基于Zigbee技術(shù)的家用無線網(wǎng)絡(luò)

研究一種基于Zigbee技術(shù)的家用無線網(wǎng)絡(luò)平臺．分析了Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，探討了用Zigbee技術(shù)構(gòu)建家用無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)路由算法和網(wǎng)絡(luò)采樣策略等問題進行了討論并提出了解決方案通過構(gòu)建的家用無線網(wǎng)絡(luò)對脈搏信號進行監(jiān)護實驗．結(jié)果表明，基于Zigbee技術(shù)構(gòu)建的家用無線網(wǎng)絡(luò)是可行的，該無線網(wǎng)絡(luò)在家庭監(jiān)護中將有廣闊的應(yīng)用前景.
    隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展和人們物質(zhì)生活水平的提高，家居智能化的研究成為國內(nèi)外的一個研究熱點．與此同時，隨著我國老齡化社會的加劇，通過易組織，低成本，高效率的家庭智能化網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)長期的家庭監(jiān)護，對提高人們生活質(zhì)量，減少醫(yī)療費用也具有重要意義.為此，提出了基于共享控制的家庭監(jiān)護系統(tǒng)．圖1是采用共享控制的家庭智能監(jiān)護系統(tǒng)示意圖.

     家庭設(shè)備信息和人體信息如腦電波、脈搏信息等通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射，經(jīng)家庭網(wǎng)絡(luò)路由傳送到互聯(lián)網(wǎng)上的專用服務(wù)器中．家屬或醫(yī)院可在世界上任何地方，通過計算機調(diào)查服務(wù)器中所記錄的人體活動和設(shè)備的情況．這樣做不但能實時地得到當前的活動情況，通過指令控制家居中的設(shè)備，還能調(diào)查任一時段內(nèi)的歷史信息及變化傾向，為正確、及時進行醫(yī)療監(jiān)護提出建議和措施．

    以前針對智能家居研究的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建采用的無線方式有射頻(RF)技術(shù)，IEEE802．11及藍牙技術(shù)等．但這些技術(shù)都沒有完全滿足家庭網(wǎng)絡(luò)易組織、低成本、低功耗等要求．Zigbee協(xié)議是一種基于IEEE80215．4標準的無線協(xié)議，主要應(yīng)用于低通信速率，低功耗設(shè)備的組網(wǎng).該通信設(shè)備支持250kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以實現(xiàn)l點對多點的快速組網(wǎng)．鑒于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的上述特點，可將其用于構(gòu)建家用無線網(wǎng)絡(luò)平臺.

    lZigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簡析

    Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧采用開放系統(tǒng)互連模型(OSI)．如圖2所示.每一層都實現(xiàn)一部分通信功能．并向高層提供服務(wù).IEEE802．15．4標準只定義了PHY層和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層PHY層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構(gòu)成MAC子層為高層訪問物理信道提供點到點通信的服務(wù)接口．ZigbeeAlliance定義了網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層與安全層規(guī)范．NWK負責網(wǎng)絡(luò)層工作，使用IEEE802．15．4MAC所提供的服務(wù)完成工作，并提供數(shù)據(jù)收發(fā)與管理服務(wù)供上層協(xié)議調(diào)用NWK之上的APS，ZDO應(yīng)用框架與應(yīng)用對象等都屬于應(yīng)用支持層(APL)．APS使用NWK所提供的數(shù)據(jù)進行傳輸服務(wù).

    多路選擇是APS的重要功能，提供上層應(yīng)用程序使用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的Endpoint(如同TCP/IP的socket)匹配網(wǎng)絡(luò)地址，這樣在兩個通信端點間能讓多個應(yīng)用程序循環(huán)使用APSZDO則是整個Zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制中心，它使用NWK與APS提供的管理服務(wù)，并匹配Zigbeedeviceprofile(ZDP)規(guī)范．Zigbee網(wǎng)絡(luò)支持3種類型拓撲結(jié)構(gòu)：星形結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)和族狀結(jié)構(gòu)，如圖3所示．其中網(wǎng)格狀和族狀結(jié)構(gòu)屬于點對點的結(jié)構(gòu)星形網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點都與中心協(xié)調(diào)器通信，節(jié)點間不能直接通信而點對點網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點彼此都在其輻射范圍之內(nèi)，任何兩個設(shè)備之間都可以通信.

     2關(guān)鍵問題的考慮

   2．1網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的選擇

    在Zigbee協(xié)議支持的3種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，星形拓撲網(wǎng)絡(luò)最簡單．每個被監(jiān)控設(shè)備可以作為精簡設(shè)備終端連接入網(wǎng)，節(jié)省能量，計算量?。诩彝ケO(jiān)護系統(tǒng)中，設(shè)備可能分布在多個房間，被監(jiān)護對象也可能在多個房間中活動，而星形網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的無線通信范圍很小(幾十米)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有限，不利于網(wǎng)絡(luò)功能的擴展．

    網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都可以作為路由節(jié)點，因此，原節(jié)點的數(shù)據(jù)流可以通過多個路徑到達網(wǎng)絡(luò)控制點．如果某一個節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)斷開，數(shù)據(jù)流可以選擇另一條路徑進行傳輸，因此具有較強的健壯性．但網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備都需是全功能設(shè)備，能量消耗大；同時，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流的路由節(jié)點增加了網(wǎng)絡(luò)的延時．

    族狀結(jié)構(gòu)結(jié)合了星形結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點．為了節(jié)省能量，監(jiān)控設(shè)備和生理數(shù)據(jù)采集終端可以作為網(wǎng)絡(luò)中的端節(jié)點，結(jié)構(gòu)節(jié)點少．同時協(xié)調(diào)器可以作為網(wǎng)絡(luò)控制器采集網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)．網(wǎng)絡(luò)具有可擴展性，可以增加路由節(jié)點，擴展覆蓋范圍，因此該家用無線網(wǎng)絡(luò)采用族狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)．

    2．2網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計

    路由協(xié)議直接關(guān)系到無線網(wǎng)絡(luò)的性能．路由協(xié)議設(shè)計的首要問題是要求其計算復(fù)雜度小，能耗?。浯斡捎诒槐O(jiān)護對象的移動性，網(wǎng)絡(luò)拓撲的結(jié)構(gòu)可能發(fā)生改變，因此要能滿足動態(tài)路由的要求．

    Zigbee支持Cluster-tree，AODVjr及兩者的混合模式等路由算法．AODVjr算法是針對AODV算法的改進，以達到計算量小及節(jié)能的目的，但算法較復(fù)雜，Cluster-tree算法適合樹狀拓撲結(jié)構(gòu)．圖4為網(wǎng)絡(luò)樹層次結(jié)構(gòu)圖.

    圖中，Lm為最大網(wǎng)絡(luò)深度，Cm為最大的子節(jié)點數(shù)，Rm為子節(jié)點中最大的路由節(jié)點數(shù)．

    節(jié)點的地址空間Cskip的計算公式為

    式中：n為父節(jié)點地址；R為子節(jié)點序號1～Cm．

假設(shè)某個節(jié)點的地址是N，目標節(jié)點的地址是D，Cluster-tree路由算法如下：

    ①如果待傳輸數(shù)據(jù)的目的節(jié)點地址是本身地址，將數(shù)據(jù)包交上層處理，否則轉(zhuǎn)②．

    ②如果待傳輸數(shù)據(jù)的目標節(jié)點是自己的鄰居節(jié)點(路由表中有路由信息)，直接發(fā)送數(shù)據(jù)給鄰居節(jié)點，否則轉(zhuǎn)③．

    ③判斷并轉(zhuǎn)發(fā)子節(jié)點或父節(jié)點地址．

    如果D

    如果D>N并且 ，將 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給父節(jié)點；

    如果D>N且D≤ ，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給地址為 的子節(jié)點．

    家用無線網(wǎng)絡(luò)大多數(shù)節(jié)點是靜止的，移動節(jié)點較少，可采用族狀拓撲結(jié)構(gòu)．家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較好，鏈路穩(wěn)定，節(jié)點干擾少，可以采用Cluster-tree算法作為其路由協(xié)議．這樣，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點就不需要保存大量的路由信息，節(jié)省內(nèi)存，計算復(fù)雜度低，能耗小.具體設(shè)計時，由于家庭監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)屬于小型網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點少，可以設(shè)定較少的網(wǎng)絡(luò)層次，以減少路由計算時間．

    2．3數(shù)據(jù)采樣策略

    設(shè)備狀態(tài)及發(fā)送速率較低的數(shù)據(jù)信息對無線網(wǎng)絡(luò)的性能要求較低，基于Zigbee技術(shù)構(gòu)建的無線網(wǎng)絡(luò)可以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捯蠛蛯崿F(xiàn)節(jié)點的節(jié)能．由于生理信號的傳輸是連續(xù)傳輸，因此需要考慮生理數(shù)據(jù)的采樣速率對能源消耗和網(wǎng)絡(luò)負載的影響．

    當需要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，要通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的每一層進行封裝，其中應(yīng)用層的數(shù)據(jù)幀要小于80B．生理信號一般都屬于低頻信號(脈搏信號的有效頻率都在10Hz以下)，在保證信號不失真的情況下，盡量用低采樣頻率，以減少數(shù)據(jù)傳輸量．同時，可以對采集的生理信號進行緩存打包，一起發(fā)送，以提高數(shù)據(jù)的發(fā)送效率，減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量消耗．

   3家用無線網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)

    所構(gòu)建的家庭監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)采用族狀結(jié)構(gòu)，設(shè)置Cm=2，Lm=2．無線網(wǎng)絡(luò)有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(coordinator)。負責無線網(wǎng)絡(luò)的建立和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)管理．網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過串口與PC機相連，將采集到的脈搏信號傳輸?shù)接嬎銠C，以便對脈搏信號進行實時分析；其他無線節(jié)點可以連接家用設(shè)備，實現(xiàn)對它們的控制；將監(jiān)護信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)監(jiān)護服務(wù)器?？蓪崿F(xiàn)監(jiān)護信息的共享．

    無線節(jié)點采用Freescale公司的微控制器GT60和無線收發(fā)芯片MCl3192．無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的組成結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示．GT60與MCl3192之間通過CPI口進行通信． 

    設(shè)計時應(yīng)考慮到高頻電路對傳感器信號的干擾，傳感器調(diào)理電路與高頻發(fā)射接收部分可分開設(shè)計．天線設(shè)計是無線模塊設(shè)計的關(guān)鍵，直接影響到傳感器節(jié)點的通信質(zhì)量和通信距離．可以參照常用的2．4GHz天線的設(shè)計方法本設(shè)計采用了偶極子微帶PCB板天線，所有銅箔走線均采用微帶傳輸線的原理．以減少發(fā)射引起的傳輸損耗，獲得了比較大的輸出功率和較高的接收靈敏度.GT60和MCl3192的供電電壓都是3V，系統(tǒng)可以采用紐扣電池供電其他節(jié)點的設(shè)計與脈搏傳感無線節(jié)點的設(shè)計相似．

    網(wǎng)絡(luò)控制器和脈搏傳感節(jié)點的應(yīng)用程序流程如圖7、圖8所示.

    4實驗與結(jié)論

    應(yīng)用構(gòu)建的家庭無線網(wǎng)絡(luò)平臺對被監(jiān)護者的脈搏信號進行實時測試采樣頻率是150Hz，采用8位的A/D轉(zhuǎn)換器，該家用無線網(wǎng)絡(luò)可以正確地對脈搏信號進行采集．測試過程中，無線網(wǎng)絡(luò)能夠連續(xù)正常工作．為了測試網(wǎng)絡(luò)的丟包率，每隔10ms發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，連續(xù)發(fā)送1000個數(shù)據(jù)包，丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)除以總發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)得到丟包率；連續(xù)測量10次，求平均值．測得的丟包率與傳感節(jié)點與中心節(jié)點的距離的關(guān)系如圖9所示．

    通過圖9可以看出，在點對點的距離小于10m時．丟包率小于1％，可以通過應(yīng)用層設(shè)置重傳機制進一步降低丟包率，點對點通信距離為20～30m．傳感節(jié)點的電池可以連續(xù)工作3～5d．實驗驗證了構(gòu)建的家用無線網(wǎng)絡(luò)進行脈搏信號監(jiān)護的可行性．系統(tǒng)進一步擴展，可實現(xiàn)其他生理信號的無線監(jiān)護．