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基於Zigbee的遠程家庭監護系統的應用研究

2013-11-12 23:32:51  來源: 嵌入式開發 

  無線傳感器網絡是由大量的傳感器節點采用無線自組織方式構成的網絡其應用前景廣闊[][]Zigbee技術是一種具有統一技術標准的短距離無線通信技術其PHY層和MAC層協議基於IEEE協議標准該標准把低能耗低成本作為重要目標主要應用於低速傳輸可以作為無線傳感器網絡的通信協議

  隨著社會老齡化的加劇解決長期慢性病的監護成為重要的社會問題一些突發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期的家庭監護由於我國醫療資源緊缺研究基於公用網絡的家庭醫療監護建立小區醫療網絡可以提高醫療服務水平減輕病人負擔以往的解決方案是采用有線方式或簡單的無線數據發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和接入系統沒有擴展性成本高Zigbee 技術的出現為傳感器信號的無線傳輸提供了新的解決方案Zigbee節點有幾十米的覆蓋范圍且可以增加路由節點擴展覆蓋范圍因此適用於家庭住宅同時由於生理監護信號的數據傳輸流量不大傳輸速率為kbps的Zigbee能夠滿足生理數據傳輸要求Zigbee傳感節點可自由靈活地加入和離開網絡具有低功耗和低成本的特點

  Zigbee無線傳感器網絡的上述特點使其在個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本文在分析Zigbee無線傳感器網絡技術的基礎上對其在移動監護的應用進行了研究

   基於Zigbee的無線網絡家庭監護系統架構

   遠程家庭監護系統對網絡的要求

  家庭監護網絡需要考慮能耗覆蓋面傳輸速率和互聯網進行通信等因素本研究采用基於Zigbee技術的無線網絡實現在室內對生理信號的采集通過互聯網將生理數據傳輸到遠程監護服務器人體攜帶可移動生理信號傳感器終端在網絡的可覆蓋范圍內活動通過網絡內的路由節點接入互聯網Zigbee網絡具有自組織動態路由網絡節點少等特點同時Zigbee網絡考慮了節點的能量節約減少節點處理器的計算負擔等問題醫院或社區的醫生可以隨時通過互聯網查看患者的生理信息可以對生理傳感器的采集方式進行控制同時也可以獲得無線網絡中其他監護設備的信息

   網絡拓撲結構

  IEEE 協議的網絡拓撲結構有三種類型星形結構網格狀結構和族狀結構.如圖所示其中網格狀結構和族狀結構屬於點對點的結構網絡中根據設備所具有的通信能力可以分為全功能設備(FFD)和精簡功能設備(fIFD)FFD設備之間以及FFB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 +網絡中有一個稱為PAN網絡協調器的FFD設備是傳感器網絡中的主控制器每個網絡僅有一個主控制器網絡協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信息管理以及分組轉發等功能[][]

  網絡拓撲結構

  星形網絡中所有節點都與中心協調器通信節點間不能直接通信中心節點的能量消耗大適合於網絡節點較少網絡結構簡單小范圍的網絡應用而點對點網絡中只要通信雙方都在其輻射范圍之內任何兩個設備之間都可以通信點對點網絡中的協調器主要負責實現管理鏈路狀態信息認證設備身份等功能點對點網絡支持Ad Hoc網絡且可以構造更復雜的網絡結構

  在家庭監護系統中被監護對象可能在多個房間內活動為了能隨時擴大覆蓋范圍且方便以後功能擴展選用族狀網絡拓撲結構在與互聯網的連接方面建立zi鹵ee無線網絡與以太網的網橋將監護信息傳送到監控服務器實現監護信息的共享

   家庭監護網絡體系結構

  基於上述分析本文設計的遠程家庭監護網絡體系結構如圖所示Zigbee無線系統主要由Zigbee無線傳感器節點(脈搏傳感器節點)若干個具有路由功能的無線節點和zigbee中心網絡協調器(連接家庭無線網橋)組成無線網橋連接zigbee無線網絡與以太網是家庭無線網絡的核心部分負責無線傳感器網絡節點和設備節點的管理圖中ABCD為具有路由功能的FFD節點傳感器節點與路由節點自主形成一個多跳的網絡

  遠程家庭監護網絡體系結構

  脈搏傳感器節點可以通過ABCD節點向網關發送數據由於被監護者在家庭內自由活動所以其攜帶的傳感器節點的路由可能是動態變化的所設計的 Zigbee無線節點的室內通信距離為mABCD節點可根據房間的分布進行布置以能夠最大程度地覆蓋活動區域 脈搏生理數據經過家庭網關傳輸到遠程監護服務器遠程監護服務器負責脈搏生理數據的實時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等也可以傳輸到服務器醫院監護中心和醫生可以登錄監護服務器查看被監護者的生理信息.也可以遠程控制家庭Zigbee無線網絡中的傳感器和設備從而在被監護病人出現異常時能及時檢測到並采取搶救措施被監護者的親屬等也可以登錄監護服務器隨時了解被監護者的健康狀況

   Zigbee家庭無線網絡監護系統硬件結構

  對於傳感器節點需要具有小尺寸低功耗適應性強的特點根據 Zigbee協議標准Zigbee設備發射輸出為~dbm通信距離為~m能夠檢測能量和鏈路質量根據這些檢測結果可自動調整設備的發射功率在保證通信鏈路質量的條件下最小地消耗設備能量目前市場上的無線發射接收芯片典型的有Chipcon公司和Freeseale公司的產品本文選用Freescale的作為系統的射頻芯片此芯片可以結合Freescale公司的控制器GT一起組成低功耗的無線模塊無線傳感器節點的結構框圖如圖所示

  無線傳感器節點的結構框圖

  

   由於無線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現信號放大和濾波設計時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射接收部分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點的通信質量和通信距離可以參照常用的GHz天線的設計方法本設計采用偶極子微帶PCB板天線所有銅箔的走線均采用微帶傳輸線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

  家庭網關負責家庭無線傳感器網絡的控制和管理實現信息的融合處理並將信息傳輸到互聯網家庭網關的數據傳輸和運算量較大並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絡功能的arm系列作為控制器本文采用三星的SC作為控制器無線發射芯片采用 Freeseale的MCl無線控制器芯片采用GT兩者通過SPI口通信無線網關的硬件結構如圖所示

   Zigbee無線網絡軟件系統

  Zigbee協議棧由一系列分層結構組成每一層為上一層提供服務數據實體提供數據傳輸服務管理實體提供其他功能服務每種服務實體通過服務接入點CsAP)為上層提供接口基於Zigtme網絡軟件分層結構如圖所示

  無線網關的硬件結構

  PHY層和MAC層由IEEE 標准組制定物理層定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口提供物理層數據服務和物理層管理服務物理層數據服務從無線信道上收發數據物理管理層維護一個由物理層相關數據組成的數據庫

  Zigbee聯盟基於標准提供了網絡層和應用支持層及應用層框架Zigbee網絡層提供加入和離開網絡機制對數據進行加密以及幀路由等功能路由協議負責將數據分組從源節點通過網絡轉發到目的節點主要完成兩個功能()尋找源節點和目的節點間的優化路徑()將數據分組沿著優化路徑轉發為了能夠高效利用能量減少通信量Zigbee網絡允許樹形路由選擇即樹形結構選址有了樹形路由選擇設備不必保存占有龐大內存的路由表或者進行額外的空中下載操作來發現路徑從而減小了網絡流量為避免錯誤信息超過一定長度的過渡路由而產生額外的流量Zigbee路由允許路由器去發現捷徑

  路由算法采用AODV(Ad hoc On Demand Distance Vetor)算法每個路由器維護一張路由表並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絡節點協議

  無線網關連接內部無線網絡與外部有線以太網網關設計模型如圖所示網關采用arm系列實現運行Linux操作系統在Zigbee協議幀的基礎上建立無線阿關的通信協議包括設備編號數據流方向數據信息等開機上電後.系統自檢硬件初始化與遠程監護服務器連接後進入數據流中繼服務實現數據協議的轉換等功能遠程服務器接受連接後隨時接收傳輸的數據.並根據需要分類保存到數據庫服務器

  網絡軟件分層結構

   實驗結果分析

  根據設計的zigbee無線監護網絡平台對人體隨身攜帶的脈搏壓力信號進行連續采集並在監護服務器上實時顯示采用位A/D轉換器數據采樣頻率Hz有線網絡環境為校園局域網采集數據的波形如圖所示為投有使用網絡傳輸直接經過計算機采集的脈搏信號的波形曲線采樣頻率為Hz

  通過對比圖和圖可以看出經過家庭監護網絡采集到的脈搏數據信號波形基本沒有變形只是網絡的延時使信號產生了微小的抖動當系統接入互聯網延時會加大抖動更加明顯通過增加緩沖區等方法可以減小影響網絡延時對實時信號采集另一方面由於人體的活動也會給信號帶來很大的干擾.可進一步采取濾波等措施減小干擾

  Zigbee網絡是低功耗低成本高可靠性的無線傳感器網絡其在無線家庭監護中有著廣闊的應用前景本文在研究Zigbee無線傳感器網絡的基礎上提出了基於Zigbee協議的家庭無線監護系統的構成方案並在由此方案構建的無線網絡平台上進行了脈搏信號的監護測試實驗驗證了通過該系統進行遠程無線家庭監護的可行性


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