（信号与信息处理专业论文）基于zigbee技术的健康监测系统设计与研究.pdf

摘要 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，如心血管疾病等也需要长期的家庭监护，因此将无 线网络技术应用于家庭监护已成为势不可挡的趋势。这不仅仅是因为无线网络 可以提供更大的灵活性、流动性，省去花在综合布线上的费用和精力，而且它 能够在不影响病人的自由活动的前提下进行实时的监测。 z i g b e e 技术是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的 无线网络技术，它以i e e e 8 0 2 1 5 4 标准为基础，通过数个网络节点相互协调来 实现通信，在楼宇自动化，智能家居，无线监控等领域有着广阔的发展前景。论 文以z i g b e e 技术为平台并从实际应用的角度设计了一种基于z i g b e e 技术的健康 监测系统，文中阐述了健康监测系统的整体设计方案以及各模块的软硬件实现 过程，其主要工作包括以下三个方面： ( 1 ) 完成以8 9 s 5 1 为平台的脉搏数据采集模块的硬件及软件设计，实现脉搏 信号的采集、放大、整形、计数一系列的功能，同时将得到的脉搏数据通过串 口传输给无线通信模块。 ( 2 ) 采用j e n n i e 公司的j n 5 1 2 1 来设计无线通信模块，建立了工作频率为 2 4 g h z 的完全符合z i g b e e 协议的无线传输平台，在j e n n i ec o d e b l o e k s 开发环境 下编写和编译了节点的应用程序，实现了在各个节点之间的传输脉搏数据的功 能。 ( 3 ) 利用j n 5 1 2 1 内置的a d c 和d a c 来完成语音信号的采集和转换，并基 于8 0 2 1 5 4 协议栈来开发相应的通信程序，建立起稳定的语音通信链路。 本文在网络拓扑结构、模块电路的设计、数据传送机制等方面提出了自己 的方案；然后通过实验分析了脉搏信号采集、传输和无线语音通信的可行性及 工作性能，发现了在实际通信中潜在的问题并提出了解决办法；最后设计并搭 建了一个基于z i g b e e 技术的健康监测演示系统。通过试验，系统能够比较好地 完成从脉搏的采集到无线传输再到语音通话整个过程，能够实现对人体脉搏的 实时监测，在需要时还能进行实时的通话，能够将脉搏的数据进行备份以供查 看，实现了远程监测健康状态的目的。 关键词：健康监测，z i g b e e ，脉搏信号采集，8 0 2 1 5 4 标准 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s e da g i n go fs o c i e t y , t h el o n g t e r mc a r eo fc h r o n i cd i s e a s e sh a s b e c o m ea l li m p o r t a n ts o c i a lp r o b l e m s o m es u d d e ni l l n e s sa n dh o m eh e a l t hc a r e ，s u c h a sc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e ，h a v ea l s or e q u i r e dl o n g - t e r mh o m ec a r e ，s ot h ew i r e l e s s n e t w o r kt e c h n o l o g yu s e di nh o m ec a t l eh a sb e c o m ea l lu n s t o p p a b l et r e n d t h i si sn o t o n l yt h ew i r e l e s sn e t w o r kc a np r o v i d eg r e a t e rf l e x i b i l i t y , m o b i l i t y , s a v et h ec o s to f w i r i n ga n de n e r g y , b u ta l s oi tc a np r e m i s eo fr e a l t i m em o n i t o r i n gw i t h o u ta f f e c tt h e f r e e d o mo fp a t i e n t s z i g b e et e c h n o l o g yi san e wc l o s e u p ，l o w - c o m p l e x i t y , l o w - p o w e r , l o wr a t e ， l o w - c o s tw i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g y i tw a sb a s e do ni e e e 8 0 2 1 5 4s t a n d a r d s ， t h r o u g han u m b e ro fn e t w o r kn o d e sc o o r d i n a t et oa c h i e v ec o m m u n i c a t i o n i nb u i l d i n g a u t o m a t i o n ，i n t e l l i g e n th o m e ，w i r e l e s sm o n i t o r i n ga n do t h e ra r e a st h e r ea r eb r o a d p r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n t t h u st h es y s t e ma sap l a t f o r mt oz i g b e et e c h n o l o g ya n d d e s i g n e dah e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e m sb a s e do nz i g b e et e c h n o l o g y p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n sf r o mt h ep e r s p e c t i v eo ft h eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mo nt h eo v e r a l l d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o np r o c e s so ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r em o d u l e s t h em a i n w o r ki n c l u d e st h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s ： ( 1 ) c o m p l e t i o no ft h ep u l s ed a t aa c q u i s i t i o n m o d u l eh a r d w a r ed e s i g na n d s o f t w a r ed e s i g na sap l a t f o r mo f8 9 s 51 ，i m p l e m e n t a t i o no fas e r i e so ff u n c t i o n ss u c h a sp u l s es i g n a la c q u i s i t i o n ，a m p l i f i c a t i o n , s h a p i n g ，c o u n t i n g a tt h es a m et i m e ，t h e p u l s ed a t aw i l lb et r a n s m i t t e dt h r o u g ht h es e r i a lp o r tt ot h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n m o d u l e ( 2 ) d e s i g nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l eu s i n gj e n n i e sj n 5 1 2 1 ，s e tu pa w o r k i n gf r e q u e n c yo f2 4 g h zi n f u l lc o m p l i a n c ew i t ht h e z i g b e ep r o t o c o lf o r w i r e l e s st r a n s m i s s i o np l a t f o r m ，d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta tj e n n i ec o d e b l o c k s p r e p a r e da n dc o m p i l e du n d e rt h en o d ea p p l i c a t i o n s ，t h ei m p l e m e n t a t i o na tv a r i o u s p u l s et r a n s m i s s i o nb e t w e e nt h en o d ed a t a ( 3 ) c o m p l e t et h es p e e c hs i g n a la c q u i s i t i o na n dc o n v e r s i o nb yu s i n gt h ej n 5 1 2 1 s 武汉理工大学硕士学位论文 b u i l t - i na d ca n dd a c ，a n dd e v e l o pt h ec o m m u n i c a t i o np r o c e s sb a s e do nt h e 8 0 2 1 5 4p r o t o c o ls t a c ka n de s t a b l i s has t a b l ev o i c ec o m m u n i c a t i o n sl i n k s i nt h i s p a p e r , t h en e t w o r kt o p o l o g y , t h ed e s i g no ft h e c i r c u i tm o d u l e ，d a t a t r a n s f e rm e c h a n i s mp r o p o s e di t so w np r o g r a m ；a n dt h e nt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a l a n a l y s i so ft h ep u l s es i g n a la c q u i s i t i o n ，t r a n s m i s s i o na n dt h ef e a s i b i l i t yo fw i r e l e s s v o i c ec o m m u n i c a t i o n sa n dw o r kp e r f o r m a n c e ，f o u n di nt h ea c t u a lc o m m u n i c a t i o no f p o t e n t i a lp r o b l e m sa n dp r o p o s e ds o l u t i o n s ；f i n a ld e s i g na n ds e tu paz i g b e e - b a s e d h e a l t hm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yd e m o n s t r a t i o ns y s t e m s ，b yt e s t i n g ，t h es y s t e mc a nb e b e t t e rc o l l e c t e df r o mt h ep u l s eo ft h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o no fv o i c ec a l l sa n dt h e nt h i s w h o l ep r o c e s sc a nb ea c h i e v e do nt h ep u l s eo ft h er e a l - t i m em o n i t o r i n go ft h eh u m a n b o d y , a l s oh a sr e a l t i m ec a l lw h e ni tn e c e s s a r y , t h ep u l s ed a t at ob a c ku pf o rv i e w i n g a tt h es a m et i m e ，a c h i e v ea l o n g - r a n g ep u r p o s eo fm o n i t o r i n gh e a l t hs t a t u s k e yw o r d s ：h e a l t hm o n i t o r i n g ，z i g b e e ，t h ep u l s es i g n a la c q u i s i t i o n ，8 0 2 1 5 4 s t a n d a r d i l l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 期： 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：多殄导师( 答名) ： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究来源与背景 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，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。z i g b e e 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。 一个健康成年人的心率会稳定在5 0 - - 1 0 0 次分。当每分钟的脉搏数( 即心率) 低于5 0 次分时称为心动过缓，高于1 6 0 次称为心动过速，心动过缓和过速都可能 会直接带来生命危险。所以对于慢性病人来说，如果能够实时监测其心率，在 出现异常时迅速送至医院进行抢救，无疑是帮助他们挽回生命的最佳方法。然 而病发并没有确定的规律，而是跟病人的情绪、身体和客观环境都有着很大的 关系，是难以预测的，而且一旦病发，病人无法自行处理，如果病人只身一人在家， 那么将无人知晓他的危急状况，病人很可能因为得不到治疗而死亡。所以对病 人的心率的实时监视室非常必要的，这能够为抢救病人的生命获得宝贵的时间。 z i g b e e 的节点不但有几十米的覆盖范围，而且可以增加路由节点，极大的扩 展了覆盖范围，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2 5 0 k b p s 的z i g b e e 协议完全能够满足生理数据传输要求。z i g b e e 节点还可自由地加入和离开网络，其自组织网络的特点大大增强了节点的可靠 性和灵活性，而且它还有具有低功耗和低成本的特点，降低了日常维护的成本。 正是在以上的背景之下，本文提出了以脉搏传感器为信号采集模块同时以 支持z i g b e e 协议的j n 5 1 2 1 芯片作为无线传输模块的健康监测系统。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 研究现状及发展趋势 通过心电图记录患者在正常生活、工作及活动时的心电变化并且加以分析， 可以捕捉到潜在的初始心脏疾病的心电信息，从而对患者起到预警及监护作用。 早在2 0 世纪三四十年代，美国理学博士n o r m a nj h o l t e r 就从事于生物信号遥测 技术的研究，并于1 9 4 9 年研制成功遥测心电图装置，在本世纪6 0 年代成功地 研制出集收发于一体的心电监护系统( h o l t e r 系统) 。这项技术的发展成为检测 心律失常、心肌缺血的重要而有效的诊断方法，也为一些心脏病的早期诊断和 治疗起到积极的推动作用，同时也是家庭心电监护系统得以发展的重要基础。 家庭心电监护系统源于h o l t e r ，也是动态心电监护的一种，两者具有同样的 目的，都是通过取得患者的心电波形并对其进行观察以便发现病情。家庭心电 监护的早期对象是做过心脏手术，特别是心脏移植手术的患者，研究中采用电 子仪器记录、存储患者在家中每天的心电图及其他重要的生理参数，并周期地 将数据送往诊所进行会诊。早期的家庭监护要在监护结束后再进行心电资料的 分析，不具有实时性，对于突发情况难以处理。但随着微电子技术的发展，对 于信号的识别、采集、放大滤波、数据传输率等信号处理技术的不断提高，使 得家庭心电监护系统的功能不断增强，可以实时显示心电波形：但不能或者仅 能存储极少量( 几分钟) 的心电数据，由于其存储量太小，一些有价值的心电 数据不可避免地被丢失，这无疑降低了诊断的准确率。随着现代通信技术、计 算机技术的高速发展及其在医疗领域的应用，目前家庭心电监护系统也发生了 革命性的变化，向着采用数字信号进行无线传输、应用p c 机进行心电数据存储、 处理及实时显示多路e c g 波形等方面发展。 医疗使用的健康监测系统功能都很强大，一般都是放置在病房内的成套仪 器，它能够全面的监测病人的各种生理特征同时通过数据线来传输之间的数据。 但是这种仪器不仅非常昂贵，而且移动起来也非常的不方便，对于一些慢性病 人来说，并不需要躺在床上用这些昂贵而且不方便的仪器来监测自己的一些健 康指标，他们需要的是一种简单方便而又可靠的系统来解决这个问题。所以说 便携式的无线监测系统将是未来健康监测系统的发展趋势。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 论文的研究内容和主要结构 本文主要从系统的网络拓扑结构、模块电路的设计、数据传送机制等方面给 出了详细的介绍并提出了自己的设计方案。然后通过实验分析了脉搏信号采集、 传输和无线语音通信的可行性及工作性能，发现了在实际通信中潜在的问题并 提出了解决办法，并最终搭建了一个基于z i g b e e 技术的健康监测演示系统。 本论文的章节安排如下： 第1 章简单介绍了论文的研究背景，对健康监测系统的发展概况进行简单 阐述，并叙述了z i g b e e 技术的应用，引出了本文的研究重点基于z i g b e e 技 术的健康监测系统。 第2 章详细介绍了健康监测系统的总体结构，i e e e8 0 2 1 5 4 标准和z i g b e e 协议，分析了z i g b e e 的优势和系统的网络拓扑和节点的构成，提出了总体的设 计思路。 第3 章给出了系统硬件平台的具体设计，包括脉搏信号采集、调理模块， 语音处理模块外围电路和网络节点的详细电路与注意要点。 第4 章给出了系统各部分软件设计方面的要点与主要程序，并结合试验后 出现的问题提出了改进的方法。 第5 章是对全文的总结并对以后的工作进行展望。 1 4 本章小结 本章介绍了基于z i g b e e 技术的健康监测系统的由来以及现在的发展趋势。由 于将健康监测设备小型化和便携化是以后发展的方向，在小区，家庭等民用的 应用场合，健康监测设备功能并不需要特别的强大，在监测基本的健康信息的 基础上方便，稳定而高效才是最根本的要求，如果同时还能将语音通信与之结合 起来，在传输数据的同时能够根据用户的需要来进行实时的通话，这将会极大 的完善系统的实用性，还为以后的投入实际的使用进行有益的试验。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章健康监测系统的结构设计 2 1z i g b e e 技术简介 2 1 1i e e e8 0 2 1 5 4 标准 i e e e 8 0 2 1 5 4 是z i g b e e 协议的底层标准，主要规范了物理层和m a c 层的协 议，其标准由国际电工学协会i e e e 组织制定并推广。i e e e8 0 2 1 5 4 满足国际 标准组织( i s o ) 开放系统互连( o s i ) 参考模式。它包括物理层、介质访问层、网络 层和高层。 ( 1 ) 物理层 i e e e8 0 2 1 5 4 提供两种物理层的选择( 8 6 8 9 1 5m h z 和2 4 g h z ) ，物理层与 m a c 层的协作扩大了网络应用的范畴。这两种物理层都采用直接序列扩频 ( d s s s ) 技术，降低数字集成电路的成本，并且都使用相同的包结构，以便低作 业周期、低功耗地运作。2 4 g 物理层的数据传输率为2 5 0 k b s ，8 6 8 9 1 5 m h z 物理 层的数据传输率分别是2 0k b p s 、4 0k b p s 。 2 4 g i - i z 物理层的较高速率主要归因于一个较好的调制方案：基于d s s s 方 法( 1 6 个状态) 的准正交调制技术。来自p p d u 的二进制数据被依次( 按字节从低 到高) 组成4 位二进制数据符号，每种数据符号( 对应1 6 状态组中的一组) 被映射 成3 2 位伪噪音c h i p ，以便传输。然后这个连续的伪噪音c h i p 序列被调制( 采 用最小移位键控方式m s k ) 到载波上，即采用半正弦脉冲波形的偏移四相移相键 控0调制方式。物理层使用简单方法，每个 数据传o 输p s 位k 被) 最大长为1 8 5 6 8 的9 1 5 m h z 序序列)所扩展d。ss即s被多组+1，p构pd成uchip 歹l j ( m 1 m 序列编码，然后使用二进制相移键控技术调制这个扩展的位元序列。不同的 数据传输率适用于不同的场合。举例如下，8 6 8 9 1 5 m h z 物理层的低速率换取了 较好的灵敏度( 8 5 d b m 2 4 g , 9 2 d b m 8 6 8 ，9 1 5 m h z ) 和较大的覆盖面积，从而减少了 覆盖给定物理区域所需的节点数。2 4 g 物理层的较高速率适用于较高的数据吞 吐量、低延时或低作业周期的场合。如图2 1 所示。 ( 2 ) 介质访问层 4 武汉理工大学硕士学位论文 i e e e8 0 2 1 5 4m a c 层的特征是：联合，分离，确认帧传递，通道访问机制，帧 确认，保证时隙管理，和信令管理。m a c 子层提供两个服务与高层联系，即通 过两个服务访问点( s a p ) 访问高层。通过m a c 通用部分子层s a p ( m c p s s a p ) 访问m a c 数据服务，用m a c 层管理实体s a p ( m l m e s a p ) 访问m a c 管理服 务。这两个服务为网络层和物理层提供了一个接口。灵活的m a c 帧结构适应了 不同的应用及网络拓扑的需要，同时也保证了协议的简洁。m a c 帧的通用格式 如图2 2 所示。 匝亟堕雪匦囹 图2 - 1i e e e8 0 2 1 5 4 的结构 210 - - 2 0 变量 2 图2 - 2m a c 帧的通用格式 帧控制说明了如何看待帧的其余部分及它们包含什么。序列号是传输数据 帧及确认帧的序号。仅当确认帧的序列号与上次数据传输帧的序列号一致时， 才能判定数据传输业务成功。帧校验序列是1 6 位循环冗余校验。净荷( p a y l o a d ) 是m a c 帧要承载的上层数据。它的字段长度可变。m a c 数据帧被送至物理层， 作为物理层帧数据( p p d u ) 的一部分。 ( 3 ) 网络层 网络层包括逻辑链路控制子层。8 0 2 2 标准定义了l l c ，并且通用于诸如 8 0 2 3 ，8 0 2 1 1 及8 0 2 1 5 1 等8 0 2 系列标准中，而m a c 子层与硬件联系较为紧密， 并随不同的物理层实现而变化。网络层负责拓扑结构的建立和维护、命名和绑 定服务，它们协同完成寻址、路由及安全这些必须的任务。这个标准的网络层 被期望能自己组织和维护。 5 武汉理工大学硕士学位论文 i e e e8 0 2 4 标准支持多种网络拓扑结构，包括星型和点点拓扑结构。应用 的设计选择决定了拓扑结构；一些应用，诸如p c 外设，适合低延时的星型连接， 而对于别的，诸如涉及安全要求领域，适合大面积的点点拓扑结构。 2 1 2z i g b e e 协议 z i g b e e 是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，它是一种介 于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它此前被称作“h o m e r fl i t e ”或 “f i r e f l y ”无线技术，主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千 个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很低的功耗，以接 力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此它们的通 信效率非常高。它们可以组成的一个无线数传模块网络平台，十分类似现有的 移动通信的c d m a 网或g s m 网，每一个z i g b e e 网络数传模块类似移动网络的 一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间 的距离可以从标准的7 5 米，到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个z i g b e e 网络还可以与现有的其它的各种网络连接。不同的是，z i g b e e 网络主要是为自 动化控制数据传输而建立，而移动通信网主要是为语音通信而建立；每个移动 基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个z i g b e e ”基站”却不到1 0 0 0 元人民 币；每个z i g b e e 网络节点不仅本身可以与监控对对象，例如传感器连接直接进 行数据采集和监控，它还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料；除此 之外，每一个z i g b e e 网络节点( f f d ) 还可在自己信号覆盖的范围内，和多个 不承担网络信息中转任务的孤立的子节点( r m ) 无线连接。它主要的应用领域 是工业，家庭自动化，遥测遥控，汽车自动化、农业自动化和医疗护理等。 z i g b e e 是基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准，其目的是为了适用于低功耗，无线连接的 监测和控制系统。这一协议标准由z i g b e e 联盟维护。协议结构如图2 3 所示。z i g b e e 标准定义了一种网络协议，这种协议能够确保无线设备在低成本、低功耗和低 数据速率网络中的互操作性。z i g b e e 协议栈构建在i e e e8 0 2 1 5 4 标准基础之上， 8 0 2 1 5 4 标准定义了m a c 和p h y 层的协议标准。 m a c 和p h y 层定义了射频以及相邻的网络设备之间的通讯标准。而z i g b e e 协议栈则定义了网络层，应用层和安全服务层的标准。上面的示意图表示了 z i g b e e 协议的层次架构。越向下越贴近硬件越向上越贴近软件本身和应用。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 1z i g b e e 协议基本概念 首先是p r o f i l e ，每一个z i g b e c 的网络设备都应该使用一个p r o f i l e ，p r o f i l e 定义 了设备的应用场景，比如是家庭自动化( h c ) 或者是无限传感器网络( w s n ) ，另外 定义了设备的类型还有设备之间的信息交换规范。p r o f i l e 分为两种，一种是公共 的p r o f i l e ，这种p r o f i l e 通常由某个组织发布，用于实现不同厂商生产的z i g b e e 设 备之间可以互相的通讯使用。私有的p r o f i l e 通常只是在公司内部或者项目的内部 的一个默认的标准。 a p po b j 连接一个e n dp o i n t ，e n dp o i n t 类似于端口号的概念，它是一个数据 交换的接口，在程序开发中它表现为一个整形的数值，设备之间的通讯实际上 表现为e n dp o i n t 和e n dp o i n t 之间的数据交换。数据在通过协议栈请求发送的时候 都需要指定发往哪个e n dp o i n t 。 c l u s t e r ，通常翻译成“簇”。它定义了e n dp o i n t 和e n dp o i n t 之间的数据交换格 式。c l u s t e r 包含一系列有着逻辑含义的属性。通常p r o f i l e 都会定义自己的一系列 c l u s t e r 。每一个e n dp o i n t 上都会定义自己发送和接收的c l u s t e r 。另外需要说明的 是两个特殊的e n dp o i n t 定义。e n d p o i n to 用于配置和管理整个z i g b e e 设备，通过 这个e n dp o i n t ，应用可以和z i g b e e 协议栈的其他层进行通讯，进行相关的初始化 和配置工作。和这个e n dp o i n t 接口的是z i g b e ed e v i c eo b j e a ( z d o ) 。另外一 个特殊的e n dp o i n t 是2 5 5 ，这个e n dp o i n t 用来向所有的e n dp o i n t 进行广播。 2 4 1 2 5 4 是保留的e n dp o i n t ，在自己的应用中不能使用。 a p p l i c a t i o ns u p p o r ts u b l a y e r 提供了数据安全和绑定的功能，绑定( b i n d i n g ) 就是将不同的但是兼容的设备进行匹配的一种能力，比如开关和灯。n e t w o r k l a y e r 完成了大部分的网络功能，包括设备之间的通讯，设备的初始化，数据的 路由等等。 图中还提到了s a p 的概念，s a p 就是s e r v i c ea c c e s sp 0 i n t ，如果要翻译成中 文习惯叫作服务访问接口，也就是数据或者管理的接口。不同层之间通过这些 接口进行数据的交换和管理。这又是一个纯概念上的含义，没有具体的表现形 式和固定的实现形式。每两个层之间都有自己的s a p 的实现方法。 7 武汉理1 = 犬学硕士学位论文 a p p l i c a u o nf r a m e w 0 出 习习e 习 z i g b e e 协议的结构 网络层( n e t w o r kl a y e r ) 正如前面所说的网络层完成了z i g b e e n 络的大部分 功能，包括网络的建立，拓扑，数据的通讯，路由等等。应用程序就是构建在 这个层次之上的。z i g b e e 协议栈的主要工作内容就是实现网络层的各种功能，并 保证其标准性和兼容性。 2 1 22z i 曲e e 网络节点 z i g b e c 标准规定可以在一个单一的网络中容纳6 5 5 3 5 个节点，z i 叠b e c n 络节 点分为以下三种类型： ( 1 ) c o o r d i n a t o r 不论z i g b e e n _ o h 采用何种拓扑方式，网络中都需要有一个并且只能有一个 c o o r d i n a t o r 节点。在网络层上，c o o r d i n a t o r 通常只在系统初始化的时候起到重要 的作用。在一些应用中网络初始化完成后，即便是关闭) c o o r d i n a t o r 节点，网络 仍然可以正常的工作。但是如果c o o r d i n a t o r 还负责提供路由路径，比如说在星形 网络的拓扑结构中( 下面将很快提到这种拓扑结构) ，c o o r d i n a t o r 就不能被关闭， 武汉理工大学硕士学位论文 而必须持续的处于工作状态。同样如果c o o r d i a n t o r 在应用层提供一些服务，比如 c o o r d i n a t o rb i n d i n g ，c o o r d i n a t o r , s , 须持续的处于工作状态。c 0 0 r d i n a t o r 在网络 层的任务是选择网络所使用的频率通道，通常应该是最安静的频率通道。初始 化整个网络，完成初始化后将其他节点加入网络。 ( 2 ) r o u t e r 如果z i 曲e e 网络采用了树形和星形拓扑结构就需要用到r 0 u t e 这种类型的 节点。r o u t e r 类型节点的主要功能就是在节点之间转发信息，同时容许子节点通 过他加入网络。 ( 3 ) e n dd e v i c e e n d d e v i c e 节点的主要任务就是发送和接收信息。通常一个e n d d e v i c e 节点 是电池供电的，并且当它不在数据收发状态的时候它通常都是处于休眠状态以 节省电能。需要说明的是e n d d e v i c e 节点不能够转发信息也不能够让其他人加入 网络。 2 1 2 3z i g b e e 的网络拓扑形式 ( 1 ) 星形拓扑 这种拓扑形式是最简单的一种拓扑形式。星形拓扑包含一个c o o r d i n a t o r 节点 和一系列的e n dd e v i c e 节点。每一个e n dd e v i c e 节点只能和c o o r d i n a t o r 节点进行 通讯。如果需要在两个e n dd e v i c e 节点之间进行通讯必须通过c o o r d i n a t o r 节点进 行信息的转发。星形拓扑结构的示意图如图2 4 。 f n d i j e e m 一 ? re n d o ，e x k e 、 ， 、 一 厂? i 。 ? 一? d “e v k 。 ，二爿cu 一 ，i0 0 r h a m 。h l t d e n d d n ie e 。 图2 4 星形拓扑结构示意图 武汉理工大学硕士学位论文 这种拓扑形式的缺点是节点之间的数据路由只有唯一的一个路径。 c o o r d i n a t o r 有可能成为整个网络的瓶颈。实现星形网络拓扑不需要使用z i 曲e e 的 网络层协议，因为本身i e e e8 0 2 1 5 4 的协议层就已经实现了星形拓扑形式，但是 这需要在应用层作更多的工作，包括自己处理信息的转发。 ( 2 ) 树形拓扑 树形拓扑包括一个c o o r d i n a t o r 以及一系列的r o u t e r 和e n dd e v i c e 节点。由连 接一系列的r o u t e r 承i e n dd e v i c e 的c o o r d i n a t o r 构成，子节点的r o u t e r 也可以连接一 系列的r o u t e r , 和e n dd e v i c e 。这样可以重复多个层级。树形拓扑的结构如图2 - 5 所示。 需要注意的是c o o r d i n a t o r 和r o u t e r 节点可以包含自己的子节点，e n dd e v i c e 不能有自己的子节点。有同一个父节点的节点之间称为兄弟节点，有同一个祖 父节点的节点之间称为堂兄弟节点。树形拓扑中的通讯规则，每一个节点都只 能和他的父节点和子节点之间通讯。如果需要从一个节点向另一个节点发送数 据。那么信息将沿着树的路径向上传递到最近的祖先节点然后再向下传递到目 标节点。这种拓扑方式的缺点就是信息只有唯一的路由通道。一旦主干上的某 一个r o u t e r 发生故障，连接在此r o u t e r 上的所有节点都将失去作用。另外信息的 路由是由协议找层处理的，整个的路由过程对于应用层是完全透明的。 詹 a 。一是。 喏 婶eo 圈2 5 树形拓扑的示意图 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) m e s h 拓扑( 网状拓扑) m e s h 拓扑包含一个c o o r d i n a t o r 和一系列的r o u t e r 和e n dd e v i c e 。这种网络拓 扑形式和树形拓扑相同；请参考上面所提到的树形网络拓扑。但是，网状网络 拓扑具有更加灵活的信息路由规则，在可能的情况下，路由节点之间可以直接 的通讯。这种路由机制使得信息的通讯变得更有效率，而且意味这一旦一个路 由路径出现了问题，信息可以自动的沿着其他的路由路径进行传输。网状拓扑 的示意图如图2 - 6 所示。 通常在支持网状网络的实现上，网络层会提供相应的路由探索功能，这一 特性使得网络层可以找到信息传输的最优化的路径。需要注意的是，以上所提 到的特性都是由网络层来实现，应用层不需要进行任何的参与。 一 图2 6m e s h 拓扑( 网状拓扑) 的示意图 m 6 。y m o 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 4z i g b e e 中的地址模式 ( 1 ) i e e em a c 地址 这是一种6 4 位的地址，这个地址由i e e e 组织进行分配，用于唯一的标识设 备，全球没有任何两个设备具有相同的m a c 地址。在z i g b e e n 络中，有时也叫 m a c 地址为扩展地址。 ( 2 ) 1 6 位短地址 1 6 位短地址用于在本地网络中标识设备，所以如果是处于不同的网络中有 可能具有相同的短地址。当一个节点加入网络的时候将由它的父节点给它分配 短地址。 2 2z i g b e e 技术的优势 ( 1 ) 数据传输速率低：只有1 0 k 字节秒到2 5 0 k 字节秒，专注于低传输应用； ( 2 ) 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z i g b e e 的支持者所一直引以为豪的 独特优势； ( 3 ) 成本低：因为z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。 且z i g b e e 协议免收专利费； ( 4 ) 时延短：通常时延都在1 5 毫秒至3 0 毫秒之间； ( 5 ) 安全：z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用a e s 1 2 8 ， 同时可以灵活确定其安全属性； ( 劬网络容量大：每个z i g b e e 网络最多可支持2 5 5 个设备，也就是说，每个 z i g b e e 设备可以与另夕b 2 5 4 台设备相连接； ( 7 ) 优良的网络拓扑能力：z i g b e e 具有星、树和网状网络结构的能力。z i g b e e 设备实际上具有无线网路自愈能力，能简单地覆盖广阔围； ( 8 ) 有效范围小：有效覆盖范围1 0 - - 7 5 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； ( 9 ) 工作频段灵活：使用的频段分别为2 4 g h z ( 全球) 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及 9 1 5 m h z ( 美国) ，均为免执照频段。 武汉理1 大学硕士学位论文 2 3 无线健康监测系统的总体架构 由于本系统主要是面向家庭，病房等小范围的室内应用，要充分的考虑到 便于携带和数据传输的连续性问题，所以室内的节点如何布置将是要着重考虑 的部分。要使监测节点能够在室内的任何一个地方都能及时准确的将使用者的 心跳数据上传至计算机数据处理终端，必须做到数据传输没有盲点，为了提高 整个系统的安全性，还必须设置一定数量的备用节点( r o u t e r ) ，在主汇聚节点 发生故障时能够顺利的将数据转发出去。室内的节点分布图如图2 7 所示。 由图2 7 可以看到在每个房间都布置了一个到两个r o u t e r ( 半圆形的点) ，而 固定在人体上的监测节点则作为e n dd e v i c e ，保证不论在那个房间都能将监测的 数据及时的发送出去。同时为了防止某些r o u t e r 发生故障时一样能够准确的发送 数据，还设置的一系列的各用r o u t e r ( 方形的点) ，来是系统的运行更加的稳定。 其中所有节点将会组成一个网状网络，监测节点即e n dd e v i c e 是固定在人体上 的，它的功能是脉搏信号采集后再加以处理并发送到汇聚节点r o u t e r 上，汇聚节 点r o u t e r 在接收到发过来的数据后，再转发给数据处理终端，数据处理终端再对 采集到的数据进行分析和备份。 爿 i 】 i | 一生型睦一 图2 7 室内的节点分布图 武汉理工大学硕士学位论文 脉搏信号采集使用的是压电薄膜脉搏传感器，它可以将压力信号转化为电 信号输出，再由传感器内部的放大电路放大后转换为电压信号输出，完成的电 荷电压的传唤的过程。脉搏传感器采集到的电压信号经过放大和整形为方波输 出。无线数据和语音通信部分采用的是j e n n i e 公司的j n 5 1 2 1 ，它是一款兼容i e e e 8 0 2 1 5 4 的2 4 g 低功耗s o c 芯片，它将m c u 和r f 部分都集成到单片芯片上，在 数据处理能力要求不是很高的场合能够显著的减小通讯节点的体积和功