基于Zigbee技術的無線傳感器網(wǎng)絡在遠程家庭監(jiān)護系統(tǒng)中的應用研究

　　無線傳感器網(wǎng)絡是由大量的傳感器節(jié)點采用無線自組織方式構成的網(wǎng)絡，其應用前景廣闊^[1][2]。Zigbee技術是一種具有統(tǒng)一技術標準的短距離無線通信技術，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，可以作為無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議^[3]。
　　隨著社會老齡化的加劇，解決長期慢性病的監(jiān)護成為重要的社會問題。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期的家庭監(jiān)護。由于我國醫(yī)療資源緊缺，研究基于公用網(wǎng)絡的家庭醫(yī)療監(jiān)護，建立小區(qū)醫(yī)療網(wǎng)絡，可以提高醫(yī)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(shù)據(jù)發(fā)射接收方式。被監(jiān)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(tǒng)沒有擴展性，成本高。Zigbee技術的出現(xiàn)為傳感器信號的無線傳輸提供了新的解決方案。Zigbee節(jié)點有幾十米的覆蓋范圍，且可以增加路由節(jié)點，擴展覆蓋范圍,因此適用于家庭住宅。同時由于生理監(jiān)護信號的數(shù)據(jù)傳輸流量不大，傳輸速率為250kbps的Zigbee能夠滿足生理數(shù)據(jù)傳輸要求。Zigbee傳感節(jié)點可自由靈活地加入和離開網(wǎng)絡，具有低功耗和低成本的特點。
　　Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡的上述特點使其在個人生理信號監(jiān)測和遠程家庭監(jiān)護方面將有很好的應用前景^[5]。本文在分析Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡技術的基礎上，對其在移動監(jiān)護的應用進行了研究。
1 基于Zigbee的無線網(wǎng)絡家庭監(jiān)護系統(tǒng)架構
1.1 遠程家庭監(jiān)護系統(tǒng)對網(wǎng)絡的要求
　　家庭監(jiān)護網(wǎng)絡需要考慮能耗、覆蓋面、傳輸速率和互聯(lián)網(wǎng)進行通信等因素。本研究采用基于Zigbee技術的無線網(wǎng)絡實現(xiàn)在室內(nèi)對生理信號的采集，通過互聯(lián)網(wǎng)將生理數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程監(jiān)護服務器。人體攜帶可移動生理信號傳感器終端，在網(wǎng)絡的可覆蓋范圍內(nèi)活動，通過網(wǎng)絡內(nèi)的路由節(jié)點接入互聯(lián)網(wǎng)。Zigbee網(wǎng)絡具有自組織、動態(tài)路由、網(wǎng)絡節(jié)點少等特點。同時Zigbee網(wǎng)絡考慮了節(jié)點的能量節(jié)約,減少節(jié)點處理器的計算負擔等問題。醫(yī)院或社區(qū)的醫(yī)生可以隨時通過互聯(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行控制。同時也可以獲得無線網(wǎng)絡中其他監(jiān)護設備的信息。
1.2 網(wǎng)絡拓撲結構
　　IEEE 802.15.4協(xié)議的網(wǎng)絡拓撲結構有三種類型：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對點的結構。在802.15.4網(wǎng)絡中，根據(jù)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(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)絡中，有一個稱為PAN網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的FFD設備，是傳感器網(wǎng)絡中的主控制器。每個網(wǎng)絡僅有一個主控制器。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)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)絡中所有節(jié)點都與中心協(xié)調(diào)器通信，節(jié)點間不能直接通信，中心節(jié)點的能量消耗大。適合于網(wǎng)絡節(jié)點較少、網(wǎng)絡結構簡單、小范圍的網(wǎng)絡應用。而點對點網(wǎng)絡中只要通信雙方都在其輻射范圍之內(nèi)，任何兩個設備之間都可以通信。點對點網(wǎng)絡中的協(xié)調(diào)器主要負責實現(xiàn)管理鏈路狀態(tài)信息，認證設備身份等功能。點對點網(wǎng)絡支持Ad Hoc網(wǎng)絡，且可以構造更復雜的網(wǎng)絡結構。
　　在家庭監(jiān)護系統(tǒng)中，被監(jiān)護對象可能在多個房間內(nèi)活動，為了能隨時擴大覆蓋范圍，且方便以后功能擴展，選用族狀網(wǎng)絡拓撲結構。在與互聯(lián)網(wǎng)的連接方面，建立Zigbee無線網(wǎng)絡與以太網(wǎng)的網(wǎng)橋，將監(jiān)護信息傳送到監(jiān)控服務器，實現(xiàn)監(jiān)護信息的共享。
1.3 家庭監(jiān)護網(wǎng)絡體系結構
　　基于上述分析，本文設計的遠程家庭監(jiān)護網(wǎng)絡體系結構如圖2所示。Zigbee無線系統(tǒng)主要由Zigbee無線傳感器節(jié)點(脈搏傳感器節(jié)點)、若干個具有路由功能的無線節(jié)點和Zigbee中心網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器(連接家庭無線網(wǎng)橋)組成。無線網(wǎng)橋連接Zigbee無線網(wǎng)絡與以太網(wǎng)， 是家庭無線網(wǎng)絡的核心部分，負責無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點和設備節(jié)點的管理。圖中A、B、C、D為具有路由功能的FFD節(jié)點，傳感器節(jié)點與路由節(jié)點自主形成一個多跳的網(wǎng)絡。脈搏傳感器節(jié)點可以通過A、B、C、D節(jié)點向網(wǎng)關發(fā)送數(shù)據(jù)。由于被監(jiān)護者在家庭內(nèi)自由活動，所以其攜帶的傳感器節(jié)點的路由可能是動態(tài)變化的。所設計的Zigbee無線節(jié)點的室內(nèi)通信距離為30~60m，A、B、C、D節(jié)點可根據(jù)房間的分布進行布置，以能夠最大程度地覆蓋活動區(qū)域。

　　脈搏生理數(shù)據(jù)經(jīng)過家庭網(wǎng)關傳輸?shù)竭h程監(jiān)護服務器。遠程監(jiān)護服務器負責脈搏生理數(shù)據(jù)的實時采集、顯示和保存。其他的監(jiān)護信息如監(jiān)護圖像、安全設備狀態(tài)等也可以傳輸?shù)椒掌?。醫(yī)院監(jiān)護中心和醫(yī)生可以登錄監(jiān)護服務器查看被監(jiān)護者的生理信息，也可以遠程控制家庭Zigbee無線網(wǎng)絡中的傳感器和設備，從而在被監(jiān)護病人出現(xiàn)異常時，能及時檢測到并采取搶救措施。被監(jiān)護者的親屬等也可以登錄監(jiān)護服務器隨時了解被監(jiān)護者的健康狀況。
2 Zigbee家庭無線網(wǎng)絡監(jiān)護系統(tǒng)硬件結構
　　對于傳感器節(jié)點，需要具有小尺寸、低功耗、適應性強的特點。根據(jù)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(jù)這些檢測結果，可自動調(diào)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。目前市場上的無線發(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(tǒng)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線模塊。無線傳感器節(jié)點的結構框圖如圖3所示。

　　由于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(diào)理電路實現(xiàn)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(diào)理電路與高頻發(fā)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(jié)點的通信質(zhì)量和通信距離，可以參照常用的2.4GHz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(wǎng)關負責家庭無線傳感器網(wǎng)絡的控制和管理，實現(xiàn)信息的融合處理，并將信息傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)。家庭網(wǎng)關的數(shù)據(jù)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。無線發(fā)射芯片采用Freescale的MC13192，無線控制器芯片采用GT60, 兩者通過SPI口通信。無線網(wǎng)關的硬件結構如圖4所示。

3 Zigbee無線網(wǎng)絡軟件系統(tǒng)
　　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^[7]。數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)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(SAP)為上層提供接口?；赯igbee網(wǎng)絡軟件分層結構如圖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線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務和物理層管理服務。物理層數(shù)據(jù)服務從無線信道上收發(fā)數(shù)據(jù)。物理管理層維護一個由物理層相關數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。
　　Zigbee聯(lián)盟基于802.15.4標準提供了網(wǎng)絡層和應用支持層及應用層框架。Zigbee網(wǎng)絡層提供加入和離開網(wǎng)絡機制、對數(shù)據(jù)進行加密以及幀路由等功能。路由協(xié)議負責將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡轉發(fā)到目的節(jié)點，主要完成兩個功能：(1)尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路徑；(2)將數(shù)據(jù)分組沿著優(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(nèi)存的路由表或者進行額外的空中下載操作來發(fā)現(xiàn)路徑，從而減小了網(wǎng)絡流量。為避免錯誤信息超過一定長度的過渡路由而產(chǎn)生額外的流量，Zigbee路由允許路由器去發(fā)現(xiàn)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，并定期與其鄰居路由器交換路由信息，根據(jù)最小路由矢量更新自己的路由表。應用層框架定義監(jiān)護網(wǎng)絡節(jié)點協(xié)議。
　　無線網(wǎng)關連接內(nèi)部無線網(wǎng)絡與外部有線以太網(wǎng)，網(wǎng)關設計模型如圖6所示。網(wǎng)關采用ARM9系列實現(xiàn)，運行Linux操作系統(tǒng)。在Zigbee協(xié)議幀的基礎上，建立無線網(wǎng)關的通信協(xié)議，包括設備編號、數(shù)據(jù)流方向、數(shù)據(jù)信息等。開機上電后，系統(tǒng)自檢，硬件初始化，與遠程監(jiān)護服務器連接后進入數(shù)據(jù)流中繼服務，實現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)議的轉換等功能。遠程服務器接受連接后，隨時接收傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并根據(jù)需要分類保存到數(shù)據(jù)庫服務器。

4 實驗結果分析
　　根據(jù)設計的Zigbee無線監(jiān)護網(wǎng)絡平臺，對人體隨身攜帶的脈搏壓力信號進行連續(xù)采集，并在監(jiān)護服務器上實時顯示。采用8位A/D轉換器，數(shù)據(jù)采樣頻率150Hz。有線網(wǎng)絡環(huán)境為校園局域網(wǎng)，采集數(shù)據(jù)的波形如圖7所示。圖8為沒有使用網(wǎng)絡傳輸，直接經(jīng)過計算機采集的脈搏信號的波形曲線，采樣頻率為150Hz。

　　通過對比圖7和圖8可以看出，經(jīng)過家庭監(jiān)護網(wǎng)絡采集到的脈搏數(shù)據(jù)信號波形基本沒有變形，只是網(wǎng)絡的延時使信號產(chǎn)生了微小的抖動。當系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)，延時會加大，抖動更加明顯。通過增加緩沖區(qū)等方法可以減小影響網(wǎng)絡延時對實時信號采集。另一方面，由于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(wǎng)絡是低功耗、低成本、高可靠性的無線傳感器網(wǎng)絡，其在無線家庭監(jiān)護中有著廣闊的應用前景。本文在研究Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡的基礎上，提出了基于Zigbee協(xié)議的家庭無線監(jiān)護系統(tǒng)的構成方案，并在由此方案構建的無線網(wǎng)絡平臺上進行了脈搏信號的監(jiān)護測試。實驗驗證了通過該系統(tǒng)進行遠程無線家庭監(jiān)護的可行性。