基于ZigBee技術(shù)的家庭無線網(wǎng)絡(luò)該怎樣去設(shè)計(jì)

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內(nèi)外的一個研究熱點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)長期的家庭監(jiān)護(hù)，對提高人們生活質(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)。

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(jì)算機(jī)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(shí)時地得到當(dāng)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(jìn)行醫(yī)療監(jiān)護(hù)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(lán)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)l點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。鑒于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的上述特點(diǎn)，可將其用于構(gòu)建家用無線網(wǎng)絡(luò)平臺。

1Zigbee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），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，這樣在兩個通信端點(diǎn)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?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)，其中網(wǎng)格狀和族狀結(jié)構(gòu)屬于點(diǎn)對點(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?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(jì)算量小，在家庭監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，設(shè)備可能分布在多個房間，被監(jiān)護(hù)對象也可能在多個房間中活動，而星形網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)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(kuò)展。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的每個節(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)流可以通過多個路徑到達(dá)網(wǎng)絡(luò)控制點(diǎn)。如果某一個節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)斷開，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，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。

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)系到無線網(wǎng)絡(luò)的性能，路由協(xié)議設(shè)計(jì)的首要問題是要求其計(jì)算復(fù)雜度小，能耗小。其次由于被監(jiān)護(hù)對象的移動性，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(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算法適合樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

家用無線網(wǎng)絡(luò)大多數(shù)節(jié)點(diǎn)是靜止的，移動節(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，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?shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)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(fù)載的影響。

當(dāng)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(jìn)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(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)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用族狀結(jié)構(gòu)，設(shè)置Cm=2，Lm=2。無線網(wǎng)絡(luò)有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（coordinator）。負(fù)責(zé)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(jī)相連，將采集到的脈搏信號傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，以便對脈搏信號進(jìn)行實(shí)時分析;其他無線節(jié)點(diǎn)可以連接家用設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對它們的控制;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。

無線節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的組成結(jié)構(gòu)框圖GT60與MCl3192之間通過CPI口進(jìn)行通信。

設(shè)計(jì)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(jì)，天線設(shè)計(jì)是無線模塊設(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)與脈搏傳感無線節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)相似。

4實(shí)驗(yàn)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(hù)者的脈搏信號進(jìn)行實(shí)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(jìn)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(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)的距離的關(guān)系。

可以看出，在點(diǎn)對點(diǎn)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(jī)制進(jìn)一步降低丟包率，點(diǎn)對點(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)建的家用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行脈搏信號監(jiān)護(hù)的可行性，系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)其他生理信號的無線監(jiān)護(hù)。