基于无线传感网络的远程医疗监护系统的研究毕业设计

1、毕 业 论 文学 生 姓 名 学 号院 (系 电子与电气工程系 专 业 电子信息科学与技术题 目基于无线传感网络 的远程医疗监护系统的研究指导教师2008 年 5 月 摘要 :本文介绍了一种基于无线传感网络技术的嵌入式远程医疗监护系统。首先,以各种 无线通信生理指标传感器为核心,设计了一种可扩展的基于无线传感器网络的监护系统体 系结构模型。介绍了在该系统结构中采用的无线生理指标传感器节点以及监护基站设备的 设计要点。对无线传感网络的常用组网技术进行了探讨,并以 802.15.4/Zigbee协议作为 节点和基站设备所使用的近距离通信标准,建立了系统网络拓扑结构模型。进一步讨论了 联入 Inte

2、rnet 网络或者通过 modem 接入 Internet 网络的可行性。该系统可以应用于家庭 以及医院病房,构成远程的家庭、社区以及医院的医疗监护系统。Abstract :An embedded remote health care system based on wireless sensor network technology is established. Firstly, a new system architecture is proposed which introduces a scalable wireless sensor network with a variety o

3、f wireless physiological sensor nodes. Then the designs of several wireless physiological sensor nodes and the care base2station are p resented. Wireless communication between the sensor nodes and the care base2station is realized with IEEE 802. 15. 4 / Zigbee standard, and the care base2station and

4、 the remote central server are connected in one of the following ways, including computing network, and telephone modem. The system can be used at home or in hospitals to form a remote health care system among home, community and hospital.Key words:wireless sensor network ; remote health care ; IEEE

5、 802. 15. 4 / Zigbee目 录1 前言 4 1.1 分布式医疗监护系统简介 4 1.2 无线传感网络技术介绍 5 1.2.1 无线传感网络概述 5 1.2.2 无线传感器网络在医疗监护方面的应用 5 1.2.3 无线传感器网络的体系结构 6 1.3 研究背景和意义 7 1.3.1 研究背景 71.3.2 研究意义 82 基于无线传感网络的家庭监护系统结构模型设计 8 2.1 远程医疗监护系统构成 8 2.1.1远程医疗监护系统总体功能框图 8 2.1.2 信息中心模块图 9 2.2 远程家庭监护系统对网络的要求 102. 3家 庭 监 护 网 络 体 系 结 构 设 计 103

6、监 护 系 统 硬 件 设 计 11 3.1 传感器节点设计关键技术 11 3. 2 无线网关 133.3监护基站设备设计 144 监护系统软件设计 15 4.1Zigbee 技术的主要特点 15 4.2 网络拓扑结构模型 17 4.3 无线网络监护系统软件结构 17结论 20 参考文献 21 致谢 221 前言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 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无 线通信技术,主要适合于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备中,同时支持地理 定位功能。相对于现有的各种无线通信技术如蓝牙

7、技术、射频技术等, ZigBee 技术将是最 低功耗和成本的技术。医疗监护仪器目前可以分为两类,一类是指在医院内由职业医生或专业技术人员使用 的专门仪器,对病人进行生理指标的监护 ; 另一类是在普通人员的家庭内或者户外,在医 生的指导下,由病人本人或者家属使用远程医疗监护系统对病人进行监护,所得到的生理 指标将及时传送给相关医生。 目前, 医院所使用的监护方法, 大多使用固定的医疗监护仪, 连接设备将传感器探头连接在病人与监护设备之间进行信号的传递。复杂的设备,众多的 连线,会造成病人心理上的压力和紧张情绪,可能会影响病人身体状况,使得诊断所得到 的数据与真实情况有一定差距,给病人和医护人员都

8、带来不便,可能会影响对病情的正确 诊断。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,利用远程医疗监护系统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

9、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 250kbps 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,相对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。1.1 分布式远程医疗监护系统简介远程医疗监护技术是近年来远程医疗中的一个研究热点,也是一个相对薄弱的环节, 欧美各国一直致力于对远程监护的研究,我国近年来也开始推动其

10、发展。远程监护可以定义为通过通信网络将远端的生理信息和医学信号传送到监护中心进行分析并给出诊断意 见的一种技术手段,因此远程医疗监护系统一般包括三个部分 :监护中心、远端监护设备 和联系两者的通信网络。远程医疗监护系统具体实现方式多样,监护对象可以在家中、户外进行监测 ; 测量可 以由患者或家庭医生完成 ; 测量结果既可以本地分析存储也可以传输到监护中心后分析处 理存储,并可通过网络实现远程专家会诊。1.2 无线传感器网络技术介绍1.2.1 无线传感网络概述无线传感器网络是一种无基础设施的网络,其综合了传感器技术、嵌入式计算技术、 分布式信息处理技术和通信技术,可以使人们在任何环境条件下获取大

11、量详实可靠的信 息。因此,这种网络体统可以被广泛的应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、 医疗卫生、工农业、反恐抗灾等领域。如果说 Internet 构成了逻辑上的信息世界,改变 了人与人之间的沟通方式,那么无线传感器网络就是将逻辑上的信息上的逻辑世界和客观 上的物理世界融合在一起,改变人类与自然界的交互方式。人们可以通过传感器网络直接 感知客观世界,从而极大地扩展了现有网络的功能和人类认识世界的能力。美国商业周刊 和 MIT 技术评论在预测未来技术发展的报告中,分别将无线传感器网络列为 21世纪最有 影响的 21项技术和改变世界的 10大技术之一。1.2.2 无线传感器网络在医疗监护

12、方面的应用医学临床监护技术就是把患者的各种重要生命体征及时、准确的提取出来进行处 理、分析,帮助医护人员对患者病情进行监测和防护的技术。在现有医疗监护系统中,患 者身上佩戴的传感器采集的数据多通过串口电缆(RS232/485传送到 PC 上或者通过串口 联网服务器传到局域网上。由于所检测的信号大多是人体信号,而人体处于自然状态时的 信号才能真实的反应去生理状况。因此将检测设备通过有线方式连到人体上进行监测的传 统方法会使患者感到拘束,从而导致所检测到的数据不准确。特别在病房里,各种连线不 仅时病人感到不舒服,而且会时病房看起来杂乱无章,影响医护人员的工作效率。应此医 疗单位希望以一种低成本、高

13、可靠性的无线传输方案来代替传统的有线方式。无线局域网 具有微功率、抗干扰强、组网灵活等特点,时实现无线医疗监护系统的理想选择。目前无线技术在医疗领域中的应用比较广泛,但大都是具有基站星型拓扑结构的应用,并不是真正意义上的无线传感器网络。传感器网络在医疗领域的成功实例有 :SSIM (Smart Sensors and Integrated Microsystems项目中, 100个微型传感器被植入病人眼 中,从而帮助盲人获得了一定程度的视觉。借助于各种医疗传感器网络,人们可以享受到 更方便更舒适的医疗服务,比如 :传统的有线监护设备体积比较大,耗电量高,成本比较 高,大大限制了康复期病人和需要

14、监护的中老年患者的活动,也无法实现对处于正常生活 和工作条件下的患者进行长时间的连续监测。为了达到与病房监护一样的效果,在家中安 装一个带有无线接收模块的接收器,使病人随身携带的监护医疗设备通过无线发送模块将 病人的数据传送到接收器,接收器与 Internet 网连接,通过网络将数据传送到医院和社 区医疗中心,达到远程医疗监护的目的。病变器官观察 :通过在人体器官中植入一些微型传感器,随时观测器官的生理状态, 可以发现器官的功能恶化,及时采取治疗措施从而挽救病人生命。但是推广这种想法前, 还需要突破许多技术瓶颈,这些医疗传感器必须非常安全 ; 工作能源要从人体自动获取 ; 系 统稳定、基本不需

15、维修。1.2.3 无线传感器网络的体系结构(1节点组成无线传感器网络由大量靠近或处于待监测目标内部的传感器节点组成。在不同应用 中,节点的组成略有不同 ,但都包括以下基本单元 :传感器单元 (传感器及相关信号调理 和数模转换等 、处理单元 (CPU、存储器、嵌入式操作系统 、通信单元及电源 (包括相关 电源管理 。此外还可以有其它功能单元 :定位系统、移动系统、执行机构、电源自供电装 置及复杂信号处理 (包括声音、图像、数据处理及信息融合 ,可以根据不同的应用做出取 舍。传感器节点通过自组织的方式组成网络。由于无线传感器网络的节点数量巨大,因此 传感器节点的成本必须尽可能的低,同时无线传感器网

16、络的工作环境和工作方式决定了传 感器节点必须体积小、功耗低、功能尽可能单一。目前国内外已经出现了许多种网络节点 的设计,在功能实现上类似,只是在微处理器和通信方式上的选择不同,比如无线通信方 式采用自定义协议的 ISM 频段 (Industrial, Scientific&Medical射频技术、蓝牙技术、 Zigbee 协议、 UWB 等。(2网络的体系结构及整体构建典型的传感器网络有三种类型 :星形结构、网格状结构和簇状结构。其中网格状结构 和簇状结构属于点对点的结构。在 802.15.4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 (RFD。 FF

17、D 设备之间以及 FFD 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 802.15.4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

18、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,选用簇状网络拓扑结构。在与互联网的连接方面,建立 Zigbee 无 线网络与以太网的网桥,将监护信息传送到监控服务器,实现对服务器的共享。1.3 研究背景和意义1.3.1 研究背景联合国发表报告指出 :当二十一世纪上半叶到来时,全球人口将增加 0.6倍,而老年 人口将增加 2.3倍,老年人口占总人口的比例将上升到 20%,由此衍生出许多关于老年人 医疗与照顾的社会问题。2002年 12月 16日在曼谷召开的第 5届亚太人口会

19、议中中国国家报告指出, 中国人口 主要死因依次为 :恶性肿瘤、脑血管、心血管、呼吸系统疾病等。慢性非传染性疾病已对 人民健康和生命构成严重威胁,预防控制慢性非传染性疾病是 21世纪的重点任务。 慢性病和退化性疾病需要长期追踪与治疗,但大量病人不可能长期留在医院接受治 疗,而是大多采取定期回院复诊的治疗方式,缺乏长期有效的病情监控与护理,即浪费了 病人往返医院的时间金钱,也增加了病人的精神压力,特别是有些慢性病 (如癫痈 需要监 测发病时的生理参数,但病人入院复诊时未必发病,影响了诊断的有效性和准确性。此外 多数的病人具有自由活动的能力,但目前的监护方式使得病人被束缚于医院和病床。据测算, 20

20、00年卫生总费用占国内生产总值 (GDP 的比例为 4.05%,到 2030年将达 到 24%。我国是发展中国家,财力有限,工业基础也较薄弱,在这种人多钱少设备有限交 通紧张的情况下,又有众多的老人及慢性病患者需要长期监护和照顾,如何有效的分配利 用医疗资源,正考验着现有的医疗体系。电子技术、计算机技术、通信技术的飞速发展为我们的生活带来了便利,也为医疗体 系的发展带来了新的机遇。如何将信息技术应用于医疗,一直是世界各发达国家的重点发 展 目 标 , 欧 美 许 多 国 家 正 积 极 推 动 医 疗 信 息 基 础 建 设 C HealthCare Information Infrastru

21、cture, HOD,我国也推出了金卫医疗网络工程等项目,目的在于集成信息科学、 计算机技术和通信应用技术于医疗卫生领域的高科技产业,优化疗保健服务,加速实施我 国医院管理及医疗卫生事业现代化建设的进程。1.3.2 研究意义科学研究和医疗保健的需求、信息技术的飞速发展,都推动着远程监护技术的进步, 发展远程监护技术具有重要的意义 :缩短医生和患者之间的距离,为患者提供及时救助,减少患者或医务人员的路途奔 波。对患者的重要生理参数实施远程监护,不仅可以辅助治疗,还能在患者病情突然恶化 时报警。对自理能力较差的老年人和残疾人的日常生活状态实施远程监护,不仅能提高医护人员的护理水平和患者的生活质量,

22、还可以评估监护对象的独立生活能力和健 康状况。远程监护可以在患者熟悉的环境中进行,减少了患者的心理压力,提高了诊断的准 确性。对健康状况进行监护, 可以发现疾病的早期症状, 从而达到保健和预防疾病的目的。 先进的医学支持系统为通信和信息领域中的新技术提供了一个进行评测的平台,如 虚拟环境、智能传感器和辅助医生的决策系统等。2 基于无线网络的家庭监护系统结构模型设计2.1 远程医疗监护系统构成2.1.1 远程医疗监护系统总体功能框图本系统由监护基站设备和 Zigbee 传感器节点构成一个微型监护网络, 传感器节点上使 用中央控制器对所需要监测的生命指标传感器进行控制来采集数据, 通过 Zigbe

23、e 无线通信 方式将数据发送至监护基站设备,并由该基站装置将数据传输至所连接的 PC 或者其他网 络设备上,通过 Internet 网络可以将数据传输至远程医疗监护中心,由专业医疗人员对数 据进行统计观察,提供必要的咨询服务,实现远程医疗。在救护车中的急救人员还可通过 GPRS 实现将急救病人情况的实时传送,以利于医院抢救室及时地做好准备工作。该远程 医疗监护系统的体系结构如图 2-1所示。医疗传感器节点可以根据不同的需要而设置,因 此该系统具有极大的灵活性和扩展性。同时,将该系统接入 Internet 网络,可以形成更大 的社区医疗监护网络、医院网络乃至整个城市和全国的医疗监护网络。 医疗设

24、备图 2-1 远程医疗监护系统的体系结构图系统中包括 WPAN (Wireless Personal Area Network Zigbee网络以及一系列医疗 监护网络的医疗传感器节点。本系统还具有良好的扩展性。例如 :医护人员在急救途中或 是在其他医院可以分别利用 WLAN/UMTS网关和互联网与系统进行信息交互。2.1.2 中央信息处理控制中心如图 2-2所示,中央信息处理控制中心由监控模块、配置模块、数据库三个部分组 成。通过公共网络与汇节点连接在一起,监控模块通过 Modem 及时地接收汇节点发送来 的各种信息,并对接收到的信息进行分析处理,根据不同的信息类型完成相应的操作,实 现对分

25、布式汇节点上报信息的及时接收、分析、处理以及向具有不同编号 ID 的汇节点发 送控制信令,实现对传感器节点的间接、全方位的监控和数据采集。 2. 2 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。

26、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。2. 3 家庭监护网络体系结构设计基于上述分析,本文设计的远程家庭监护网络体系结构如图 2-3所示。 Zigbee 无线 系统主要由 Zigbee 无线传感器节点 (温度传感器节点 、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 2-3 远程家庭监护网络体系结构温度传感器节点可以通过节点向网关发送

27、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 3060m ,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。温 度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温度生理数据的实 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

28、时了解被监护者的健康状况。3监护系统硬件设计3.1 传感器节点设计关键技术医疗无线传感器节点主要功能为采集人体生理指标数据,或者对某些医疗设备的状况 或者治疗过程情况进行动态监测,并通过射频通信的方式,将数据传输至监护基站设备。 医疗传感器节点框图和处理器单元如图 3-1所示。 医疗传感器节点主要包括 4 部分:生理信息与数据采集单元、无线数据通信单元、 处理器单元、电源。处理单元主要分为五个部分:CPU 、存储器、 AD 转换、测试带和数码 显示屏。根据低功耗和处理能力的需要,可以采用 TI 公司的 MSP430 系列单片机;存储器 部分主要用于存储传感器所采集的临时数据,在处理器将数据传输

29、之后,传感器节点内不 做数据的大量存储;用 ADC12 和 DAC12 对测试带传过的模拟信号进行转换。工作原理:首 先由控制单元发出开始监测某项生理参数的指令,然后通过无线数据通信单元把指令发给 生理信息与数据采集单元对人体生理信号(体温、血压、脉搏、血氧等,本文主要是体温 信号进行采集后通过无线数据通信单元将数据传给控制和显示单元中的信息处理模块控 制和显示单元,一方面对接收到的数据进行处理和显示,另一方面将结果数据存人数据库 供检索和回放。节点的核心是无线数据通信单元和生理信息与数据采集单元。以下简要介 绍这两个单元:3.1.1 无线数据通信单元在医院应用的医疗监护设备对电磁辐射的要求都

30、很高,对于设备来讲,辐射的电磁波 既不能够干扰其他设备正常工作,同时也应具有一定的抗干扰能力,不受其他设备辐射出 的电磁波干扰。因此,在医院或者使用无限通信的家庭医疗设备在设计中必须对此方面进 行考虑。在本系统中,所使用的射频通信采用的通信标准为 802.15.4/Zigbee标准,该标准专 门针对近距离高速数据传输,具有较高的数据纠错和抗干扰能力。并且,系统对无线信号 的工作强度进行了控制,使得在正常状态下,信号强度能够满足通信的需要而且不会有过 多的浪费,一方面节省了系统的能量,另一方面也降低了无线通信过程对于其他设备的干 扰。本系统所设计的射频通信装置可以使用以 CC2420芯片为核心的

31、射频通信模块。该芯 片是美国 Chipcon 公司生产的,是一款低功耗无线收发芯片,尤其适合工作于低功耗、低 电压的无线通信设备中。该芯片工作在 2.4GHz 的免费 ISM 频段,射频收发符合 IEEE802.15.4/Zigbee标准,能够满足本系统射频通信的需要。无线传感器节点的结构框 图如图 3-2所示。3.1.2生理信息与数据采集单元在本文所设计的系统中,医疗传感器模块主要实现了测量体温的功能, 体温测量可 以集成北京迈创公司所生产的 YSI 体温探头。在本系统的设计中,无线节点为传感器扩展 留出了丰富的接口,如果需要其它类型的生理指标数据,如血压、血氧、心电等数据,则 只需要将相应

32、的传感器接入预留的接口,就可以形成新的无线传感器节点,开发相应的嵌 入式控制及处理软件,就可以将节点直接加入到该无线传感器网络中。3.2 无线网关网关负责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。网关的数据传输和运算量较大,可以采用外部电力作为电源供应,因市面上有很多成 熟的网关成品,因此本设计可以选用具有较强的信息处理能力和网络功能的 ARM9系列作 为控制器的网关。 图 3.3 无线网关硬件结构图3.3 监护基站设备设计图 3.4所示是本文设计的医疗监护基站设备的结构框图。本系统主要实现的功能是采 集并显示测试得到的数据信息,同时将数据信息进行适当存储和网络转

33、发,因此本系统中 的监护基站设备被设计成一种手持设备,同时监护基站设备可以和系统中的多个传感器节 点进行通信以完成数据的采集和显示等功能。在使用过程中,监护基站设备通过无线信道 向传感器节点发送控制命令来启动传感器节点,传感器节点接收到命令后进行相应的数据 采集动作,采集人体生理指标数据,采集结束后通过无线通信的方式将数据返回到监护基 站,由监护基站进行进一步的显示、存储等操作。必要时,监护基站设备可以通过网络将 数据传输到远程服务器端。医疗监护基站设备主要包括 :处理器、存储器、人机交互模块、通信模块接口等几个 部分。医疗监护设备的主处理器可以采用 TI 公司的 MSP430系列的低功耗处理

34、器,该系列 处理器具有超低功耗、处理速度高、接口丰富等特点,非常适合用于需要超低功耗以及高 速的嵌入式设备。人机交互接口包括用户输入指令的键盘以及显示数据结果和操作过程的 LCD 显示屏两个部分。 为了增强系统的适用性和兼容性,监护基站设备上设计了多种通信模块接口,其中 包括 RS-232接口、 modem 接口模块、 GSM 短消息接口模块和射频接口模块。其中射频接口 模块用于和系统内无线传感器节点进行近距离通信,其他通信接口用于和主机服务器进行 通信。例如,在家中没有 Internet 网络接入的情况下,用户可以使用 modem 模块接入电 话线进行拨号,将数据传输至服务器端。在户外没有其

35、他连接方式的情况下,用户可以使 用 GSM 短消息的方式,将数据传输至服务器端。当处于医院或者社区医疗中心的服务器端 接收到监护基站设备所发送来的数据信息的时候,则可以对数据进行存储以及必要的分 析,医生则可以根据这些数据进行相应的判断和处理。对于在家中使用的医疗监护设备, 用户还可以根据需要,通过 RS-232接口,将设备连接在家中的 PC 机上,这样,就可以将 监护基站设备的数据传输至计算机中,进行更灵活的管理,家庭成员可以根据数据自己判 断被监护人员的身体状况, 同时也可以将数据传输到主服务器上, 由专业医疗人员析管理。 监护基站设备在正常工作状态下使用电池进行供电,因此在设计过程中尤其

36、注意了 低功耗的管理与控制。 在不工作的时刻, 系统会进入低功耗以及休眠状态来节省系统能量。 4 监护系统软件设计4.1 Zigbee 技术的主要特点*数据传输速率低 :只有 10k 字节 /秒到 250k 字节 /秒,专注于低传输应用 ;*功耗低 :在低耗电待机模式下,两节普通 5号干电池可使用 6个月到 2年,免去了充电 或者频繁更换电池的麻烦。这也是 Zigbee 的支持者所一直引以为豪的独特优势 ;*成本低 :因为 Zigbee 数据传输速率低,协议简单,所以大大降低了成本。且 Zigbee 协 议免收专利费。*时延短 :通常时延都在 15毫秒至 30毫秒之间 ;*安全 :Zigbee

37、提供了数据完整性检查和鉴权功能,加密算法采用 AES-128,同时可以灵 活确定其安全属性 ;*网络容量大 :每个 Zigbee 网络最多可支持 255个设备,也就是说,每个 Zigbee 设备可 以与另外 254台设备相连接 ;*优良的网络拓扑能力 :ZigBee具有星、树和丛网络结构的能力。 ZigBee 设备实际上具有 无线网路自愈能力 , 能简单地覆盖广阔围 ;*有效范围小 :有效覆盖范围 1075米之间,具体依据实际发射功率的大小和各种不同的 应用模式而定,基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境 ;*工作频段灵活 :使用的频段分别为 2.4GHz(全球 、 868MHz(欧洲 及 91

38、5MHz(美国 ,均为 免执照频段。目前市场有数款基于 Zigbee 技术的平台,其各有特点,主要有以下几种 : Chipcon 公司推出的 CC2420,它是一款符合 IEEE 802.15.4规范的 2.4GHz 射频芯 片, 用来开发下代无线传感及家庭组网等 PAN 网络的 Zigbee 设备和产品。 它基于 Chipcon 公司的 SmartRF03技术,以 0.18pmCMOS 工艺制成,只需极少外部元器件,性能稳定且功 耗极低。美国 Helicomm 公司 Zigbee 无线收发模块 IP-L1nkl000o IPLink1000是集成了射频 收发器,微控制器,数字和模拟 I/O,

39、多点多拓扑网络层功能于一身的半双工无线通讯系 列模块。 IP-Link1000系列模块内嵌的网络通讯协议, 完整体现世界上最新的 Zigbee v1.0网络层的强大功能。飞思卡尔 Zigbee-Ready 芯片 MC 13192, MC 13192是一款适用于 Zigbee 产品的 RF 器件。 MC13192只需极少外部元器件,性能稳定且功耗极低, MC13192的选择性和敏感性 指数超过了 IEEE 802.15.4标准的要求,可确保短距离通信的有效性和可靠性。模块大小 仅占 1平方英寸,可以灵活的嵌入到既有的产品中,轻而易举实现无线感测和监控网络的功能。4.2 网络拓扑结构IEEE 80

40、2.15.4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 4-1所示。其中网格状结构和族状结构属于点对点的结构。在 802.15.4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 802.15.4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。 图 4-1 IE

41、EE802.15.4的网络拓扑类型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。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 Zigbee 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。4.3 无线网络监护系统软件结构Zigbee 协议

42、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 (SAP为上层提 供接口。基于 Zigbee 网络软件分层结构如图 4-2所示。PHY 层和 MAC 层由 IEEE 802.15.4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 802.15.4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:(1寻找源节点和目的节点间的优化路径 ;(2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