基于無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)家庭監(jiān)護系統(tǒng)的應用方案

作者：郭世富，馬樹元，吳平東，陳之龍 來源：電子技術應用

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。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。

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。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)絡的可覆蓋范圍內活動，通過網(wǎng)絡內的路由節(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（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 802．15+4網(wǎng)絡中，有一個稱為PAN網(wǎng)絡協(xié)調器的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，任何兩個設備之間都可以通信。點對點網(wǎng)絡中的協(xié)調器主要負責實現(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zi鹵ee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量。根據(jù)這些檢測結果，可自動調整設備的發(fā)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(fā)射，接收芯片典型的有Chipcon公司和Freeseale公司的產(chǎn)品。本文選用Freescale的13193作為系統(tǒng)的射頻芯片。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 Freeseale的MCl3192，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。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CsAP）為上層提供接口。基于Zigtme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，建立無線阿關的通信協(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為投有使用網(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。

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