一種家用無線網(wǎng)絡的構建

摘要：研究一種基于Zigbee技術的家用無線網(wǎng)絡平臺．分析了Zigbee網(wǎng)絡協(xié)議，探討了用Zigbee技術構建家用無線網(wǎng)絡的關鍵問題對網(wǎng)絡拓撲結構，網(wǎng)絡路由算法和網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡是可行的，該無線網(wǎng)絡在家庭監(jiān)護中將有廣闊的應用前景.

關鍵詞：脈搏信號；遠程醫(yī)療；Zigbee；家庭監(jiān)護

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(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(wǎng)絡發(fā)射，經(jīng)家庭網(wǎng)絡路由傳送到互聯(lián)網(wǎng)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(diào)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(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(wǎng)絡易組織、低成本、低功耗等要求．Zigbee協(xié)議是一種基于IEEE802 15．4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(wǎng).該通信設備支持250 kbit/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)絡的上述特點，可將其用于構建家用無線網(wǎng)絡平臺.

l Zigbee網(wǎng)絡協(xié)議簡析

Zigbee網(wǎng)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．Zigbee Alliance定義了網(wǎng)絡層、應用層與安全層規(guī)范．NWK負責網(wǎng)絡層工作，使用IEEE 802．15．4MAC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(diào)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(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸服務的Endpoint(如同TCP/IP的socket)匹配網(wǎng)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APS ZDO則是整個Zigbee網(wǎng)絡設備的控制中心，它使用NWK與APS提供的管理服務，并匹配Zigbee device profile(ZDP)規(guī)范．Zigbee網(wǎng)絡支持3種類型拓撲結構：星形結構，網(wǎng)格狀結構和族狀結構，如圖3所示．其中網(wǎng)格狀和族狀結構屬于點對點的結構星形網(wǎng)絡中，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)絡中的節(jié)點彼此都在其輻射范圍之內(nèi)，任何兩個設備之間都可以通信.

2 關鍵問題的考慮

2．1 網(wǎng)絡拓撲結構的選擇

在Zigbee協(xié)議支持的3種網(wǎng)絡拓撲結構中，星形拓撲網(wǎng)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(wǎng)，節(jié)省能量，計算量�。�在家庭監(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(wǎng)絡中節(jié)點的無線通信范圍很小(幾十米)，網(wǎng)絡覆蓋范圍有限，不利于網(wǎng)絡功能的擴展．

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

族狀結構結合了星形結構和網(wǎng)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(wǎng)絡中的端節(jié)點，結構節(jié)點少．同時協(xié)調(diào)器可以作為網(wǎng)絡控制器采集網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)．網(wǎng)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(wǎng)絡采用族狀網(wǎng)絡拓撲結構．

2．2 網(wǎng)絡路由協(xié)議的設計

路由協(xié)議直接關系到無線網(wǎng)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�。�其次由于被監(jiān)護對象的移動性，網(wǎng)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(wǎng)絡樹層次結構圖.

圖中，Lm為最大網(wǎng)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．

假設某個節(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<N，將數(shù)據(jù)包轉發(fā)給父節(jié)點；
    如果D>N并且，將 數(shù)據(jù)包轉發(fā)給父節(jié)點；
    如果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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡節(jié)點就不需要保存大量的路由信息，節(jié)省內(nèi)存，計算復雜度低，能耗小.具體設計時，由于家庭監(jiān)護網(wǎng)絡屬于小型網(wǎng)絡，網(wǎng)絡節(jié)點少，可以設定較少的網(wǎng)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(wǎng)絡的性能要求較低，基于Zigbee技術構建的無線網(wǎng)絡可以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸�寬要求和實現(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)絡負載的影響．

當需要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，要通過網(wǎng)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80 B．生理信號一般都屬于低頻信號(脈搏信號的有效頻率都在10 Hz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)絡節(jié)點的能量消耗．

3 家用無線網(wǎng)絡的實現(xiàn)

所構建的家庭監(jiān)護網(wǎng)絡結構如圖5所示網(wǎng)絡拓撲結構采用族狀結構，設置Cm=2，Lm=2．無線網(wǎng)絡有一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器(coordinator)。負責無線網(wǎng)絡的建立和網(wǎng)絡狀態(tài)管理．網(wǎng)絡協(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)點可以連接家用設備，實現(xiàn)對它們的控制；將監(jiān)護信息傳輸?shù)骄W(wǎng)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(wǎng)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(diào)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．可以參照常用的2．4 GHz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3 V，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(wǎng)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(wǎng)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150 Hz，采用8位的A/D轉換器，該家用無線網(wǎng)絡可以正確地對脈搏信號進行采集．測試過程中，無線網(wǎng)絡能夠連續(xù)正常工作．為了測試網(wǎng)絡的丟包率，每隔10 ms發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，連續(xù)發(fā)送1 000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10 m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20～30 m．傳感節(jié)點的電池可以連續(xù)工作3～5 d．實驗驗證了構建的家用無線網(wǎng)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．