基于Zigbee技術(shù)的家用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

研究一種基于Zigbee技術(shù)的家用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)．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(wú)線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問(wèn)題對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)路由算法和網(wǎng)絡(luò)采樣策略等問(wèn)題進(jìn)行了討論并提出了解決方案通過(guò)構(gòu)建的家用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行監(jiān)護(hù)實(shí)驗(yàn)．結(jié)果表明，基于Zigbee技術(shù)構(gòu)建的家用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是可行的，該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在家庭監(jiān)護(hù)中將有廣闊的應(yīng)用前景.
    隨著計(jì)算機(jī)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(guó)內(nèi)外的一個(gè)研究熱點(diǎn)．與此同時(shí)，隨著我國(guó)老齡化社會(huì)的加劇，通過(guò)易組織，低成本，高效率的家庭智能化網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的家庭監(jiān)護(hù)，對(duì)提高人們生活質(zhì)量，減少醫(yī)療費(fèi)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(hù)系統(tǒng)．圖1是采用共享控制的家庭智能監(jiān)護(hù)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(guò)無(wú)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(guò)計(jì)算機(jī)調(diào)查服務(wù)器中所記錄的人體活動(dòng)和設(shè)備的情況．這樣做不但能實(shí)時(shí)地得到當(dāng)前的活動(dòng)情況，通過(guò)指令控制家居中的設(shè)備，還能調(diào)查任一時(shí)段內(nèi)的歷史信息及變化傾向，為正確、及時(shí)進(jìn)行醫(yī)療監(jiān)護(hù)提出建議和措施．

    以前針對(duì)智能家居研究的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建采用的無(wú)線方式有射頻(RF)技術(shù)，IEEE802．11及藍(lán)牙技術(shù)等．但這些技術(shù)都沒(méi)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(biāo)準(zhǔn)的無(wú)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(shí)現(xiàn)l點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)．鑒于Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的上述特點(diǎn)，可將其用于構(gòu)建家用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái).

    lZigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簡(jiǎn)析

    Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧采用開(kāi)放系統(tǒng)互連模型(OSI)．如圖2所示.每一層都實(shí)現(xiàn)一部分通信功能．并向高層提供服務(wù).IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)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(wèn)物理信道提供點(diǎn)到點(diǎn)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(fù)責(zé)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(duì)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(jìn)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(gè)通信端點(diǎn)間能讓多個(gè)應(yīng)用程序循環(huán)使用APSZDO則是整個(gè)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?fù)浣Y(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(diǎn)對(duì)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)星形網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)都與中心協(xié)調(diào)器通信，節(jié)點(diǎn)間不能直接通信而點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)彼此都在其輻射范圍之內(nèi)，任何兩個(gè)設(shè)備之間都可以通信.

     2關(guān)鍵問(wèn)題的考慮

   2．1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇

    在Zigbee協(xié)議支持的3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，星形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)最簡(jiǎn)單．每個(gè)被監(jiān)控設(shè)備可以作為精簡(jiǎn)設(shè)備終端連接入網(wǎng)，節(jié)省能量，計(jì)算量?。诩彝ケO(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，設(shè)備可能分布在多個(gè)房間，被監(jiān)護(hù)對(duì)象也可能在多個(gè)房間中活動(dòng)，而星形網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的無(wú)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(kuò)展．

    網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以作為路由節(jié)點(diǎn)，因此，原節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流可以通過(guò)多個(gè)路徑到達(dá)網(wǎng)絡(luò)控制點(diǎn)．如果某一個(gè)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)，數(shù)據(jù)流可以選擇另一條路徑進(jìn)行傳輸，因此具有較強(qiáng)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(shí)，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流的路由節(jié)點(diǎn)增加了網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)．

    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(diǎn)．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(diǎn)，結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)少．同時(shí)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(kuò)展性，可以增加路由節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)展覆蓋范圍，因此該家用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用族狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)．

    2．2網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)

    路由協(xié)議直接關(guān)系到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能．路由協(xié)議設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題是要求其計(jì)算復(fù)雜度小，能耗?。浯斡捎诒槐O(jiān)護(hù)對(duì)象的移動(dòng)性，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)可能發(fā)生改變，因此要能滿足動(dòng)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(duì)AODV算法的改進(jìn)，以達(dá)到計(jì)算量小及節(jié)能的目的，但算法較復(fù)雜，Cluster-tree算法適合樹(shù)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)．圖4為網(wǎng)絡(luò)樹(shù)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(diǎn)數(shù)，Rm為子節(jié)點(diǎn)中最大的路由節(jié)點(diǎn)數(shù)．

    節(jié)點(diǎn)的地址空間Cskip的計(jì)算公式為

    式中：n為父節(jié)點(diǎn)地址；R為子節(jié)點(diǎn)序號(hào)1～Cm．

假設(shè)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址是N，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(biāo)節(jié)點(diǎn)是自己的鄰居節(jié)點(diǎn)(路由表中有路由信息)，直接發(fā)送數(shù)據(jù)給鄰居節(jié)點(diǎn)，否則轉(zhuǎn)③．

    ③判斷并轉(zhuǎn)發(fā)子節(jié)點(diǎn)或父節(jié)點(diǎn)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(diǎn)；

    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(diǎn)．

    家用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)大多數(shù)節(jié)點(diǎn)是靜止的，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)較少，可采用族狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)．家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較好，鏈路穩(wěn)定，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)就不需要保存大量的路由信息，節(jié)省內(nèi)存，計(jì)算復(fù)雜度低，能耗小.具體設(shè)計(jì)時(shí)，由于家庭監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)屬于小型網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)少，可以設(shè)定較少的網(wǎng)絡(luò)層次，以減少路由計(jì)算時(shí)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(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能要求較低，基于Zigbee技術(shù)構(gòu)建的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捯蠛蛯?shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的節(jié)能．由于生理信號(hào)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(duì)能源消耗和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的影響．

    當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的每一層進(jìn)行封裝，其中應(yīng)用層的數(shù)據(jù)幀要小于80B．生理信號(hào)一般都屬于低頻信號(hào)(脈搏信號(hào)的有效頻率都在10Hz以下)，在保證信號(hào)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(shí)，可以對(duì)采集的生理信號(hào)進(jìn)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(diǎn)的能量消耗．

   3家用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)

    所構(gòu)建的家庭監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用族狀結(jié)構(gòu)，設(shè)置Cm=2，Lm=2．無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(coordinator)。負(fù)責(zé)無(wú)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(guò)串口與PC機(jī)相連，將采集到的脈搏信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，以便對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析；其他無(wú)線節(jié)點(diǎn)可以連接家用設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的控制；將監(jiān)護(hù)信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)監(jiān)護(hù)服務(wù)器?？蓪?shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)信息的共享．

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

    設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到高頻電路對(duì)傳感器信號(hào)的干擾，傳感器調(diào)理電路與高頻發(fā)射接收部分可分開(kāi)設(shè)計(jì)．天線設(shè)計(jì)是無(wú)線模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，直接影響到傳感器節(jié)點(diǎn)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(jì)方法本設(shè)計(jì)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(diǎn)的設(shè)計(jì)與脈搏傳感無(wú)線節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)相似．

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

    4實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

    應(yīng)用構(gòu)建的家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)對(duì)被監(jiān)護(hù)者的脈搏信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試采樣頻率是150Hz，采用8位的A/D轉(zhuǎn)換器，該家用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以正確地對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行采集．測(cè)試過(guò)程中，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能夠連續(xù)正常工作．為了測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的丟包率，每隔10ms發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，連續(xù)發(fā)送1000個(gè)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(cè)量10次，求平均值．測(cè)得的丟包率與傳感節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)的距離的關(guān)系如圖9所示．

    通過(guò)圖9可以看出，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的距離小于10m時(shí)．丟包率小于1％，可以通過(guò)應(yīng)用層設(shè)置重傳機(jī)制進(jìn)一步降低丟包率，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信距離為20～30m．傳感節(jié)點(diǎn)的電池可以連續(xù)工作3～5d．實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了構(gòu)建的家用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行脈搏信號(hào)監(jiān)護(hù)的可行性．系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)其他生理信號(hào)的無(wú)線監(jiān)護(hù)．