基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在遠程家庭監護系

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是由大量的傳感器節點(diǎn)采用無(wú)線(xiàn)自組織方式構成的網(wǎng)絡(luò )，其應用前景廣闊^[1][2]。Zigbee技術(shù)是一種具有統一技術(shù)標準的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，其PHY層和MAC層協(xié)議基于IEEE802.15.4協(xié)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的通信協(xié)議^[3]。
　　隨著(zhù)社會(huì )老齡化的加劇，解決長(cháng)期慢性病的監護成為重要的社會(huì )問(wèn)題。一些突發(fā)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(cháng)期的家庭監護。由于我國醫療資源緊缺，研究基于公用網(wǎng)絡(luò )的家庭醫療監護，建立小區醫療網(wǎng)絡(luò )，可以提高醫療服務(wù)水平，減輕病人負擔。以往的解決方案是采用有線(xiàn)方式或簡(jiǎn)單的無(wú)線(xiàn)數據發(fā)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(dòng)和接入，系統沒(méi)有擴展性，成本高。Zigbee技術(shù)的出現為傳感器信號的無(wú)線(xiàn)傳輸提供了新的解決方案。Zigbee節點(diǎn)有幾十米的覆蓋范圍，且可以增加路由節點(diǎn)，擴展覆蓋范圍,因此適用于家庭住宅。同時(shí)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(mǎn)足生理數據傳輸要求。Zigbee傳感節點(diǎn)可自由靈活地加入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò )，具有低功耗和低成本的特點(diǎn)。
　　Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的上述特點(diǎn)使其在個(gè)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^[5]。本文在分析Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的基礎上，對其在移動(dòng)監護的應用進(jìn)行了研究。
1 基于Zigbee的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )家庭監護系統架構
1.1 遠程家庭監護系統對網(wǎng)絡(luò )的要求
　　家庭監護網(wǎng)絡(luò )需要考慮能耗、覆蓋面、傳輸速率和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信等因素。本研究采用基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現在室內對生理信號的采集，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將生理數據傳輸到遠程監護服務(wù)器。人體攜帶可移動(dòng)生理信號傳感器終端，在網(wǎng)絡(luò )的可覆蓋范圍內活動(dòng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )內的路由節點(diǎn)接入互聯(lián)網(wǎng)。Zigbee網(wǎng)絡(luò )具有自組織、動(dòng)態(tài)路由、網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)少等特點(diǎn)。同時(shí)Zigbee網(wǎng)絡(luò )考慮了節點(diǎn)的能量節約,減少節點(diǎn)處理器的計算負擔等問(wèn)題。醫院或社區的醫生可以隨時(shí)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)查看患者的生理信息，可以對生理傳感器的采集方式進(jìn)行控制。同時(shí)也可以獲得無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中其他監護設備的信息。
1.2 網(wǎng)絡(luò )拓撲結構
　　IEEE 802.15.4協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構有三種類(lèi)型：星形結構、網(wǎng)格狀結構和族狀結構，如圖1所示。其中網(wǎng)格狀結構和族狀結構屬于點(diǎn)對點(diǎn)的結構。在802.15.4網(wǎng)絡(luò )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(jiǎn)功能設備(RFD)。FFD設備之間以及FFD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(wǎng)絡(luò )中，有一個(gè)稱(chēng)為PAN網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器的FFD設備，是傳感器網(wǎng)絡(luò )中的主控制器。每個(gè)網(wǎng)絡(luò )僅有一個(gè)主控制器。網(wǎng)絡(luò )協(xié)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(tài)信息管理以及分組轉發(fā)等功能^[6][7]。

　　星形網(wǎng)絡(luò )中所有節點(diǎn)都與中心協(xié)調器通信，節點(diǎn)間不能直接通信，中心節點(diǎn)的能量消耗大。適合于網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)較少、網(wǎng)絡(luò )結構簡(jiǎn)單、小范圍的網(wǎng)絡(luò )應用。而點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )中只要通信雙方都在其輻射范圍之內，任何兩個(gè)設備之間都可以通信。點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )中的協(xié)調器主要負責實(shí)現管理鏈路狀態(tài)信息，認證設備身份等功能。點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )支持Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )，且可以構造更復雜的網(wǎng)絡(luò )結構。
　　在家庭監護系統中，被監護對象可能在多個(gè)房間內活動(dòng)，為了能隨時(shí)擴大覆蓋范圍，且方便以后功能擴展，選用族狀網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。在與互聯(lián)網(wǎng)的連接方面，建立Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與以太網(wǎng)的網(wǎng)橋，將監護信息傳送到監控服務(wù)器，實(shí)現監護信息的共享。
1.3 家庭監護網(wǎng)絡(luò )體系結構
　　基于上述分析，本文設計的遠程家庭監護網(wǎng)絡(luò )體系結構如圖2所示。Zigbee無(wú)線(xiàn)系統主要由Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)(脈搏傳感器節點(diǎn))、若干個(gè)具有路由功能的無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)和Zigbee中心網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器(連接家庭無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋)組成。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋連接Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與以太網(wǎng)， 是家庭無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的核心部分，負責無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)和設備節點(diǎn)的管理。圖中A、B、C、D為具有路由功能的FFD節點(diǎn)，傳感器節點(diǎn)與路由節點(diǎn)自主形成一個(gè)多跳的網(wǎng)絡(luò )。脈搏傳感器節點(diǎn)可以通過(guò)A、B、C、D節點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數據。由于被監護者在家庭內自由活動(dòng)，所以其攜帶的傳感器節點(diǎn)的路由可能是動(dòng)態(tài)變化的。所設計的Zigbee無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)的室內通信距離為30~60m，A、B、C、D節點(diǎn)可根據房間的分布進(jìn)行布置，以能夠最大程度地覆蓋活動(dòng)區域。

　　脈搏生理數據經(jīng)過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)傳輸到遠程監護服務(wù)器。遠程監護服務(wù)器負責脈搏生理數據的實(shí)時(shí)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(tài)等也可以傳輸到服務(wù)器。醫院監護中心和醫生可以登錄監護服務(wù)器查看被監護者的生理信息，也可以遠程控制家庭Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的傳感器和設備，從而在被監護病人出現異常時(shí)，能及時(shí)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(wù)器隨時(shí)了解被監護者的健康狀況。
2 Zigbee家庭無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )監護系統硬件結構
　　對于傳感器節點(diǎn)，需要具有小尺寸、低功耗、適應性強的特點(diǎn)。根據Zigbee協(xié)議標準，Zigbee設備發(fā)射輸出為0～3.6dbm，通信距離為30～60m，能夠檢測能量和鏈路質(zhì)量。根據這些檢測結果，可自動(dòng)調整設備的發(fā)射功率，在保證通信鏈路質(zhì)量的條件下，最小地消耗設備能量。目前市場(chǎng)上的無(wú)線(xiàn)發(fā)射/接收芯片典型的有Chipcon公司和Freescale公司的產(chǎn)品。本文選用Freescale的13193作為系統的射頻芯片^[8]。此芯片可以結合Freescale公司的控制器GT60一起組成低功耗的無(wú)線(xiàn)模塊。無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的結構框圖如圖3所示。

　　由于無(wú)線(xiàn)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(shí)現信號放大和濾波。設計時(shí)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)射接收部分分開(kāi)設計。天線(xiàn)設計是無(wú)線(xiàn)模塊設計的關(guān)鍵，直接影響到傳感器節點(diǎn)的通信質(zhì)量和通信距離，可以參照常用的2.4GHz天線(xiàn)的設計方法。本設計采用偶極子微帶PCB板天線(xiàn)，所有銅箔的走線(xiàn)均采用微帶傳輸線(xiàn)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(wǎng)關(guān)負責家庭無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的控制和管理，實(shí)現信息的融合處理，并將信息傳輸到互聯(lián)網(wǎng)。家庭網(wǎng)關(guān)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(wǎng)絡(luò )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(wú)線(xiàn)發(fā)射芯片采用Freescale的MC13192，無(wú)線(xiàn)控制器芯片采用GT60, 兩者通過(guò)SPI口通信。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)的硬件結構如圖4所示。

3 Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )軟件系統
　　Zigbee協(xié)議棧由一系列分層結構組成，每一層為上一層提供服務(wù)^[7]。數據實(shí)體提供數據傳輸服務(wù)，管理實(shí)體提供其他功能服務(wù)。每種服務(wù)實(shí)體通過(guò)服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)為上層提供接口?；赯igbee網(wǎng)絡(luò )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(wú)線(xiàn)信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數據服務(wù)和物理層管理服務(wù)。物理層數據服務(wù)從無(wú)線(xiàn)信道上收發(fā)數據。物理管理層維護一個(gè)由物理層相關(guān)數據組成的數據庫。
　　Zigbee聯(lián)盟基于802.15.4標準提供了網(wǎng)絡(luò )層和應用支持層及應用層框架。Zigbee網(wǎng)絡(luò )層提供加入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò )機制、對數據進(jìn)行加密以及幀路由等功能。路由協(xié)議負責將數據分組從源節點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )轉發(fā)到目的節點(diǎn)，主要完成兩個(gè)功能：(1)尋找源節點(diǎn)和目的節點(diǎn)間的優(yōu)化路徑；(2)將數據分組沿著(zhù)優(yōu)化路徑轉發(fā)。為了能夠高效利用能量，減少通信量，Zigbee網(wǎng)絡(luò )允許樹(shù)形路由選擇，即樹(shù)形結構選址。有了樹(shù)形路由選擇，設備不必保存占有龐大內存的路由表或者進(jìn)行額外的空中下載操作來(lái)發(fā)現路徑，從而減小了網(wǎng)絡(luò )流量。為避免錯誤信息超過(guò)一定長(cháng)度的過(guò)渡路由而產(chǎn)生額外的流量，Zigbee路由允許路由器去發(fā)現捷徑。
　　路由算法采用AODV(Ad hoc On Demand Distance Vetor)算法。每個(gè)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(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)協(xié)議。
　　無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)連接內部無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與外部有線(xiàn)以太網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)設計模型如圖6所示。網(wǎng)關(guān)采用ARM9系列實(shí)現，運行Linux操作系統。在Zigbee協(xié)議幀的基礎上，建立無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)的通信協(xié)議，包括設備編號、數據流方向、數據信息等。開(kāi)機上電后，系統自檢，硬件初始化，與遠程監護服務(wù)器連接后進(jìn)入數據流中繼服務(wù)，實(shí)現數據協(xié)議的轉換等功能。遠程服務(wù)器接受連接后，隨時(shí)接收傳輸的數據，并根據需要分類(lèi)保存到數據庫服務(wù)器。

4 實(shí)驗結果分析
　　根據設計的Zigbee無(wú)線(xiàn)監護網(wǎng)絡(luò )平臺，對人體隨身攜帶的脈搏壓力信號進(jìn)行連續采集，并在監護服務(wù)器上實(shí)時(shí)顯示。采用8位A/D轉換器，數據采樣頻率150Hz。有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )環(huán)境為校園局域網(wǎng)，采集數據的波形如圖7所示。圖8為沒(méi)有使用網(wǎng)絡(luò )傳輸，直接經(jīng)過(guò)計算機采集的脈搏信號的波形曲線(xiàn)，采樣頻率為150Hz。

　　通過(guò)對比圖7和圖8可以看出，經(jīng)過(guò)家庭監護網(wǎng)絡(luò )采集到的脈搏數據信號波形基本沒(méi)有變形，只是網(wǎng)絡(luò )的延時(shí)使信號產(chǎn)生了微小的抖動(dòng)。當系統接入互聯(lián)網(wǎng)，延時(shí)會(huì )加大，抖動(dòng)更加明顯。通過(guò)增加緩沖區等方法可以減小影響網(wǎng)絡(luò )延時(shí)對實(shí)時(shí)信號采集。另一方面，由于人體的活動(dòng)也會(huì )給信號帶來(lái)很大的干擾，可進(jìn)一步采取濾波等措施減小干擾。
　　Zigbee網(wǎng)絡(luò )是低功耗、低成本、高可靠性的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，其在無(wú)線(xiàn)家庭監護中有著(zhù)廣闊的應用前景。本文在研究Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的基礎上，提出了基于Zigbee協(xié)議的家庭無(wú)線(xiàn)監護系統的構成方案，并在由此方案構建的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )平臺上進(jìn)行了脈搏信號的監護測試。實(shí)驗驗證了通過(guò)該系統進(jìn)行遠程無(wú)線(xiàn)家庭監護的可行性。