基于同步传感器网络固件的开发

论文标题（中文）：基于同步传感器网络固件的开发 论文标题（英文）：Development of a synchronous sensors’ network’s firmware

作者信息：Pooria NAJI ZAVAR.G

论文出处：Politecnico di Torino（都灵理工大学）, Master’s Degree in ELECTRONICS ENGINEERING（电子工程硕士学位）, Master’s Degree Thesis（硕士学位论文）, October 2024（2024年10月）。

摘要： PRIMULA项目旨在通过无线体域网（WBAN）框架解决实时监测和管理帕金森病（PD）症状的关键挑战。PD以运动症状为特征，包括运动迟缓、僵硬和震颤，这些症状需要准确、连续的监测以实现有效治疗。现有解决方案在能源消耗、数据同步和实时数据传输方面面临限制，特别是在移动和动态环境中。提出的系统专注于优化异步通信、实时数据采集和可靠的数据传输，利用网络时间协议（NTP）和消息队列遥测传输（MQTT）等最新协议。PRIMULA系统的架构集成了关键组件，如Raspberry Pi Pico W微控制器和Wi-Fi通信，确保稳定、长距离无线通信。模块化设计确保了可扩展性，允许未来通过额外传感器进行扩展。采用循环缓冲机制管理连续数据流，防止传输过程中的数据丢失，而通过NTP同步的异步传感器节点则为运动数据分析提供精确的时间记录。固件开发围绕提高能源效率和系统可靠性，通过优化使用工作周期和看门狗定时器。通过对同步精度、数据传输可靠性和整体系统响应性的一系列实验验证了系统的性能。NTP同步在8,640次同步事件中平均延迟为121.36毫秒，首次尝试成功率为99.44%。通过MQTT的数据传输在6小时内成功率为100%，平均传输时间为1.43毫秒。PRIMULA系统在连续监测条件下表现出一致的可靠性，ADC数据采集和数据传输的延迟最小。未来的工作将探索集成基于云的处理以增强可扩展性，以及混合通信协议以进一步优化功耗和系统性能。结果表明，PRIMULA框架为PD症状的连续监测提供了一个健壮的实时解决方案，定位为改善患者护理和管理的关键工具。

1. 引言： 介绍了无线传感器网络（WSN）和物联网（IoT）如何迅速改变我们的生活各个方面，包括医疗保健、工业自动化、农业和环境监测。特别关注基于IoT的医疗保健系统，这对许多人的生活有重大影响。由于技术进步，可穿戴设备为PD患者提供了显著的优势，包括减少对护理者的依赖和降低监测各种生物参数的成本。

2. 文献综述： 详细分析了现有的WSN和WBAN，识别了PD监测技术中的当前挑战和差距。讨论了WSN的标准架构，包括五个基本组件，以及针对特定应用的可调整模块。探讨了WSN的通信架构和OSI模型，以及跨层优化的重要性。还讨论了WSN中的网关角色，WSN拓扑结构，WSN通信标准和规范，以及WBANs。

3. 概念框架和系统设计： 介绍了帕金森病（PD），PD管理中的挑战，以及当前技术趋势。详细介绍了PRIMULA项目，包括问题陈述、系统设计和架构、硬件组件、软件组件以及PRIMULA中的数据流。

本章节详细介绍了PRIMULA项目的概念框架和系统设计，旨在通过无线体域网（WBAN）框架实现对帕金森病（PD）症状的实时监测和管理。

3.1 帕金森病（PD） 帕金森病（PD）是一种常见的神经退行性疾病，主要影响老年人群，尤其是60岁以上的个体。PD的确切原因尚不明确，但通常与遗传因素、环境因素和年龄有关。PD的特征是运动和非运动症状的组合，包括运动迟缓、僵硬、静止性震颤和步态障碍等，这些症状严重影响患者的生活质量。此外，PD患者还经常遭受睡眠障碍、夜间运动减少和早晨运动迟缓等非运动症状的困扰。

3.2 PD管理中的挑战 PD的管理面临着多方面的挑战，主要包括症状的异质性和进展性、现有评估工具的局限性以及药物副作用和个体化治疗的复杂性。

• 症状的异质性和进展性：不同个体的PD症状差异显著，并且随着时间的推移可能会不可预测地发展，这给诊断和治疗带来了挑战。

• 现有评估工具的局限性：传统的PD临床评估主要依赖于主观评价和患者报告的结果，可能无法全面捕捉运动和非运动症状的范围和深度。

• 药物副作用和个体化治疗：药物治疗，尤其是长期使用左旋多巴，可能会伴随副作用，如不自主运动、混乱和幻觉，这增加了长期管理的复杂性。

3.3 当前技术趋势 技术的进步正在被用来改善PD的管理。可穿戴传感器和物联网（IoT）是这些发展中的前沿技术，它们通过连续实时监测运动和非运动症状来解决传统临床评估的局限性，并满足个性化治疗的需求。

3.4 PRIMULA项目介绍 PRIMULA项目是与Brain Technology Company合作开发的，旨在为PD患者开发一个概念性的可穿戴设备原型，该设备由异步传感器组成，用于评估PD患者的姿体不稳。该固件的角色是配置单个节点以收集和传输来自惯性测量单元（IMU）的数据。

3.5 问题陈述 PRIMULA项目通过与Brain Technology Company的合作，旨在通过配备IMU的可穿戴设备革新PD的管理。这些设备有望实现个性化治疗计划，并准确重建身体运动，这对于理解和管理PD症状至关重要。然而，人体的动态性质对这些设备的可靠运行提出了重大挑战。传感器性能和无线信号质量的变化，由身体运动和环境因素引起，可能导致能源消耗增加、延迟增加、可扩展性有限和响应性降低。

3.6 系统设计和架构 PRIMULA系统的设计和架构集成了关键组件，如Raspberry Pi Pico W微控制器和Wi-Fi通信，确保了稳定、长距离的无线通信。系统采用模块化设计，确保了可扩展性，允许未来通过额外传感器进行扩展。

• 硬件组件：系统的核心是Raspberry Pi Pico W微控制器，它以其成本效益和在实时IoT应用中的稳健能力被选中。该微控制器集成了多个关键特性，包括板上ADC、集成Wi-Fi和看门狗定时器，使其非常适合PRIMULA项目。

• 软件组件：固件开发环境是Arduino集成开发环境（IDE），它以其用户友好的界面、广泛的库支持和与Raspberry Pi Pico W微控制器的兼容性而被选中。

• PRIMULA中的数据流：数据流从数据收集到模式检测的顺序阶段被详细说明。PRIMULA系统架构被精心设计，以便于收集、对齐和传输来自多个IMU的运动数据，这些IMU分布在不同的传感器节点上。

总体而言，PRIMULA项目的概念框架和系统设计强调了通过集成最新的通信协议和技术，实现对PD症状的实时、可靠监测的重要性。通过优化异步通信和精确的时间同步，PRIMULA系统为PD患者提供了一个创新的监测解决方案，有助于改善患者的护理和管理。

 

4. 实施原型： 详细介绍了PRIMULA系统的实施，包括系统设计和架构、固件开发、测试和验证，以及结论和未来工作。讨论了如何通过一系列实验验证系统的性能，包括同步精度、数据传输可靠性和整体系统响应性。

5. 结论和未来工作： 总结了PRIMULA系统的发展和实施，强调了其在实时监测PD症状方面的潜力，并提出了未来研究和开发的方向，以增强其功能、可扩展性和临床适用性。