基于Zigbee的远程家庭监护系统的应用研究

　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A B C D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A B C D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 ～ m A B C D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S C 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 *** 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 *** 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 通过增加缓冲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

lishixinzhi/Article/program/qrs/201311/11071

这个控制方案很多的：

利用ZigBee无线传感器网络技术对LED节能灯实现远程控制的方案，给出了详细的软硬件设计。

　　1 自组网控制系统及工作原理

　　为实现故障检测、温度检测、电压检测、亮度检测和控制以及故障报警等功能，自组网控制系统采用了图1所示的设计。

　　整个无线网络是由终端节点(ZigBee Endpoint，ZE)、路由(ZigBee Router，ZR)、和协调器(ZigBee Coordinator，ZC)3种设备构成。其中终端是简化功能设备(Reduced Function Device，RFD)，只能与路由或者协调器直接通信。路由是全功能设备(FuU Function Device，FFD)，既可以和路由和终端直接通信，也可以和协调器直接通信。协调器是PAN协调器(PANC)，负责一个PAN区域的网络建立及管理。协调器收集所有节点和路由的信息，通过RS232发给监控计算机来确定灯的亮度、环境温度、电池电量等。

　　工作原理：系统中每个终端、路由分别控制一盏灯，每个灯对应一个ID(终端或路由加入网络时由协调器自动分配)，各个节点和路由将传感器收集的数据通过无线发送到协调器，协调器将收到的数据通过串口发送到监控计算机。如果LED灯出现故障，检测电路会产生报警信号，报警信号最终会发送到监控计算机，计算机会提示工作人员故障灯的ID，让维护更便利。另外终端的光敏传感器会收集光照的程度，然后由终端自动的调整光照的亮度。

　　终端也会将自身的供电电压传送到监控计算机，以防节点缺电而影响使用。

　　2 系统硬件设计

　　系统是由电源模块、无线传输模块(CC2530、温度检测、电压检测)、LED驱动模块、LED检测模块等组成，具体硬件电路逻辑结构如图2所示。其中电源模块是采用市面常用的ASM1117-50和ASM1117-33，原理简单易懂。下面主要介绍无线通信模块和LED驱动模块。

　　无线通信模块采用TI公司的CC2530模块，CC2530是用于IEEE 802154、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统(SoC)解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能、业界标准的增强型8051 CPU、系统内可编程闪存、8 KB RAM和许多其他强大的功能。CC2530有4种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256(分别具有32/64/128/256 KB闪存)。CC 2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短，进一步确保了低能源消耗。CC2530优良的性能和具有代码预取功能的低功耗、8051微控制器内核、32/64/128 KB的系统内可编程闪存、8 KBRAM，具备在各种供电方式下的数据保持能力并且支持硬件调试，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能。它的可编程输出功率高达45 dBm，并且只需极少的外接元件。硬件电路结构框图如图3所示，其中光控单元采用TPS851芯片，温控模块采用TC77。

　　LED驱动模块采用的芯片是PT4115。PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，用于驱动一颗或多颗串联LED。PT4115输人电压范围从6～30 V，输出电流可调，最大可达12 A。根据不同的输入电压和外部器件，PT4115可以驱动高达数十W的LED。PT4115内置功率开关，采用高端电流采样设置LED平均电流，并通过DIM引脚可以接受模拟调光和很宽范围的PWM调光。当DIM的电压低于03 V时，功率开关关断，PT4115进入极低工作电流的待机状态。驱动原理图如图4所示。PT4115和电感L、电流采样电阻RS形成一个自振荡的连续电感电流模式的降压、恒流LED控制器。VIN上电时，L和RS的初始电流为零，LED输出电流也为零。这时候，CS比较器的输出为高，内部功率开关导通，SW的电位为低。电流通过L、RS、LED和内部功率开关从VIN流到地，电流上升的斜率由VIN、L和LED压降决定，在RS上产生一个压差VCSN，当VIN-VCSN>115mV时，CS比较器的输出变低，内部功率开关关断，电流以另一个斜率流过L、RS、LED和肖特基二极管(D)，当VIN-VCSN<85 mV时，功率开关重新打开，这样使得在LED上的平均电流为I。I=(0085+0115)/(2×RS)=01/RS。

本文应用IAR Embedded Workbench开发环境，在TI ZStack-221-113协议栈的基础上，编写了系统的应用程序代码，用VC编写了上位机程序。系统软件主要包括协调器节点程序、路由和终端程序、上位机程序。ZStack提供了丰富的函数调用接口。

　　ZigBee网络中的协调器工作流程如图5所示，路由(涵盖终端)工作流程如图6所示。在ZigBee网络中，网络协调器具有建立网络、维护邻居设备表、对逻辑网络地址进行分配、允许设备MAC层/应用层的连接或断开网络的功能。对于节点之间的通信有两种寻址方式，分别是通过64位IEEE地址和16位网络地址来寻找网络设备，当节点加入网络时候，协调器会自动给其分配唯一的16位网络地址。灯的无线控制系统要求能够对任意一盏灯进行亮度调节，因此人工分配64位IEEE地址给每个路灯，以便以后进行控制。另外配置ZigBee设备对象断点时候，网内的所有节点的ID和断点描述符必须相同，否则节点间不能通信。路由器和终端的工作流程相识，这里不作区分。

　　上位机能够为工作人员清楚地提供电压、温度、节点数目、节点地址等数据，实现远程无线控制，创作和谐的人机交互界面，如图7所示。工作人员能够在上位机上使用ID对灯亮暗程度进行远程控制。

　　4结语

　　经测试，在室内无障碍15 m左右距离，无遮挡物环境下速率能够达到2 50 kbps;室外空旷环境下30～1 00m距离，速率为40 kbps;300 m，速率为25 kbps。距离150 m时通信的误码率可小于2%。系统在发射状态下电流为257 mA，接收时为293mA，休眠状态下仅为25μA。本系统具有成本低、功耗低、实施简单、维护方便的特点，具有较高的参考价值。

ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个ZigBee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信;每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里;另外整个ZigBee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。例如，你可以通过互联网在北京监控云南某地的一个ZigBee控制网络。

作为一种低速率的短距离无线通信技术，ZigBee有其自身的特点，因此有为它量身定做的应用，尽管在某些应用方面可能和其他技术重叠。ZigBee可能的一些应用，包括智能家庭、工业控制、自动抄表、医疗监护、传感器网络应用和电信应用。

内容来源当宁消防网资讯

按照IEEE802154的规范，最大传输速率应该是250kbps；至于具体到智能公交这个应用场景，数据速率是要看 *** 作流程了（包括发送什么信息，发送周期等），250kbps是理论最大值。