传感器测量踩踏频率数据。传感器符合ANT+Bike Cadence规范， 可以通过ANT+兼容终端接收踏频数据， 其单位为r/min.
五、 多功能嵌入式基站设计
基站主要负责实现从各个传感网络中采集数据、维护网络路由、操作管理、数据处理、数据库存储以及支撑数据业务等功能。本文使用低成本的开源硬件平台Raspberry Pi 2构建基站， 其ARM 11架构的BCM2835处理器， 主频达700 MHz.具备512 MB内存， 使用SD卡存储， 并带有RJ-45、USB、HDMI、RCA等多种接口。
通过配置基于Python的pyserial库实现了Zig BeeUSB Dongle的串口驱动， 使用嵌入式数据库SQLite进行监测数据的存储。
运行了开源的Debian Linux系统的Raspberry Pi 2具有低功耗以及安静运行的特性， 适合负载并不高的静态页面架设。基站应用轻量级的Python-Flask后端框架和前端jquery的highcharts组件实现了基于Web的数据查询服务。
六、 结论与展望
本文结合WBAN技术以及物联网技术， 成功实现了自行车运动员的生理参数与运动数据监测。在终端完成数据的可视化同步查询结果如图5、图6、图7所示。
图5 心率导出数据
图6 踏频导出数据
图7 速度导出数据
由实验结果得出， 系统各项功能表现良好， 能够很好地实现无线体域网的数据采集、传输、汇聚以及储存查询等功能， 完全可以满足运动员训练中的生理健康参数的监测应用需求。
由于本文使用带功率放大的Zig Bee模块， 默认放大功率为20 d Bm, 经测试， 本文所用的系统在1 km范围内的丢包率为0%.网关与基站的Zig Bee通信能够很稳定地进行数据包的传输。在不考虑干扰的情况下， 这个距离足以涵盖从室内自行车场、篮球场、足球场以及田径场等大多数的运动场馆， 有效地扩大了系统的适用环境， 为无线体域网系统在多个运动项目领域的应用创造了可能。
参考文献：
[1]THOTAHEWA K M S, REDOUTJ M, YUCE M R.Hardware architectures for IR-UWB-Based transceivers[M].Berlin:Springer International Publishing, 2014.
[2]YANG B, WELK G J, NAM Y H, et al.Comparison of consumer and research monitors under semistructured settings[J].Medicine&Science in Sports&Exercise, 2016, 48 （1） :151-158.
[3]OTTO C, MILENKOVIC, ALEKSANDAR, et al.System architecture of a wireless body area sensor network for ubiquitous health monitoring[J].Journal of Mobile Multimedia, 2005, 1 （4） :307-326.
[4]朱凌云， 李连杰， 孟春艳。基于WBAN的多生理参数无线传感及前端组网研究[J].西南师范大学学报：自然科学版， 2014, 39 （4） :42-47.
[5]格林贝格。Flask Web开发[M].北京：人民邮电出版社， 2015.
[6]杨景明。基于Zig Bee的无线传感器网络低功耗节点设计[D].大连：大连理工大学， 2014.
[7]林伟兵。基于ANT模块的体域网无线网络通信平台研究[D].杭州：浙江大学， 2012.
