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无线传感器网络是由大量的传感器节点采用无线自组织方式构成的网络其应用前景广阔[][]Zigbee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术其PHY层和MAC层协议基于IEEE．．协议标准该标准把低能耗低成本作为重要目标主要应用于低速传输可以作为无线传感器网络的通信协议 随着社会老龄化的加剧解决长期慢性病的监护成为重要的社会问题一些突发性疾病和家庭保健如心血管疾病老人的日常护理孕妇胎儿婴儿幼儿的保健也需要长期的家庭监护由于我国医疗资源紧缺研究基于公用网络的家庭医疗监护建立小区医疗网络可以提高医疗服务水平减轻病人负担以往的解决方案是采用有线方式或简单的无线数据发射接收方式被监护者身上安装的传感设备难以自由灵活地移动和接入系统没有扩展性成本高Zigbee 技术的出现为传感器信号的无线传输提供了新的解决方案Zigbee节点有几十米的覆盖范围且可以增加路由节点扩展覆盖范围因此适用于家庭住宅同时由于生理监护信号的数据传输流量不大传输速率为kbps的Zigbee能够满足生理数据传输要求Zigbee传感节点可自由灵活地加入和离开网络具有低功耗和低成本的特点 Zigbee无线传感器网络的上述特点使其在个人生理信号监测和远程家庭监护方面将有很好的应用前景本文在分析Zigbee无线传感器网络技术的基础上对其在移动监护的应用进行了研究 基于Zigbee的无线网络家庭监护系统架构 ． 远程家庭监护系统对网络的要求 家庭监护网络需要考虑能耗覆盖面传输速率和互联网进行通信等因素本研究采用基于Zigbee技术的无线网络实现在室内对生理信号的采集通过互联网将生理数据传输到远程监护服务器人体携带可移动生理信号传感器终端在网络的可覆盖范围内活动通过网络内的路由节点接入互联网Zigbee网络具有自组织动态路由网络节点少等特点同时Zigbee网络考虑了节点的能量节约减少节点处理器的计算负担等问题医院或社区的医生可以随时通过互联网查看患者的生理信息可以对生理传感器的采集方式进行控制同时也可以获得无线网络中其他监护设备的信息 ． 网络拓扑结构 IEEE ．．协议的网络拓扑结构有三种类型星形结构网格状结构和族状结构．如图所示其中网格状结构和族状结构属于点对点的结构在． ．网络中根据设备所具有的通信能力可以分为全功能设备(FFD)和精简功能设备(fIFD)FFD设备之间以及FFB设备与RFD设备之间可以直接通信RFD之间不能直接通信在IEEE ．+网络中有一个称为PAN网络协调器的FFD设备是传感器网络中的主控制器每个网络仅有一个主控制器网络协调器除了直接参与应用以外还要完成成员的身份管理链路状态信息管理以及分组转发等功能[][] 星形网络中所有节点都与中心协调器通信节点间不能直接通信中心节点的能量消耗大适合于网络节点较少网络结构简单小范围的网络应用而点对点网络中只要通信双方都在其辐射范围之内任何两个设备之间都可以通信点对点网络中的协调器主要负责实现管理链路状态信息认证设备身份等功能点对点网络支持Ad Hoc网络且可以构造更复杂的网络结构 在家庭监护系统中被监护对象可能在多个房间内活动为了能随时扩大覆盖范围且方便以后功能扩展选用族状网络拓扑结构在与互联网的连接方面建立zi卤ee无线网络与以太网的网桥将监护信息传送到监控服务器实现监护信息的共享 家庭监护网络体系结构 基于上述分析本文设计的远程家庭监护网络体系结构如图所示Zigbee无线系统主要由Zigbee无线传感器节点(脉搏传感器节点)若干个具有路由功能的无线节点和zigbee中心网络协调器(连接家庭无线网桥)组成无线网桥连接zigbee无线网络与以太网是家庭无线网络的核心部分负责无线传感器网络节点和设备节点的管理图中ABCD为具有路由功能的FFD节点传感器节点与路由节点自主形成一个多跳的网络 脉搏传感器节点可以通过ABCD节点向网关发送数据由于被监护者在家庭内自由活动所以其携带的传感器节点的路由可能是动态变化的所设计的 Zigbee无线节点的室内通信距离为～mABCD节点可根据房间的分布进行布置以能够最大程度地覆盖活动区域 脉搏生理数据经过家庭网关传输到远程监护服务器远程监护服务器负责脉搏生理数据的实时采集显示和保存其他的监护信息如监护图像安全设备状态等也可以传输到服务器医院监护中心和医生可以登录监护服务器查看被监护者的生理信息．也可以远程控制家庭Zigbee无线网络中的传感器和设备从而在被监护病人出现异常时能及时检测到并采取抢救措施被监护者的亲属等也可以登录监护服务器随时了解被监护者的健康状况 Zigbee家庭无线网络监护系统硬件结构 对于传感器节点需要具有小尺寸低功耗适应性强的特点根据 Zigbee协议标准Zigbee设备发射输出为~．dbm通信距离为~m能够检测能量和链路质量根据这些检测结果可自动调整设备的发射功率在保证通信链路质量的条件下最小地消耗设备能量目前市场上的无线发射接收芯片典型的有Chipcon公司和Freeseale公司的产品本文选用Freescale的作为系统的射频芯片此芯片可以结合Freescale公司的控制器GT一起组成低功耗的无线模块无线传感器节点的结构框图如图所示 由于无线传感器具有随身携带要求因此采用纽扣电池脉搏传感器采用PVDF压电薄膜其输出阻抗很大由调理电路实现信号放大和滤波设计时考虑到高频电路对传感器信号的干扰传感器调理电路与高频发射接收部分分开设计天线设计是无线模块设计的关键直接影响到传感器节点的通信质量和通信距离可以参照常用的．GHz天线的设计方法本设计采用偶极子微带PCB板天线所有铜箔的走线均采用微带传输线的原理以减少反射引起的传输损耗获得较大的输出功率和较高的接收灵敏度 家庭网关负责家庭无线传感器网络的控制和管理实现信息的融合处理并将信息传输到互联网家庭网关的数据传输和运算量较大并且可以采用外部电力作为电源供应因此采用具有较强的信息处理能力和网络功能的arm系列作为控制器本文采用三星的SC作为控制器无线发射芯片采用 Freeseale的MCl无线控制器芯片采用GT两者通过SPI口通信无线网关的硬件结构如图所示 Zigbee无线网络软件系统 Zigbee协议栈由一系列分层结构组成每一层为上一层提供服务数据实体提供数据传输服务管理实体提供其他功能服务每种服务实体通过服务接入点CsAP)为上层提供接口基于Zigtme网络软件分层结构如图所示 PHY层和MAC层由IEEE ．．标准组制定物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口提供物理层数据服务和物理层管理服务物理层数据服务从无线信道上收发数据物理管理层维护一个由物理层相关数据组成的数据库 Zigbee联盟基于．．标准提供了网络层和应用支持层及应用层框架Zigbee网络层提供加入和离开网络机制对数据进行加密以及帧路由等功能路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点主要完成两个功能()寻找源节点和目的节点间的优化路径()将数据分组沿着优化路径转发为了能够高效利用能量减少通信量Zigbee网络允许树形路由选择即树形结构选址有了树形路由选择设备不必保存占有庞大内存的路由表或者进行额外的空中下载操作来发现路径从而减小了网络流量为避免错误信息超过一定长度的过渡路由而产生额外的流量Zigbee路由允许路由器去发现捷径 路由算法采用AODV(Ad hoc On Demand Distance Vetor)算法每个路由器维护一张路由表并定期与其邻居路由器交换路由信息根据最小路由矢量更新自己的路由表应用层框架定义监护网络节点协议 无线网关连接内部无线网络与外部有线以太网网关设计模型如图所示网关采用arm系列实现运行Linux操作系统在Zigbee协议帧的基础上建立无线阿关的通信协议包括设备编号数据流方向数据信息等开机上电后．系统自检硬件初始化与远程监护服务器连接后进入数据流中继服务实现数据协议的转换等功能远程服务器接受连接后随时接收传输的数据．并根据需要分类保存到数据库服务器 实验结果分析 根据设计的zigbee无线监护网络平台对人体随身携带的脉搏压力信号进行连续采集并在监护服务器上实时显示采用位A/D转换器数据采样频率Hz有线网络环境为校园局域网采集数据的波形如图所示图为投有使用网络传输直接经过计算机采集的脉搏信号的波形曲线采样频率为Hz 通过对比图和图可以看出经过家庭监护网络采集到的脉搏数据信号波形基本没有变形只是网络的延时使信号产生了微小的抖动当系统接入互联网延时会加大抖动更加明显通过增加缓沖区等方法可以减小影响网络延时对实时信号采集另一方面由于人体的活动也会给信号带来很大的干扰．可进一步采取滤波等措施减小干扰 Zigbee网络是低功耗低成本高可靠性的无线传感器网络其在无线家庭监护中有着广阔的应用前景本文在研究Zigbee无线传感器网络的基础上提出了基于Zigbee协议的家庭无线监护系统的构成方案并在由此方案构建的无线网络平台上进行了脉搏信号的监护测试实验验证了通过该系统进行远程无线家庭监护的可行性 |
