摘 要: 蓝牙传感器组成的医疗体域网的应用越来越广泛，而网络中的节点功耗决定着其生命周期的长短 根据实验结果，提出了一种自适应功率控制算法 根据节点接收信号强度指示的信号特性，建立接收信号强度指示与数据包投递率的关系作为效率模型，设计一种算法，可以根据接收信号强度指示，动态地控制节点射频发射功率，从而在保证数据包投递率的前提下，有效降低其功耗 实验结果表明: 该算法可以使蓝牙传感器的功耗最多降低

关键词: 蓝牙; 无线体域网; 接收信号强度指示; 自适应功率控制

引 言

我国已经逐渐进入老年化社会，空穴老人的数量与日俱增，慢性病和老年病时刻威胁着他们的健康，日常健康监护变得尤为重要 由多种无线医疗传感器组成的医疗体域网络将是未来数字医疗信息行业的主要发展方向［］在实际的应用中，为了使设备更加便携小巧，经常会以钮扣电池等电源作为其能源供给，然而有限的电量又限制了设备的续航能力，为了提高设备通信的工作效用，同时也为了降低无线信号的空间辐射，应使无线通信的功耗尽量降低［］所以，寻求更加低功耗的通信模式成了一个重要课题 不少学者已经做了很多研究［ ］，主要是减少连接时间，动态控制发射功率等 蓝牙［］标准已经将连接时间降低到了 ，那么就可以在功率动态控制方面进行设计 对此，本文结合常规医疗传感器，通过功率动态控制的方式，可以显著降低设备通信的功耗，经过测试实验，最大可以降低 的能耗网络模型这个网络由主从节点组成，网络拓扑形式为星型结构，各从节点为医疗传感器，驱动各种医疗传感器对人身体的体征数据进行采集，通过蓝牙通信模块传输到连接计算机的主节点，并对数据进行处理，通过网络发送至医疗机构［］，网络模型如图 所示采用 公司生产的 蓝牙芯片，该芯片包含一个低功耗蓝牙个人健康网络的设计与实现图 网络模型工业标准的 内核的射频收发器，系统编程闪存记忆，和其他功能强大的配套 适用于低功耗系统超低的睡眠模式，以及运行模式的超低功耗的转换，进一步实现了超低功耗［ ］以温度传感器为例，本网络中使用的温度传感器是美国 公司生产的 ，该温度传感器是单总线数字传感器，是一种全数字温度转换与输出传感器，其测温范围为通信流程如图 所示，由主节点发出广播，从节点进行扫描，搜索广播信号，当主节点发现从节点的连接申请信号，发送回复，建立连接 再由传感器采集待测信息，通过从节点将数据信息发送到主节点图 主从通信流程图蓝牙低功耗算法的设计在实际生活中，人佩戴着传感器并不是静止不动的，同时周边的通信环境也在变化，这也就是说，主从节点间的通信链路的质量是变化的 在默认情况下，设备一般使用最大发射功率进行通信，但当主从节点间的链路质量很好时，较小的发射功率也可以完成通信 那么，有效的动态功率控制就可以减少通信的功耗 其原理为: 当主从节点建立连接后，从节点要周期性轮询，并向主节点发送数据，在每次连接过程中，主节点都会得到从节点的接收信号强度指示( ) ，可以根据协议，控制从节点进一步降低或提高射频发射功率，使其 始终保持在一个适于通信的较低的区间内，从而既保证了通信质量又降低了通信功耗如图，利用示波器直流电源，测量无线传感器的功耗变化情况 在设备参数中，会有峰值电流这一项，而这项指标只是总功耗中的一部分，是指设备在低功耗运行中电流的峰值水平，但即使在非常高的吞吐量的系统中，在峰值水平运行也只是总时间的很小一部分，而设备大部分时间都处于睡眠状态图 测量框图图 为周期轮询的状态图，周期性的轮询以确保连接的持续性，从图中可知，其轮询的时间极短，大部分时间是休眠状态 图 为单簇轮询的展开图，整个过程可以分为几段，测量值如表，表图 周期性的扫描图 单簇轮询射频发射功率与 的关系如图 所示由以上图表显而易见，在不同的距离关系中，射频发射功率越低，蓝牙传感器的工作功耗越低，但同时其 也会降低 既要较低功耗，又要保证通信质量，这就得了解通传感器与微系统 第 卷表 单簇轮询各阶段在不同发射功率时电压和时长阶 段时 长( )发射功率为 时电压( )( 数据)( 轮询)表 单簇通信的功耗和时长阶 段时长( )功率为 时的功耗( )数 据轮 询图 射频发射功率与 的关系图信环境与通信效果的关系， 可以代表当前通信环境，而得包率可以表示通信效果的好坏 需要一个能量模型，从中找到一个 相 对 较 低 的 区 域，用来保证较高的得包率图 为蓝牙传感器从节点通过实测得到的 与数据包投递率( ， ) 关系，可以作为能量模型 从图上看，当 时， 开始衰减，在以内， 可以保持比较好的状态 因 此，可 以设定 一 个 临 界 通 道，宽 带 为 ， 为 下 界，为上界 改变射频发射功率，控制其 尽量维持在这个临界区域中，从而达到降低功耗的目的算法: 动态功率控制步进调整参数设置: 当前功率值; 可调功率值 ; 功率值上下限{ ， } ; 当前 值; 控制区间{ ，}功率动态控制步进调整方式按照图 的流程进行逐步判断，使其 值处于预设的调整区域内，从而在保证通信效果的前提下，尽可能地降低功耗图 与 的关系图图 算法流程图在实际运用中， 芯片的 敏感范围是而 芯片可编程的 发射功率为 档，分别为 ， ，， ，通过实验，可以预设 的调整区间为 之间 若主节点得到 优于，则回复从节点，令其将发射功率逐阶降低一档，直到 ; 若 差于 ，则回复从节点，令其将发射功率逐阶升高一档，直到 这样就可以将控制在 之间 同时，在深度睡眠阶段下，其功耗极低，可忽略不计实验与分析) 测试时间: ;) 轮询周期: ;) 数据采集发送周期: ;) 主从点间距离: ;) 射频发射功率:两组主从节点同时进行测试，一组是默认射频发射功率，一组是动态控制发射功率 个主节点不动，同步移动个从节点的位置，改变其通信条件，使其 处于变化之中有功率控制和无功 率 控 制 的 和功耗对比如图和图 所示根据图 和图 可以看出: 有功率控制和无功率控制在功耗上的差别 在这 实验中，有 次温度数据传输，有 次轮询 在较近距离和良好的通信环境下，第 期 高 波，等: 低功耗蓝牙个人健康网络的设计与实现图 有功率控制和无功率控制的 对比图 有功率控制和无功率控制的功耗对比若其 值始终支持从节点的射频发射功率保持在，那么，较默认的 发射功率所消耗的功耗降低了

结 论

本文研究了蓝牙低功耗策略的设计和应用，通过对接收端 值监测，动态地控制 的射频发射功率，降低了蓝牙传感器的功耗 从测试实验中可以看出: 通过动态功率控制，可以降低最多 的功耗，即可以延长整个网络周期的

    参考文献: 庄弈 琪蓝 牙 梦 想 与 现 实［］北 京: 机 械 工 业 出 版 社，［］刘 霞，贾智平基于软实时多处理器系统的动态低功耗算法［］计算机应用， ( ) :［］陈三风，陈万明基于 误差分析的无线传感器网络定位研究［］计算机工程与应用， ，( ) :［］刘 海基于 的室内信号衰减模型的研究［］电脑开发与应用， ( ) :［］朱 刚蓝牙技术原理与协议［］北京: 清华大学出版社，［］张禄林蓝牙协议及其实现［］北 京: 北 京 人 民 邮 电 出 版社，［］张 元基于蓝牙的微机无线数据传输系统［］仪器仪表用户， ，( ) :［］丛延奇，刘诗笺，刘英莉，等基于 实现蓝牙与 之间层传输［］电子技术应用， ，( ) :［］周华 兰，唐 明 浩蓝牙技术在无线分布式测控系统中的应用［］电子技术， ，( ) :［］卢伟国，童 明基于蓝牙的无线数据采集系统［］电测与仪表， ，( ) :［］宋光明，葛运建基于蓝牙技术的智能机器人传感器网络研究［］传感技术学报， ，( ) :