基于Zigbee技術家用無線網絡的構架

研究一種基于Zigbee技術的家用無線網絡平臺．分析了Zigbee網絡協(xié)議，探討了用Zigbee技術構建家用無線網絡的關鍵問題對網絡拓撲結構，網絡路由算法和網絡采樣策略等問題進行了討論并提出了解決方案通過構建的家用無線網絡對脈搏信號進行監(jiān)護實驗．結果表明，基于Zigbee技術構建的家用無線網絡是可行的，該無線網絡在家庭監(jiān)護中將有廣闊的應用前景。

隨著計算機技術、通信技術、控制技術的發(fā)展和人們物質生活水平的提高，家居智能化的研究成為國內外的一個研究熱點．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絡實現(xiàn)長期的家庭監(jiān)護，對提高人們生活質量，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。

家庭設備信息和人體信息如腦電波、脈搏信息等通過無線網絡發(fā)射，經家庭網絡路由傳送到互聯(lián)網上的專用服務器中．家屬或醫(yī)院可在世界上任何地方，通過計算機調查服務器中所記錄的人體活動和設備的情況．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備，還能調查任一時段內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絡構建采用的無線方式有射頻(RF)技術，IEEE802．11及藍牙技術等．但這些技術都沒有完全滿足家庭網絡易組織、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，主要應用于低通信速率，低功耗設備的組網.該通信設備支持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．鑒于Zigbee無線網絡的上述特點，可將其用于構建家用無線網絡平臺。

Zigbee網絡協(xié)議簡析

Zigbee網絡協(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.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成MAC子層為高層訪問物理信道提供點到點通信的服務接口．ZigbeeAlliance定義了網絡層、應用層與安全層規(guī)范．NWK負責網絡層工作，使用IEEE802．15．4MAC所提供的服務完成工作，并提供數(shù)據(jù)收發(fā)與管理服務供上層協(xié)議調用NWK之上的APS，ZDO應用框架與應用對象等都屬于應用支持層(APL)．APS使用NWK所提供的數(shù)據(jù)進行傳輸服務。

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

2關鍵問題的考慮

2．1網絡拓撲結構的選擇

在Zigbee協(xié)議支持的3種網絡拓撲結構中，星形拓撲網絡最簡單．每個被監(jiān)控設備可以作為精簡設備終端連接入網，節(jié)省能量，計算量?。诩彝ケO(jiān)護系統(tǒng)中，設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，而星形網絡中節(jié)點的無線通信范圍很小(幾十米)，網絡覆蓋范圍有限，不利于網絡功能的擴展。

網狀網絡中的每個節(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絡控制點．如果某一個節(jié)點與網絡斷開，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．但網絡中的設備都需是全功能設備，能量消耗大；同時，網絡中數(shù)據(jù)流的路由節(jié)點增加了網絡的延時。

族狀結構結合了星形結構和網狀結構的優(yōu)點．為了節(jié)省能量，監(jiān)控設備和生理數(shù)據(jù)采集終端可以作為網絡中的端節(jié)點，結構節(jié)點少．同時協(xié)調器可以作為網絡控制器采集網絡中的數(shù)據(jù)。網絡具有可擴展性，可以增加路由節(jié)點，擴展覆蓋范圍，因此該家用無線網絡采用族狀網絡拓撲結構。

2．2網絡路由協(xié)議的設計

路由協(xié)議直接關系到無線網絡的性能．路由協(xié)議設計的首要問題是要求其計算復雜度小，能耗?。浯斡捎诒槐O(jiān)護對象的移動性，網絡拓撲的結構可能發(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，但算法較復雜，Cluster-tree算法適合樹狀拓撲結構．圖4為網絡樹層次結構圖。

圖中，Lm為最大網絡深度，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。

設某個節(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③．

③判斷并轉發(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)包轉發(fā)給父節(jié)點；

果D>N且D≤ ，將數(shù)據(jù)包轉發(fā)給地址為 的子節(jié)點。

家用無線網絡大多數(shù)節(jié)點是靜止的，移動節(jié)點較少，可采用族狀拓撲結構。家庭網絡環(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，網絡節(jié)點就不需要保存大量的路由信息，節(jié)省內存，計算復雜度低，能耗小.具體設計時，由于家庭監(jiān)護網絡屬于小型網絡，網絡節(jié)點少，可以設定較少的網絡層次，以減少路由計算時間。

2．3數(shù)據(jù)采樣策略

設備狀態(tài)及發(fā)送速率較低的數(shù)據(jù)信息對無線網絡的性能要求較低，基于Zigbee技術構建的無線網絡可以滿足數(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絡負載的影響。

當需要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，要通過網絡協(xié)議棧的每一層進行封裝，其中應用層的數(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，減少網絡節(jié)點的能量消耗。

3家用無線網絡的實現(xiàn)

所構建的家庭監(jiān)護網絡結構如圖5所示網絡拓撲結構采用族狀結構，設置Cm=2，Lm=2。無線網絡有一個網絡協(xié)調器(coordinator)。負責無線網絡的建立和網絡狀態(tài)管理。網絡協(xié)調器通過串口與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)點可以連接家用設備，實現(xiàn)對它們的控制；將監(jiān)護信息傳輸?shù)骄W絡監(jiān)護服務器?？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．無線網絡節(jié)點的組成結構框圖如圖6所示。GT60與MCl3192之間通過CPI口進行通信。

設計時應考慮到高頻電路對傳感器信號的干擾，傳感器調理電路與高頻發(fā)射接收部分可分開設計。天線設計是無線模塊設計的關鍵，直接影響到傳感器節(jié)點的通信質量和通信距離?？梢詤⒄粘Ｓ玫?．4GHz天線的設計方法本設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)點的設計與脈搏傳感無線節(jié)點的設計相似。

網絡控制器和脈搏傳感節(jié)點的應用程序流程如圖7、圖8所示.

4實驗與結論

應用構建的家庭無線網絡平臺對被監(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轉換器，該家用無線網絡可以正確地對脈搏信號進行采集。測試過程中，無線網絡能夠連續(xù)正常工作。為了測試網絡的丟包率，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％，可以通過應用層設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。實驗驗證了構建的家用無線網絡進行脈搏信號監(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。