（检测技术与自动化装置专业论文）基于zigbee技术和以太网的远程监护系统设计.pdf

摘要基于z i g b e e 技术和以太网的远程监护系统设计专业：检测技术与自动化装置硕士生：杜律指导教师：陈云洽副教授摘要无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，在环境监测、工业、家庭自动化等领域发挥着关键作用。若能将无线传感器网络和因特m ( n a t e r n e t ) 结合起来，具有很大价值。结合健康监护的应用课题，本文提出一种将z i g b e e 无线传感器网络和i n t e m e t 连接的方案，研究和设计了一种基于z i g b e e 技术和以太网的远程监护系统。该系统由以下几个部分组成：前端的z i g b e e 传感器节点、z i g b e e 路由节点、网关节点和p c 主机。其中，网关节点是整个系统的“枢纽 部分，实现z i g b e e无线网络与i n t e m e t 的互联；z i g b e e 传感器节点采集的被监护者的生理参数通过这两种网络发送给远端的p c 主机，医护人员在p c 主机上实时地观测被监护者的生理信息，从而快速作出反应。系统的设计包括硬件和软件两个方面。在硬件方面，网关节点以c c 2 4 3 0 芯片和a t 8 9 c 5 5 单片机为双m c u ，并辅以基本的外围电路如以太网接入电路、单片机串口通信电路等共同搭建了网关的硬件平台。c c 2 4 3 0 芯片是1 i i 公司生产的z i g b o es o c 一站式产品，可单独组建z i g b e e 无线网络节点。因此，本系统还利用c c 2 4 3 0 芯片组建了前端的传感器节点和路由节点。在软件设计方面，在t i 提供的z i g b e o 协议栈的基础上进行应用程序的开发，组建了z i g b e e 串状网络；对嵌入式t c p i p 协议进行裁剪和设计，实现网络通信所需的a r p 、i p 、i c m p 以及t c p 协议；对z i g b e e 协议和t c p i p 协议进行融合，移植到网关的双m c u 中。最后基于b o r l a n dc + + b u i l d e r 开发平台编写了上位机的用户界面程序，实现生理数据图形的实时显示。摘要设计完成后，通过与现有的脉搏传感器和心电采集模块相配合，我们对整个系统进行了测试和分析。实验结果表明，该系统可同时对多个用户的多项生理参数进行远程监护，基本达到了预期设计目标，具有一定的实用价值。关键词：网关，远程监护，z i g b e o ，t c p i p ，单片机a b s t r a c tt h er e s e a r c ha n dd e s i g no fr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nm a j o rn a m ez i g b e ea n de t h e r n e t：m e a s u r i n gt e c h n o l o g y & a u t o m a t e de q u i p m e n t：d ul vs u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f y u n q i ac h e na b s t r a c tt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) i sak i n do fb r a n - n e wt e c h n i q u et oa c q u i r ea n dp r o c e s si n f o r m a t i o n i tp l a y sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h ef i e l do fi n d u s t r y , h o m ea u t o m a t i o na n de n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ，e r e i tw i l lb eo fg r e a ts i g n i f i c a n c ea n dv a l u ei fw eg e tw s na n di n t e m e tt o g e t h e r w i t l lt h ea p p l i c a t i o no fh e a l t hc a r ei s s u e s 。t h i sp a p e rp r o p o s e dam e t h o dt oc o n n e c tz i g b w s na n di n t e r a c t ，t h e nr e s e a r c ha n dd e s i g nar e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nz i g b e ea n de t h e m e tt e c h n i q u e r 1 1 舱s y s t e mc a nb ed e v i d e di n t ot h ef o l l o w i n g s ：z i g b e es e n s o rn o d e ，z i g b e er o u t e rn o d e ，g a t e w a yn o d ea n dp c t h eg a t e w a yn o d e ，t h eh i n g eo ft h es y s t e m , i sb u i l tt oc o n n e c tz i g b e ew i r e l e s sn e t w o r ka n di n t e r a c t p a t i e n t sp h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r sw h i c hi sa c q u i r e db yz i g b e es l ”i s o rn o d ec a nb es e n tt ot h er c n n o t ep c ，t h e np a r a m e d i c ss e et h es i g n a l sf r o mp ct i m et ot i m ea n dr e a c tq u i c k l y i nt h i sp a p e r , b o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ed e s i g n e d a sf o rh a r d w a r e ，w eu s ec c 2 4 3 0m i c r o c o n t r o l l e ra n dm c s - - 51a t 8 9 c 5 5s i n g l ec h i pm i c y o c oa sd u a l - m c ut ob u i l dag a t e w a y , 谢也s o m ea u x i l i a r yc i r c u i t ss u c ha se t h e m e tc i r c u i t , s c ms e r i a lc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t i na d d i t i o n , w eu s et i sc c 2 4 3 0w i r e l e s sm i c r o c o n t r o l l e r , az i g b e es o cp r o d u c t ，t ob u i l dz i g b e es e n s o rn o d ea n dr o u t e rn o d eo ft h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m 。a sf o rs o f t w a r e ，w ed e s i g ns o m ea p p l i c a t i o np r o g r a m st of o r m a t eaz i g , b e es e r i a ln e t w o r ko nt h eb a s e o ft iz i g b e ep r o t o c o ls t a c k t h e nw es i m p l i f yt h ee m b e d d e dt c p i pp r o t o c o lo n l yt oi m p l e m e n ta r p ) i p , i c m pa n dt c pp r o t o c o l sw h i c h8 r eu s e df o rn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n a r e r 阳a l y z i n gt h ei m p l e m e n t a t i o no ft c p i pa n dz - s t a c k , w et r a n s p l a n tt h et w op r o t o c o l si nt h ed u a l - m c u i nt h ee n d ,ap r o c e s sp r o g r a m m e di nb o r l a n dc + + b u i l d e ri su s e dt ot e s tt h ef e a s i b i l i t yo ft h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m w h e nt h ep r o j e c ti sc o m p l e t e d , t h ew h o l es y s t e mi st e s t e dw i t ht h ep u l s es e l l s o i 息a n dt h ee c ge l e c t r o d e s r e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a nr e m o t e l ym o n i t o rm u l t i m p l ep h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r sf o rm u l t i m p l eu s e i sa tt h es a l i n et i m e t h ed e s i g nh a sa c h i e v e de x p e c t i o no f p e r f o r m a n c ea n dh a sak i n do fv a l u e k e y w o r d s ：g a t e w a y ，z i g b e e ，c c 2 4 3 0 ，s c m ，r e m o t em o n i t o r i n gi v原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：拉律日期：呷年箩月哆日使用授权声明本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。学位论文作者签名；7 扛彳聿嗍川年箩月哆日导师签名：敝么澎嗍2 矽钳月秒日第1 章绪论第1 章绪论1 1 课题背景与研究意义随着社会的不断发展，人们的工作强度和压力与日俱增，由此引发的心脑血管等疾病的发病率是越来越高，患者需要长期往返于医院之间，消耗了大量时间和金钱。对于一些特殊病患，在日常工作生活时发病，而到医院检查时症状消失无法检测到异常，难以对病情做出诊断，耽误了治疗的最佳时机，更可怕的是有些传染病( 如肺结核、s a r s 等) 会传染给医务人员。同时，伴随着社会老龄化趋势的加剧，解决长期慢性病和退化性疾病的监护已经成为重要的社会问题。此外，我国还是一个人口大国，国力有限，医疗体制还不健全，医院和交通一直处于拥挤状况，如何保障人们得到一个更好的医疗保健，同时又减少病人家属及社会的负担，是摆在工程研究人员及医学工作者面前的课题之一。远程医疗提供了一种解决方案，它通过计算机多媒体技术、通信技术同医疗技术相结合，能将病人的生理参数等信息通过通讯网络实时传送到监护中心，为广大人民群众提供医学信息和医疗服务。远程医疗是一门新兴的边缘技术学科，是信息技术与医学相结合的产物。自上世纪九十年代以来，远程医疗受到了越来越多的重视，成为了当今国际上发展十分迅速的高新技术应用的热门领域，被称为二十一世纪七大最有前景的产业之一，是医学交流中一道亮丽的风景线【l 】o 借助于远程医疗，医护工作者可以在远方( 异地) 实时地监测病人的心电、脉搏、血压等重要的生理信息，从而快速做出反应，来保障病人能得到及时诊断和治疗。这尤其适用于患有心脏病，糖尿病等慢性疾病病人和老年病人。建立在i e e e8 0 2 1 5 4 ( l rw p a n ，低速率无线个人区域网) 上的z i g b e e 网络协议是应用于无线监测与控制的全球性无线通信标准【2 】。它以低成本、低功耗、低复杂度，安全可靠为主要特色，在无线传感器网络领域中异军突起，是无线组网的首选技术之一。如果将其与现有的网络基础设施( 如i n t e r n e t 、g p r s等) 连接起来，对无线传感器网络进行延伸或远程监控，无疑将是一件更有意义的事情。目前已有学者对此作了研究并提出若干解决方案，一种方法是利用l基于z i g , b e e 技术和以太网的远程监护系统设计c a n ，r s 4 8 5 以及r s 2 3 2 等总线组网，但这种组网的半径比较有限，难以满足远程和较大范围内的测控要求。而以i n t e m e t 为代表的网络技术不仅将智能网技术引进人们的生活，且为网络远程监控提供了一种新的方案。当前，i n t e m e t 己经成为社会重要的基础信息设旋，在日常生活中必不可少，若能将z i g b e e 网络内传感器节点的信息接入到i n t e r n e t ，就可以将这些信息传到世界的各个角落，从而实现信息的多元流通和共享，极大地方便了人们的日常生活，同时也大大节约了人力成本【3 】。相对于传统的有线监护系统，研究基于z i g b e e 技术和以太网的远程监护系统的意义也是显而易见g( 1 ) 缩短了医院与患者之间的距离，减少患者或医生的路途奔波，能为患者提供及时救助。此外，还能在患者病情突然恶化时报警。( 2 ) 组网灵活。无线局域网可以组成多种拓扑结构，且没有线缆的限制，可以十分容易地从点对点模式扩展到上千用户的基础架构网络，在需要频繁移动和变化的动态环境中，安装容易。( 3 ) 对处于亚健康状况或自理能力较差的患者进行监护，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，提高患者的生活质量。( 4 ) 对于一些特殊的病情，需要多名专家共同协商出解救方案。远程监护可以将患者的生理信息发送到互连网上，实现了信息的共享。( 5 ) 患者可以在自己熟悉的环境中进行诊断和治疗，心理压力相对减轻，会提高诊断的准确性。( 6 ) 医护人员不必与患者近距离接触，减小了被传染的可能性。本课题将研究的远程监护系统，实现z i g b e e 无线传感器网络与i n t e m e t 互连网的互连互通，使得在现场采集到的被监护者的生理信息能通过网关发送到互连网上，从而在远方( 异地) 对被监护者进行监测。它可作为应对老龄化社会，减少医护人员负担和医疗成本的一个解决方案。1 2 远程监护系统的发展1 2 1 国外相关研究世界上各国远程医疗的发展是不平衡的，美欧等发达国家则相对领先，它2第1 章绪论们对远程医疗的研究起源于上个世纪下半叶。为了保障宇航员的健康和研究的需要，n a s a ( 美国航天局) 从六十年代起开始广泛采用生物遥测技术监测太空飞行中宇航员的重要生理参数。在“阿波罗 登月计划中，所有宇航员都穿带有生物传感器的制服，将检测数据从太空飞船及月球表面送回地面接收站，监测的参数包括：心率、体温变化、呼吸、两道心电图、氧消耗和二氧化碳分压，地面接收站的医生可以根据这些数据评价宇航员在飞船发射、着陆月球、太空船外活动以及月球控险等特殊情况下的生理状态，也能在宇航员生病时提供实时监护嗍。在这之后，航空中的一些技术逐步应用到陆地上。美国军方曾研制了一种作战时使用的个人生理状态监护仪，实际上它只是一个微型仪器，当士兵在执行任务时，其呼吸、体温、心率和其它生理参数就可以反馈到总部的监控中心，还可以起到定位的作用。英国从1 9 9 3 年1 1 月起就开始实施所谓的s a v i o u r计划，其中一个重要部分是对生理参数的远程监护，例如可以将本地的e c g 信号通过综合业务数字n ( i n t e g r a t es e r v i c ed i g i t a ln e t w o r k ，i s d n ) 送到中心医院等。目前，美国乔治亚洲教育医学系统( c s a m s ) 拥有世界上规模最大、覆盖面最广的远程教育和远程医疗网络，可进行有线、无线和卫星通信活动，远程医疗网就是其中的一部分。随着移动通讯技术的发展，3 g 成为未来发展趋势。美国的马萨诸塞州大学( u n i v e r s i wo fm a s s a c h u s e t t s ) 就开发了一种基于3 g 移动通信技术的的远程监护系统，其结构如图1 1 所示。其中，患者端由一台p c 、便携式超声仪、生理参数监护仪和视频摄像头组成。被采集的患者信息经由无线上网( c d m a 技术) 传送到医院，医护人员从医院端软件就可以观察到患者端传送过来的e c g 、图像和视频。结果显示，实际传输率达到了7 0 8 0k b s ，这对于实时视频要求差距甚大，但传输e c g 信号和非实时图像已经足够了。此外，其它国家如日本、希腊、澳大利亚、新加坡等也陆续开展了多种多样的远程医疗活动。希腊研制成一种安装于救护车中的监护系统通过g s m 网与医院的监控中心取得联系，可随时监测患者的生理参数，以便及时获得专家指导，争取抢救时间，这一系统己在希腊、瑞典、意大利、塞浦路斯4 个国家投入使用，临床效果不错。新加坡南洋理工大学研制了一个基于无线局域网的3糟十z i g b e o 技术和咀 h 的远挫护系统世*无线移动式远程医疗系统，该系统能够实时传输医学数据、声暂和图像，同时还能够实现医生和病人互动。日本北海道大学的一个远程医疗研究小组研究r多种移动通信方式的远程监护系统，可用于飞机、轮船、救护车等”】。o 彦，璺皇叠刚1 13 g 无线接八心电监护系统1 2 2 国内研究现状我国幅员广阔，医疗水平随区域的差别而参差不齐，特别是广大农村和边远地区相对落后，因此远程医疗和远程监护在我国更有发展的必要。但由于起步较晚，远程监护技术离发达国家尚有诸多差距，目前进口监护设备在国内医院监护设备中仍占很大比重。国内有不少科研机构从事远程监护技术的研究。第三军医大学承担了“8 6 3 ”家庭数字化医疗监护系统研究项目，研制了一套基于掌上电脑的多生理参数监护网络系统，设计了心电监测、血压监测、活动监测、老年人活动监测等检测模块以及无线发射接收模块，再利用标准的r s 2 3 2 接口与掌上电脑连接，由掌上电脑对测量仪器发出各种测量控制命令并接收检测数据，利用其内置的调制解调器通过电话线与监护中心建立远程通信口i 。香港中文大学的k e v i nh u n g 利用w a p 研究了一种远程监护系统，其功能包括：浏览e c g 波形、计算心率、测量血压、查询患者记录、备医院之间的信息交换等。系统包含手持式w a p 设备、w a p 嗣关和一个数据服务器。g p r s连接理论上可以提供最高1 7 12 k b s 的传输率，并具有永久在线的特点接受和发送数据的准备时间小于一秒。枣号塾攀马第1 章培论，_ r t 蜀_ ：_ 著- 修i。矗_ r 一o 、- i 一= 。：i 一。j 。，一l c k t r二二二鬻蛰一一卜= _i 、】t _ ，图1 - 2 南京军区总医院中央陇护系统拓扑阿此外，国家卫生部对城市的社区医疗建设也给予了极大的关注。自全国卫生工作会议以来北京、上海等重点城市进一步加强了杜区医疗网络的建设。目前北京和上海市正致力于应用宽带网络在家庭社区医院之间建立社区医疗信息系统。北京市安贞医院在中关村、方庄等居民社区建立了社区急救医疗呼叫系统和心脏病社区监护网络。上海市以瑞金医院为中心联合了十余所医院。建立了社区心脑血管病急救监护网络、开辟了血管病院外监护与急救的新领域。1 3 论文的主要研究内容本课题研究和设计的基于z i g b e 技术和以太网的远程监护系统，是通过放置在被监测者身上的传感器节点实时采集被监测者的生理参数( 心电，脉搏等) ，并经z i g b e e 无线传感器网络和因特网( i m e m e t ) 把这些参数传送到上位机端，从而实现远程监护。主要内容如下：基于z i g b o o 技术和以太网的远程监护系统设计( 1 ) 系统方案设计考虑到成本、集成度以及可靠性等方面的因素，根据系统要求和现有条件，提出了一种较为切实可行的方案。( 2 ) 硬件电路设计根据所选方案，对硬件电路进行选型和设计，设计了一个能将z i g b e e 无线网络和i n t e r a c t 连接起来的“双核 网关。通过选取t i 公司的c c 2 4 3 0 芯片和普通的5 l 单片机( a t 8 9 c 5 5 ) 作为双m c u 结构来协同工作。具体的工作主要包括：各功能芯片的选取、各器件接口的设计、p c b 的制板以及系统的硬件调试等。此外，在本系统设计中，积极采用了本实验室以往的研究成果，系统前端使用了现有的心电信号采集模块。( 3 ) 系统软件设计在硬件电路基础上，进行系统前后端的软件设计，该阶段的具体工作有：1 ) 在z i g , b e e 协议栈的基础上编写出应用层程序，利用c c 2 4 3 0 模块构建了一个z i g b o e 串状网络，实现z i g b o o 无线传感器网络中的传感器节点、路由节点以及网关接入z i g b o o 网络的功能。2 ) 在5 1 单片机a t 8 9 c 5 5 上完成相应的程序开发，主要包括r t l 8 0 1 9 a s驱动程序、t c p i p 协议栈的裁剪与移植、嵌入式网关接口的实现和其他应用处理程序。3 ) 设计并编写上位机端监护软件。设计了一个良好的用户界面作为接收端，可以在目的p c 机上实时观察被监测者的生理信号图形。1 4 本文的结构安排论文总共分为七章，各章的内容安排如下：( 1 ) 第1 章为绪论，介绍本课题的研究意义、国内外远程监护系统的发展状况以及论文的主要内容。( 2 ) 第2 章对本课题所使用的核心技术z i g b e e 和嵌入式i n t e m e t 技术进行了阐述，并给出系统整体设计方案。( 3 ) 第3 章介绍系统的硬件设计方案，硬件部分的组成，各部分的功能及联系，主要是对系统的核心网关的设计。6第1 章绪论( 4 ) 第4 章说明在硬件基础上的软件设计方面的工作。主要包括z i g , b e e 协议栈和t c p i p 协议栈的设计及实现过程。( 5 ) 第5 章介绍上位机端用户界面程序设计。( 6 ) 第6 章介绍系统调试过程，对设计出的样品进行相关实验。给出实际的测试结果并验证本远程监护系统设计的可行性。( 7 ) 第7 章对本课题的工作和成果做相关总结并对后续工作进行展望。基于z i g b e e 技术和以太网的远程监护系统设计第2 章系统关键技术及设计方案本课题所设计的基于z i g b e e 技术和以太网的远程监护系统，顾名思义，涉及到z i g b e e 无线传感器网络和嵌入式i n t e r n e t 这两种技术。本章首先介绍了z i g b e e 技术及其协议栈架构，然后讨论了现有的嵌入式i n t e m e t 的实现方法，最后给出了远程监护系统的总体设计方案。2 1z i g b e e 技术阐述与其它无线通讯技术如蓝牙，w i - f i 等相比较，基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准的z i g b e e 技术架构相对简单，而且成本低廉，功耗较低，具有很大的发展潜力，特别适用于构建无所不在的传感器网络。2 1 1z i g b e e 技术简介传统的无线技术如蓝牙，成本高，耗电量大，且占用了较多的计算和通信资源，在一些不需要很高带宽，只要求低延迟低功耗的通信领域往往捉襟见肘。作为一种新兴的无线通信技术，z i g b e e 的“横空出世 ，填补了短距离，低速率，低功耗应用的无线技术标准空缺。z i g b e e 技术的基础是i e e e8 0 2 1 5 4 ，这是i e e e 无线个域网( p a n ，p e r s o n a la r e an e t w o r k ) i 作组的一项标准，被称作i e e e8 0 2 1 5 4 ( z i g b e e ) 技术标准【4 1 ，它是i e e e 无线网络协议族的一个部分( 如图2 1 所示) 。z i g b e e 体系结构基于标准的七层o s i 参考模型，i e e e 只定义了底层的p h y 层和m a c 层协议，其网络层协议和a p i 由z i g b e e 联盟来制定，应用层则由用户根据自身需要进行开发。此外，z i g b e e 联盟还开发了安全层，以保证这种数据无线传输的安全性，不会被轻易窃取。z i g b e e 联盟是一个成立于2 0 0 2 年8 月的国际非盈利组织，到目前为此，除了涵盖象英国i n v e n s y s 、t i 、s a m s u n g 以及荷兰p h i l i p s 等全球著名的大公司外，其它如半导体生产商，消费电子厂商及o e m 商等2 7 0 家来自世界各国的会员也都有加入，我国的华为公司也于2 0 0 6 年加入该组织，成为z i g b e e 技术的“促进者 。第2 章系统关键技术及设计方案图2 - 1i e h e 无线网络协议z i g b e e 技术的命名来源于蜜蜂的交流方式，蜜蜂是通过跳“z i g z a g 力形状的舞蹈来相互传递信息，以便共享食物源的方向、距离和位置等信息。每只蜜蜂就像一个网络节点，在蜂王的支配下完成不同的任务，十分类似于z i g b e e 技术的特点，因此有的学者也将z i g = b e e 译成“紫蜂 技术【刀。z i g b e e 协议能够满足无线传感器网络对网络安全性、结点自动配置、网络动态重组等方面的要求，相对于其它技术，无疑是无线传感器网络最好的选择。正如z i g b c c 联盟的主席b o b h c i l e 博士预言的那样一“传感器网络将成为z i g b e e 的主要应用一，现在许多研发机构和企业都将z i g b e e 标准当作无线传感器网络的国际标准，并在其基础上开发出诸多应用产品。z i g b e e 是一种强调极低耗电、极低成本的短距离无线网络技术，它主要有以下特点【7 - 8 】：( 1 ) 低功耗。能源的节约是z i g b e e 网络与生俱来的优势，在低耗电待机模式下，2 节干电池可支持1 个节点工作6 2 4 个月，甚至更长，期间不用换电池，对于那些行动不便，不方便出门的被监护对象尤其重要，这是z i g b c c 的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周，w i f i 仅可工作数小时。( 2 ) 低成本。与目前市场上一些现有的远程监护设备昂贵的价格相比，z i g b e e 无线传感器网络节点成本很低，更容易走进普通家庭，便于系统的普及与推广。通过大幅简化协议( 不到蓝牙的1 l o ) ，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8 0 5 1 的8 位微控制器测算，全功能的主节点需要3 2 k b 代码，9妄萋勰懒喘3 2 ，日q，柏基于z i g b e e 技术和以太网的远程监护系统设计子功能节点只要4 k b 代码，而且z i g b e e 免协议专利费。随着z i g b e e 芯片量产的扩大，成本有望继续下降。( 3 ) 低速率。采用z i g b e e 技术的产品可以在2 4 g h z 上提供2 5 0 k b p s ( 1 6 个信道) ，在9 1 5 m h z 上提供4 0 k b p s ( 1 0 个信道) 和在8 6 8 m h z 上提供2 0 k b p s ( 1 个信道) 的传输速率。( 4 ) 近距离。传输范围一般介于1 0 1 0 0 m 之间，如果增加发射功率可以增加到1 - 3 k i n ，这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，就可以保证覆盖范围足够大。只要在适当位置配置相应的协调器，完全可以实现以住宅小区为单位，由各社区诊所和健康监护中心将相当规模的市区组成一个更大的网络。此外，z i g b e e 与峰窝网、w l a n 、w i m a x 及固定网等融合将是一个重要的研究方向。( 5 ) 短时延。z i g b e e 的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需1 5 m s ，设备搜索延时为3 0 m s ，节点连接进入网络只需1 5 m s ，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3 1 0 s 、w i - f i 需要3 s 。( 6 ) 高安全。z i g b e e 提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用访问控制列表( a c l ) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准( a e s 1 2 8 ) 的对称密码，以灵活确定其安全属性。( 7 ) 可靠。由于采用了c s m a c a 防碰撞机制，同时对需要固定带宽的通信业务采用预留专用时隙的策略，避免了发送数据时的竞争和冲突。在接入层采用确认的数据传输机制，每个发送的数据包必须等待接收点的确认信息，才可发送下一个数据包。( 8 ) 免执照频率。z i g b e 冶兼容的产品工作在i e e e 8 0 2 1 5 4 的p h y 上，其频率是免费开放的，分别为2 4 g h z ( 全球) 、9 1 5 m h z ( 美国) 和8 6 8 m h z ( 欧洲) 。( 9 ) 携带方便。无线传感器网络节点向来以“微小”著称。目前国内外研究趋势是将w s n 节点与衬衫、头盔、手杖、鞋子、腰带、手表、戒指和其他便携设备相结合，省去了其他有线设备附带一堆连线的束缚，用户可以在家里自由活动，不影响其日常生活。在网络拓扑方面，z i g b e e 以一个个独立的工作节点为依托，通过无线通信可以组成星状网( s t a r ) ，网状网( m e s h ) 和串状( c l u s t e r t r e e ) 结构。下图2 - 2 展示1 0第2 章系统关键拉术厦赴计方寨了这三种拓扑结构。图2 - 2 z i g b e e 支持的阿络拓扑其中，星形网络是一个辐射状网络，它支持点对点、点对多点通信。中心节点为协调器，控制信号和数据都是通过协调器来传输。一个星形网络里面只有一个协调器，其它的都可以配置成终端节点。各个终端节点相互之间并不传输数据或命令，只与协调器联系。星状网相对简单主要适用于组建无线节点较少的网络。串状网络是在星状网的基础上增加了转发节点，相当于现在有限局域网中的路由器。它的目的在于能将信息传送到位置相对较远的节点上，实现远程抟输。但要注意，任何一个节点的中断或故障都可能会影响网络的正常运行。本课厦所研制的远程监护系统，为求简单，就采用了一个简单的串状模式。网状网相对复杂，它提供多条不同的网络路径，有很强的适应能力，有助于大幅扩大网络覆盖范围及工作距离。即使其中一个节点发生故障，也不会对网络的正常运行造成影响，因为附近的无线节点会自动代替该故障节点，继续进行信息的传输和转发，也就是所谓的网络“自修复”。网状网主要应用在那些对稳定性要求很高的场合。正是由于z i g b e e 有着广阔的市场前景，众多厂商纷纷推出了各自的z i g b e o技术解决方案如z i 啦无线射频芯片，无线单片机等。目前市场上z i g b e e技术的提供方式主要以下几种：( 1 ) z i g b e em c u + r f ：例如1 1 公司提供的m s p 4 3 0 + c c 2 4 2 0 ；f r e e s c a l e公司推出的g t 6 0 + m c l 3 x x ；m i c r o c h i p 的p i c m c u + m j 2 4 4 0 。( 2 ) 单芯片集成s o c ：例如t i 的c c 2 4 3 0 c c 2 4 3 1 芯片；f r e e s c a l e 公司的讴菇( = l广一髯篝嚣基于z i g b e e 技术和以太网的远程监护系统设计m c l 3 2 1 x ；e m b e r 公司的e m 2 5 0 。( 3 ) 单芯片内置z i g b e e 协议栈+ 外挂芯片：例如j e n n i c 的s o c + e e p r o m 。从以上技术方案可以看出，第二种方案实现了“一体化 ，只需一个芯片就可以实现z i g b e e 无线网络，是一个好的选择。与此同时，1 i 还免费提供了业界领先的z i g b e e 协议栈( z s t a c k ) 。因此，本课题所设计的远程监护系统采用了这种方案来组网。2 1 2z i g b e e 协议栈简介5 7 8 1z i g b e e 协议栈体系结构如图2 3 所示，主要分为物理层( p h y ) ，媒体接入控制层( m a c ) ，网络层以及应用层。每一层实现一部分通信功能，并向上层提供一组特定的服务。斑嬲瑶绽绷j 菇接u a p l鹈终滋数铡翁终麓d 掰蠓绶攘入滋m a c馋壤愆门l y二二二薹_ l _ e e _ e _ _ _ jll一z i g b e e 联褫图2 - 3z i g b e e 协议栈结构模型其中，物理层和m a c 层处于最底层，采用i e e e8 0 2 1 5 4 协议标准；z i g b e e联盟在此基础上定义网络层和应用层子接口：用户根据自身需要编写出应用层程序以最终完成整个z i g b e e 网络协议。在这些层中，除了应用层外都属于z i g b e e 协议栈，下面简单说明各层协议的具体功能。2 1 2 1z i g b e e 物理层协议规范z i g b e e 物理层结构模型如图2 4 所示，它规范了z i g b e e 的通信频率，传输速率和调制方式等。其中，i e e e8 0 2 1 5 4 定义了两个物理层标准，分别是2 4g h z物理层和8 6 8 9 1 5m h z 物理层。这两个物理层都基于直接序列扩频f o s s s ，d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 技术，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作1 2第2 章系统关键技术及设计方案频率和传输速率等方面的不同。数据服务接入点物理层物理层实体一服务接入点- - - - - - - _ l _ _ _ _ - - - - _ _ _ - _ - _ - 一物理层管理实体无线射频一服务接入点图2 - 4i e e e8 0 2 1 5 4 物理层结构模型2 4g h z 波段为全球统一、无须申请的i s m 频段，有助于推广z i g b e e 设备和降低生产成本。2 4g h z 的物理层能够提供2 5 0 k b s 的传输速率，从而提高了数据吞吐率，缩短了通信时延和数据收发的时间，所以更加省电。8 6 8m h z 是欧洲附加的i s m 频段，9 1 5m h z 是美国附加的i s m 频段，z i g b e e设备在这两个频段上避开了来自2 4 g h z 频段中其他无线通信设备和家用电器的无线电干扰。在8 6 8m h z 上的传输速率为2 0 k b s ，而在9 1 6m h z 上的传输速率则是4 0 k b s 。因为在这两个频段上的无线信号的传播损耗和所受到的无线电干扰均较小，所以可以降低对接收机灵敏度的要求，取得较大的有效通信距离，从而只需要较少的设备就可覆盖整个区域。表2 1 给出了i e e e8 0 2 1 5 4 无线信道的组成。表2 1i e e e8 0 2 1 5 4 无线信道的组成信道编号中心频率信道间隔频率上限频率下限( m h z )( m h z )( m h z )f m h z )k = 08 6 8 38 6 8 68 6 8 0k = 1 , 2 ，3 1 09 0 6 + 2 ( k - 1 )29 2 8 09 0 2 0k = 11 ，1 2 ，2 62 4 0 1 + 5 ( k 一11 )52 4 8 3 52 4 0 0 0从上表可以看出，z i g b e e 的工作频段共划分为2 7 个信道，信道编号从0到2 6 ，穿越上述3 个频段。1 6 个信道在2 4g h z 频段，1 0 个信道在9 1 6m h z频段和1 个信道在8 6 8m h z 频段。此外，从图2 _ 4 可以看出，物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从m a c 层到物理层无线信道的接口。可以看到，在物理层中存在数据服务接入点和物理层管理实体服务的接入点。通过这两个服务接入点提供如下服务：通过基于z i g b e e 技术和以太网的远程监护系统设计物理层数据服务接入点( p d s a p ) 为物理层数据提供服务；通过物理层管理实体( p l m e ) j 艮务的接入点( p l m b s a p ) 为物理层管理提供服纠1 5 1 。2 1 2 2z i g b e em a c 层协议规范i e e e8 0 2 1 5 4m a c 层用于完成对无线物理信道的接入过程管理。在i e e e8 0 2 系列标准中，数据链路层进一步分成逻辑链路控制( l l c ，l c g i c a ll i n kc o n t r oi ) 和m a c 两个子层。l l c 子层在i e e e8 0 2 6 标准中定义，被所有8 0 2 标准所共用，其主要功能是进行数据包的分段与重组，以及确保数据包按顺序传输。而m a c 子层协议依赖于各自的物理层。i e e e8 0 2 1 5 4 的m a c 子层能支持多种l l c 标准。其主要功能是实现包括设备间无线链路的建立、维护和断开，确认模式的帧传送与接收，信道接入与控制，帧校验与快速自动请求重发( a r q ) ，预留时隙管理以及广播信息管理等。m a c 子层定义了4 种帧类型：广播( 信标) 帧、数据帧、确认帧和m a c 命令帧。其中，广播帧和数据帧包含了高层控制命令或者数据，确认帧和m a c命令帧则用于z i g b e e 设备间与m a c 子层功能实体间控制信息的收发。m a c 子层帧用1 6 位c r c 算法计算出来的帧校验序列( f c s ，f r a m ec h e c ks e q u e n c e ) ，用于接收方判断该数据包是否正确，从而决定是否采用a r q 进行差错恢复，从而保证数据的可靠传输。m a c 子层提供了一种基于载波侦听冲突避免( c s m a c a ，c a r r i e rs e n s em u l t i - a c c e s s c o l l i s i o na v o i d a n c e ) 的信道接入方法。c s m a c a 是由i e e e8 0 2 11定义的一种协议。与有线以太网中使用的c s m a c d 机制不同，无线产品的适配器在传输过程中不易检测信道是否存在冲突，它只能尽可能避免冲突的发生。简单来说，就是节点在发送数据之前先监听信道，如果信道空闲时间大于某一帧间隔( i f s ) ，则可以发送数据，否则就要进行随机的退避，等待一段随机时间，然后再进行监听。c s m a c a 属于随机竞争接入方式。因此，i e e e8 0 2 1 5 4 的m a c 层协议是基于随机竞争方式的协议。m a c 子层处理所有物理层无线信道的接入，它在服务协议汇聚层( s s c s )和物理层之间提供了一个接口。图2 5 给出了z i g b m a c 层的结构模型。1 4第2 章系统关键技术及设计方案眦公共部分子屡一服务iim a c 层管理实体一服务接入点( m c p s s a p ) r 习攮入点( m l m e - s a p )层l 箧蛩物褒层数据服务接入蒯l 物理层管理实体一服务口d s a t )ll 接入点( p i m e - s a p )图2 - 5i e e e8 0 2 1 5 4m a c 层参考模型从上图可以看到，在m a c 层两个不同服务的接入点提供了两个不同的m a c 层服务：通过它的公共部分子层服务接入点为m a c 层提供数据服务；通过它的管理实体服务接入点为m a c 层提供管理服务。2 1 2 3z i g b e e 网络层协议规范z i g b e e 协议栈是在i e e e8 0 2 1 5 4 标准基础上建立的，其中的网络层和应用层接口a p i 由z i g b e e 联盟制定。z i g b e e 网络层的主要功能就是提供一些必要的函数，确保z i g b e e 的m a c 层正常工作，并且为应用层提供合适的服务接e l 。图2 - 6 给出了z i g b e e 网络层的结构模型。图2 - 6z i g b e 圯网络层的结构模型从图中可以看出，网络层通过两个不同服务的接入点提供了两个必需的功能服务实体：网络层数据实体通过网络层数据实体服务接入点( n l d e s a p ) 提供数据传输服务，在传送数据时，将按照应用协议数据单元( a p d u ) 的格式进行传送；网络管理层实体通过网络层管理实体服务接入点( n l m e s a p ) 提供网络管理服务，提供的服务包括：配置一个新的设备、初始化一个网络、连接和断开网络、路由发现、邻居设备发现和接收控制。1 5苎王! 塑竺塾查翌坠查苎箜墨堡些芏墨竺塑生2 1 2 4z i 【曲e e 应用层协议规范z l g b e e 应用层接1 3 包括应用支持层( a p