作者：郭世富，馬樹元，吳平東，陳之龍 來源：電子技術應用

無線傳感器網絡是由大量的傳感器節點采用無線自組織方式構成的網絡，其應用前景廣闊。Zigbee技術是一種具有統一技術標準的短距離無線通信技術，其PHY層和MAC層協議基于IEEE802．15．4協議標準。該標準把低能耗、低成本作為重要目標，主要應用于低速傳輸，可以作為無線傳感器網絡的通信協議。

隨著社會老齡化的加劇，解決長期慢性病的監護成為重要的社會問題。一些突發性疾病和家庭保健，如心血管疾病、老人的日常護理、孕婦、胎兒、嬰兒、幼兒的保健也需要長期的家庭監護。由于我國醫療資源緊缺，研究基于公用網絡的家庭醫療監護，建立小區醫療網絡，可以提高醫療服務水平，減輕病人負擔。以往的解決方案是采用有線方式或簡單的無線數據發射接收方式。被監護者身上安裝的傳感設備難以自由靈活地移動和接入，系統沒有擴展性，成本高。Zigbee技術的出現為傳感器信號的無線傳輸提供了新的解決方案。Zigbee節點有幾十米的覆蓋范圍，且可以增加路由節點，擴展覆蓋范圍，因此適用于家庭住宅。同時由于生理監護信號的數據傳輸流量不大，傳輸速率為250kbps的Zigbee能夠滿足生理數據傳輸要求。Zigbee傳感節點可自由靈活地加入和離開網絡，具有低功耗和低成本的特點。

Zigbee無線傳感器網絡的上述特點使其在個人生理信號監測和遠程家庭監護方面將有很好的應用前景。本文在分析Zigbee無線傳感器網絡技術的基礎上，對其在移動監護的應用進行了研究。

1 基于Zigbee的無線網絡家庭監護系統架構

1．1 遠程家庭監護系統對網絡的要求

家庭監護網絡需要考慮能耗、覆蓋面、傳輸速率和互聯網進行通信等因素。本研究采用基于Zigbee技術的無線網絡實現在室內對生理信號的采集，通過互聯網將生理數據傳輸到遠程監護服務器。人體攜帶可移動生理信號傳感器終端，在網絡的可覆蓋范圍內活動，通過網絡內的路由節點接入互聯網。Zigbee網絡具有自組織、動態路由、網絡節點少等特點。同時Zigbee網絡考慮了節點的能量節約，減少節點處理器的計算負擔等問題。醫院或社區的醫生可以隨時通過互聯網查看患者的生理信息，可以對生理傳感器的采集方式進行控制。同時也可以獲得無線網絡中其他監護設備的信息。

1．2 網絡拓撲結構

IEEE 802．15．4協議的網絡拓撲結構有三種類型：星形結構、網格狀結構和族狀結構．如圖1所示。其中網格狀結構和族狀結構屬于點對點的結構。在802． 15．4網絡中，根據設備所具有的通信能力可以分為全功能設備（FFD）和精簡功能設備（fIFD）。FFD設備之間以及FFB設備與RFD設備之間可以直接通信。RFD之間不能直接通信。在IEEE 802．15+4網絡中，有一個稱為PAN網絡協調器的FFD設備，是傳感器網絡中的主控制器。每個網絡僅有一個主控制器。網絡協調器除了直接參與應用以外，還要完成成員的身份管理、鏈路狀態信息管理以及分組轉發等功能［6］［7］。

星形網絡中所有節點都與中心協調器通信，節點間不能直接通信，中心節點的能量消耗大。適合于網絡節點較少、網絡結構簡單、小范圍的網絡應用。而點對點網絡中只要通信雙方都在其輻射范圍之內，任何兩個設備之間都可以通信。點對點網絡中的協調器主要負責實現管理鏈路狀態信息，認證設備身份等功能。點對點網絡支持Ad Hoc網絡，且可以構造更復雜的網絡結構。

在家庭監護系統中，被監護對象可能在多個房間內活動，為了能隨時擴大覆蓋范圍，且方便以后功能擴展，選用族狀網絡拓撲結構。在與互聯網的連接方面，建立zi鹵ee無線網絡與以太網的網橋，將監護信息傳送到監控服務器，實現監護信息的共享。

1.3 家庭監護網絡體系結構

基于上述分析，本文設計的遠程家庭監護網絡體系結構如圖2所示。Zigbee無線系統主要由Zigbee無線傳感器節點（脈搏傳感器節點）、若干個具有路由功能的無線節點和zigbee中心網絡協調器（連接家庭無線網橋）組成。無線網橋連接zigbee無線網絡與以太網，是家庭無線網絡的核心部分，負責無線傳感器網絡節點和設備節點的管理。圖中A、B、C、D為具有路由功能的FFD節點，傳感器節點與路由節點自主形成一個多跳的網絡。

脈搏傳感器節點可以通過A、B、C、D節點向網關發送數據。由于被監護者在家庭內自由活動，所以其攜帶的傳感器節點的路由可能是動態變化的。所設計的 Zigbee無線節點的室內通信距離為30～60m，A、B、C、D節點可根據房間的分布進行布置，以能夠最大程度地覆蓋活動區域。 脈搏生理數據經過家庭網關傳輸到遠程監護服務器。遠程監護服務器負責脈搏生理數據的實時采集、顯示和保存。其他的監護信息如監護圖像、安全設備狀態等也可以傳輸到服務器。醫院監護中心和醫生可以登錄監護服務器查看被監護者的生理信息．也可以遠程控制家庭Zigbee無線網絡中的傳感器和設備，從而在被監護病人出現異常時，能及時檢測到并采取搶救措施。被監護者的親屬等也可以登錄監護服務器隨時了解被監護者的健康狀況。

2 Zigbee家庭無線網絡監護系統硬件結構

對于傳感器節點，需要具有小尺寸、低功耗、適應性強的特點。根據 Zigbee協議標準，Zigbee設備發射輸出為0~3．6dbm，通信距離為30~60m，能夠檢測能量和鏈路質量。根據這些檢測結果，可自動調整設備的發射功率，在保證通信鏈路質量的條件下，最小地消耗設備能量。目前市場上的無線發射，接收芯片典型的有Chipcon公司和Freeseale公司的產品。本文選用Freescale的13193作為系統的射頻芯片。此芯片可以結合Freescale公司的控制器GT60一起組成低功耗的無線模塊。無線傳感器節點的結構框圖如圖3所示。

由于無線傳感器具有隨身攜帶要求，因此采用紐扣電池。脈搏傳感器采用PVDF壓電薄膜，其輸出阻抗很大，由調理電路實現信號放大和濾波。設計時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射接收部分分開設計。天線設計是無線模塊設計的關鍵，直接影響到傳感器節點的通信質量和通信距離，可以參照常用的2．4GHz天線的設計方法。本設計采用偶極子微帶PCB板天線，所有銅箔的走線均采用微帶傳輸線的原理，以減少反射引起的傳輸損耗，獲得較大的輸出功率和較高的接收靈敏度。

家庭網關負責家庭無線傳感器網絡的控制和管理，實現信息的融合處理，并將信息傳輸到互聯網。家庭網關的數據傳輸和運算量較大，并且可以采用外部電力作為電源供應，因此采用具有較強的信息處理能力和網絡功能的ARM9系列作為控制器，本文采用三星的S3C2410作為控制器。無線發射芯片采用 Freeseale的MCl3192，無線控制器芯片采用GT60，兩者通過SPI口通信。無線網關的硬件結構如圖4所示。

3 Zigbee無線網絡軟件系統

Zigbee協議棧由一系列分層結構組成，每一層為上一層提供服務。數據實體提供數據傳輸服務，管理實體提供其他功能服務。每種服務實體通過服務接入點CsAP）為上層提供接口?；赯igtme網絡軟件分層結構如圖5所示。

PHY層和MAC層由IEEE 802．15．4標準組制定。物理層定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數據服務和物理層管理服務。物理層數據服務從無線信道上收發數據。物理管理層維護一個由物理層相關數據組成的數據庫。

Zigbee聯盟基于802．15．4標準提供了網絡層和應用支持層及應用層框架。Zigbee網絡層提供加入和離開網絡機制、對數據進行加密以及幀路由等功能。路由協議負責將數據分組從源節點通過網絡轉發到目的節點，主要完成兩個功能：（1）尋找源節點和目的節點間的優化路徑；（2）將數據分組沿著優化路徑轉發。為了能夠高效利用能量，減少通信量，Zigbee網絡允許樹形路由選擇，即樹形結構選址。有了樹形路由選擇，設備不必保存占有龐大內存的路由表或者進行額外的空中下載操作來發現路徑，從而減小了網絡流量。為避免錯誤信息超過一定長度的過渡路由而產生額外的流量，Zigbee路由允許路由器去發現捷徑。

路由算法采用AODV（Ad hoc On Demand Distance Vetor）算法。每個路由器維護一張路由表，并定期與其鄰居路由器交換路由信息，根據最小路由矢量更新自己的路由表。應用層框架定義監護網絡節點協議。

無線網關連接內部無線網絡與外部有線以太網，網關設計模型如圖6所示。網關采用ARM9系列實現，運行Linux操作系統。在Zigbee協議幀的基礎上，建立無線阿關的通信協議，包括設備編號、數據流方向、數據信息等。開機上電后．系統自檢，硬件初始化，與遠程監護服務器連接后進入數據流中繼服務，實現數據協議的轉換等功能。遠程服務器接受連接后，隨時接收傳輸的數據．并根據需要分類保存到數據庫服務器。

4 實驗結果分析

根據設計的zigbee無線監護網絡平臺，對人體隨身攜帶的脈搏壓力信號進行連續采集，并在監護服務器上實時顯示。采用8位A/D轉換器，數據采樣頻率150Hz。有線網絡環境為校園局域網，采集數據的波形如圖7所示。圖8為投有使用網絡傳輸，直接經過計算機采集的脈搏信號的波形曲線，采樣頻率為150Hz。

通過對比圖7和圖8可以看出，經過家庭監護網絡采集到的脈搏數據信號波形基本沒有變形，只是網絡的延時使信號產生了微小的抖動。當系統接入互聯網，延時會加大，抖動更加明顯。通過增加緩沖區等方法可以減小影響網絡延時對實時信號采集。另一方面，由于人體的活動也會給信號帶來很大的干擾．可進一步采取濾波等措施減小干擾。

Zigbee網絡是低功耗、低成本、高可靠性的無線傳感器網絡，其在無線家庭監護中有著廣闊的應用前景。本文在研究Zigbee無線傳感器網絡的基礎上，提出了基于Zigbee協議的家庭無線監護系統的構成方案，并在由此方案構建的無線網絡平臺上進行了脈搏信號的監護測試。實驗驗證了通過該系統進行遠程無線家庭監護的可行性。

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