（微电子学与固体电子学专业论文）基于zigbee的楼宇内群体体温监控系统的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 体温是诊断许多疾病的重要依据，安全、便捷、准确地测得体温，有利于疾病诊 断和治疗工作的及时展开。特别是近年来众多全球性流行性疾病的肆虐，为监控病情 的发展，需要大规模、及时地监测群体体温。而传统的独立个体体温测量然后逐级上 报的方法难以实现大规模、准确和快速响应，不适合大规模流行性疾病的监控。针对 此，设计和实现了基于z i g b e e 的楼宇内群体体温监控系统，能够实现大规模、准确和 快速的群体体温监控。 系统以楼宇内的人群为监测对象，在监控楼宇内布置z i g b e e 无线体温监控网络， 实现楼宇内人员体温测量、体温相关数据汇聚，并且具有基于单工红外串行通信的房 间级区域定位功能。体温监控网络通过一个嵌入式串口以太网网关接入计算机网络， 实现与远程服务器通信，远程服务器提供体温监控网络数据的保存和基于w e b 的数据 可视化呈现功能。 论文设计和实现了z i g b e e 无线体温监控网络节点的软硬件和网关的软件。首先介 绍了z i g b e e 无线通信技术的特点和协议栈结构，分析了z i g b e e 网络的设备类型、设 备角色和网络拓扑。然后分析了体温监控网络系统的功能需求，设计了z i g b e e 无线网 络结合嵌入式串e l 以太网网关的系统架构，并将系统划分为多个功能模块实现，包括 基于热敏电阻的双差分a d c 体温测量电路、基于单工红外串行通信的房间级区域定位 电路、串行接口的段式l c d 显示电路。接着分析了网关在系统中的作用，提出了网关 基于s o c k e t 中间件的设计方案，详细讨论了串口基于帧格式的可靠通信的实现方法， 并在开源操作系统r t - t h r e a d 和$ 3 c 2 4 4 0 开发板的软硬件平台上实现。最后介绍了 z - s t a c k 的结构、运行流程和在系统中的配置，讨论了z s t a c k 的应用开发方法和应用 开发的分层结构：分析了协调器串口通信软件的工作流程，详细阐述了串口应用层帧 格式和各帧的功能；设计和实现了无线体温监控网络的节点的应用软件。 关键词：无线传感器网络；z i g b e e ；z s t a c k ；体温监控；串口以太网网关；r t - t h r e a d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h eb o d yt e m p e r a t u r ei si m p o r t a n te v i d e n c ef o rd i a g n o s i so fm a n yd i s e a s e s h o wt o s a f e l y , e a s i l ya n da c c u r a t e l ym e a s u r eb o d yt e m p e r a t u r e i sc o n d u c i v et o d i a g n o s i sa n d t r e a t m e n to fd i s e a s e s i nr e c e n ty e a r s ，w i t hp a n d e m i co u t b r e a ko fe p i d e m i cd i s e a s e s ， l a r g e s c a l e ，t i m e l ya c q u i r i n g t h eg r o u pb o d yt e m p e r a t u r ei s r e q u i r e dt o m o n i t o rt h e d e v e l o p m e n to ft h ed i s e a s e b u t ，i ti sv e r yd i f f i c u l tt oa c h i e v el a r g e - s c a l e ，a c c u r a t ea n dr a p i d r e s p o n s eb yt r a d i t i o n a lm o n i t o r i n gm e t h o d ，w h i c hi sn o ts u i t a b l ef o rl a r g e - s c a l es u r v e i l l a n c e o fe p i d e m i cd i s e a s e s i no r d e rt or e s o l v et h i sp r o b l e m , aw k e l e s sg r o u pt e m p e r a t u r e m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nz i g b e ei sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h eo b j e c t st h a ta r em o n i t o r e db ys y s t e ma r ep e o p l ei nt h eb u i l d i n g z i g b e ew i r e l e s s t e m p e r a t u r em o n i t o r i n gn e t w o r kw a si n s t a l l e di nt h eb u i l d i n gt om o n i t o rt h ep e o p l e sb o d y t e m p e r a t u r e ，a n di t i sa b l et oa c h i e v er o o m - l e v e la r e al o c a t i o nb a s e do ns i m p l e x b a s e d i n f r a r e ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n t h ew i r e l e s sm o n i t o r i n gn e t w o r ku s i n ga ne m b e d d e d s e r i a l e t h e r n e tg a t e w a ya c c e s st oc o m p u t e rn e t w o r k sf o rc o m m u n i c a t i n gw i t har e m o t e s e r v e r t h er e m o t es e r v e r p r o v i d e s s e r v i c e so fd a t a s t o r a g e a n dw e b - b a s e dv i s u a l p r e s e n t a t i o n t h i sa r t i c l ep r e s e n t sad e s i g no fz i g b e ew i r e l e s st e m p e r a t u r em o n i t o r i n gn e t w o r kn o d e s s o f t w a r e h a r d w a r ea n dg a t e w a ys o f t w a r e f i r s t l y , c h a r a c t e r i s t i c sa n dp r o t o c o ls t a c ks t r u c t u r e o fz i g b e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e d ，a n dt h ez i g b e en e t w o r k d e v i c et y p e s ，d e v i c e sr o l e sa n dt h en e t w o r kt o p o l o g ya r ea n a l y z e d s e c o n d l y , t h es y s t e m r e q u i r e m e n t sa r ea n a l y z e d ，a n dt h es y s t e ma r c h i t e c t u r e o fz i g b e ew i r e l e s sn e t w o r k c o m b i n e dw i t he m b e d d e ds e r i a l e t h e r n e tg a t e w a yi sp r o p o s e d s y s t e mi sd i v i d e di n t o m u l t i p l em o d u l e s ，i n c l u d i n gt h ed o u b l e d i f f e r e n t i a la d ct e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tc i r c u i t b a s e do nt h e r m i s t o r , t h er o o m - l e v e la r e al o c a t i o nc i r c u kb a s e do ns i m p l e x b a s e di n f i a r e d s e r i a lc o m m u n i c a t i o na n dt h ed i s p l a yc i r c u i to fs e g m e n tl c d f o l l o w e db y , t h ek e yr o l eo f g a t e w a y si nt h es y s t e mi sa n a l y z e d ，a n dad e s i g no fg a t e w a yb a s e do ns o c k e tr n i d d l e w a r ei s p r o p o s e d at e c h n i q u eo fa c h i e v er e l i a b l ys e r i a lc o m m u n i c a t i o ni sd i s c u s s e di nd e t a i l ，a n d t h ei m p l e m e n t a t i o no fg a t e w a yo nt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r mo fo p e n - s o u r c e o p e r a t i n gs y s t e mr t - t h r e a da n dm i c r o p m c e s s o r $ 3 c 2 4 4 0d e v e l o p m e n tb o a r di sd e s c r i b e d f i n a l l y , t h es t r u c t u r e ，o p e r a t i o nf l o wa n dc o n f i g u r a t i o no ft h ez s t a c ki si n t r o d u c e d ，t h e m e a s u r ea n dh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r ea p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n ti nz s t a c ki sd i s c u s s e d t h e w o r k f l o wo fc o o r d i n a t o r ss e r i a lc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ei sa n a l y z e da n ds e r i a la p p l i c a t i o n l a y e rf l a m ef o r m a ta n df e a t u r e sa r ed e s c r i b e di nd e t a i l n ea p p l i c a t i o ns o f t w a r eo fw i r e l e s s t e m p e r a t u r em o n i t o r i n gn e t w o r kn o d eh a sb e e nd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l li 页 k e yw o r d s ：w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s ；z i g b e e ；z - s t a c k ；t e m p e r a t u r em o n i t o r i n g ； s e r i a l e t h e m e tg a t e w a y ；r t - t h r e a d 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 2 0 世纪9 0 年代以后，以因特网为代表的计算机通信技术与网络技术得到了飞速的 发展，极大地改变了人们的生活方式，引起了社会、经济、工业生产以及传媒等多方 面的变革。近年来，随着传感技术、计算机技术和无线通信技术的不断发展和融合， 推动了低功耗、多功能传感器的快速发展，研制出了具有感知能力、计算能力和无线 通信能力的微型传感器，进而产生了无线传感器网络( w s n ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) 技术【1 1 。无线传感器网络是- - f o 新兴的网络技术，是2 1 世纪信息产业的三大支柱( 计 算、通信和传感器) 相结合的产物，其良好的应用前景使其受到广泛而高度的关注【2 】。 无线传感器网络被认为是2 1 世纪最有影响的2 1 项技术之一和改变世界的十大技术之 一，将会对人类未来的生活生产方式产生巨大的影响【34 1 。 无线传感器网纠5 曲】是由大量具有特定功能的由计算单元、存储单元、传感单元和 无线通信单元等构成的传感器节点通过自组织的无线通信方式，相互传递信息，协同 地完成特定功能的智能专用网络。无线传感器网络综合了传感技术、微电子制造技术、 嵌入式计算技术、通信技术和分布式信息处理技术等，可以实时监测、感知和采集网 络所在区域内监测对象的信息，并对收集到的信息进行处理后以自组多跳的网络方式 传送给终端。 无线传感器网络的研究源于2 0 世纪7 0 年代的美国军方，美国国防部高级研究所 计划署从1 9 7 8 年开始资助卡内基梅隆大学研究分布式传感器网络，开启了传感器网络 研究的先河。2 0 世纪8 0 9 0 年代，无线传感器网络研究主要集中在军事领域，并成为 网络中心战的关键技术，拉开了无线传感器网络研究的序幕。2 0 世纪9 0 年代中期开始， 美国和欧洲等发达国家和地区先后开始了大量的关于无线传感器网络的研究工作【l0 1 。 从2 l 世纪开始，随着技术的成熟和硬件成本的降低，推动着无线传感器网络向大规模、 低功耗的方向发展，应用的范围也扩大到环境质量监测【l l 】、智能交通 】2 】、医疗救助f 1 3 】、 智能家居【1 4 】、精准农业【15 1 、军事【1 叼和工业应用【1 7 1 等各个方面，引起各国对无线传感器 网络技术的极大关注。 我国关于无线传感器网络的研究起步较晚。2 0 0 9 年中国国家标准委员会批准成立 了传感器网络工作组( w r g s n ) ，作为国内权威的传感器网络标准组织，主要任务是开 发我国自主的传感器网络通信协议和应用规范，并且横向和其他国际标准组织，如i e e e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 8 0 2 1 5 、i s o i e c 等进行对接，目前该工作组已形成了七个工作组，在系统架构、通信 协议、接口和安全等领域进行标准化工作【1 8 】。国内相当一部分高校、科研院所和企业 都进行了大量的研究工作，研究内容主要包括通信协议的分层和网络节点的设计、无 线通信协议栈、同步和定位中间件、数据融合、低功耗与高安全性设计、网络管理、 质量保证技术以及特定行业的应用研究等【1 8 】。国内越来越多的企业开始关注无线传感 器网络技术的发展，推出针对无线传感器网络及z i g b e e 的解决方案，以及以应用为驱 动的应用研究方案。 1 2 研究现状 无线传感器网络在医疗护理方面日渐发挥作用，相比传统方法无线传感器网络能 够实现更加便捷和全面的医疗护理，包括：无线监测人体生理数据和远程医疗，患者 的综合监测和诊断，医院的药品管理，追踪和监控医院中的医护人员和患者，并且通 过连接公共网络如i n t e r a c t 等很容易实现远程医疗。罗彻斯特大学的研究人员基于无线 传感器网络创建了一个智能医疗房间，使用智能传感器节点测量患者的脉搏、血压、 呼吸和睡姿，以及全天的活动状况【l9 1 。英特尔也推出了基于无线传感器网络的家庭护 理技术，该系统通过在鞋、家具等物体中嵌入微型智能传感器，帮助老龄人士、残障 人士及阿尔茨海默病患者的家庭生活。利用无线通信技术将各个传感器联网，可实现 必要信息的高效传递，从而方便护理和减轻护理人员的负担1 2 0 1 。 在体温测量方面，近年来，随着无线传感器网络的进一步发展和应用需求的变化， 开始出现多用户群体性体温监控的研究和应用。这类多点测量应用一般使用网络的方 式汇聚数据，比如利用已有的公共网络或部署专门的传感器网络等，所使用的传感器 一般为红外测温模块、集成测温模块或热敏电阻等。一般单一使用红外方式测温的误 差较大，不适用于临床医疗，文献 2 1 介绍了一种通过测量环境温度来修正红外测量结 果的方法，其除使用红外方式测量额头温度外，还使用了另一个温度传感器来测量环 境温度，在大量测试得到的温度试验数据后，通过拟合得出环境、人的额头和人体三 者温度之间的关系，从而修正额头温度与体温的温差，进而提高测量精度。 利用已有的通信网络，可以方便地实现多点测温，文献 2 2 】介绍了一种基于以太网 的多点分布式温度测量系统，该系统将体温传感模块接入医院的已有以太网，并结合 单总线技术，能够实现多点、实时的体温监测。文献 2 3 】则利用公共的无线通信网络， 设计了一种基于g s m 模块的体温和脉搏数据采集系统，利用现有无线通信网络可以实 现大覆盖范围的体温和脉搏数据的监测。而文献 2 4 】提出了一种基于z i g b e e 技术支持 多路体温和脉搏监测系统，系统使用了专用的z i g b e e 测量网络，利用z i g b e e 测温终 端测量体温和脉搏，测得的数据通过z i g b e e 网络传输到本地计算机存储和管理。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 由于多点体温测量系统监测的人员众多，而测得的所有体温数据最后都传输和汇 聚到同一个监控设备，所以存在体温数据的身份识别问题。文献 2 5 】介绍了一种具有身 份识别功能的红外体温采集系统，该系统中每个被测人员持有张保存有身份相关信 息的标识卡，被测人员通过刷卡操作触发体温采集节点工作，测温时体温采集节点首 先读取被测人员的标识卡中的身份信息，然后才开始测温，在测温结束后将身份信息 和体温信息一并传送到监控设备。另一种体温数据身份识别方式是通过定位间接确定 被测人员身份，文献 2 6 设计了一个基于无线传感器网络的病人体温采集系统，在其中 引入无线网络定位算法，在人员测温的同时获得位置相关信息，测温完毕后将位置信 息和体温信息通过无线传感器网络传送到汇聚节点，实现体温测量和身份识别。 综上所述，当前多点大规模的体温监测主要是针对于医院等医疗机构，服务于临 床医疗工作。根据使用的测量网络的不同测量范围有所不同，利用计算机局域网或单 一使用专用无线或有线测量网络的监控系统，测量设备和管理设备都处于本地，不能 实现远程测量，只能覆盖小范围。而测量网络结合无线通信网络等公共网络的监控系 统，利用公共网络的大覆盖范围，可以实现大规模和远程测量。由于多点测量系统中 存在众多被测人员和大量温度数据，在用于临床医疗时，还要需要解决人员身份的识 别问题。 1 3 研究内容 随着社会的发展，城市化进程的加快，人们的居住环境越来越密集，城市中人口 密度越来越密大。而近年来爆发了多次全球性流行性传染病，比如2 0 0 3 年爆发的s a r s ( s e v e r ea c u t er e s p i r a t o r ys y n d r o m e s ，严重急性呼吸综合征，又称传染性非典型肺炎) ， 2 0 0 9 年爆发的甲型h 1 n 1 流感。这些流行性疾病具有较强的传染性，在人口密集地区 通过人与人之间近距离的空气飞沫传播、接触患病者的呼吸道分泌物或密切接触患病 者等方式传播，更可能导致疫病大规模流行【2 ”8 1 。为控制疫情的发展，需要大规模的 监控群体的健康状态。 体温是诊断许多疾病的重要依据，这些流行性疾病一般也具有一个共同的临床症 状发热，所以体温可以初步反应一个人的健康状态。对于流行性疾病，需要大规 模地监控群体体温，安全、快速、准确地获得群体体温，有利于疾病诊断和治疗工作 的快速展开，有利于迅速地控制疫情。而传统的个体体温测量然后逐级上报的监控方 法，难以实现大规模、准确和快速响应，不适合大规模流行性疾病的监控。 城市中现代人的生活办公场所一般都是密集的楼宇建筑，比如住宅小区、商业写 字楼、学校寝室等。针对此特点，课题基于z i g b e e 无线传感器网络技术，设计和实现 了针对楼宇的群体体温监控系统，具有群体体温测量、数据汇聚传输和保存、基于w e b 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 的可视化呈现功能，能够实现大规模、准确和快速的群体体温监控。 课题基于z i g b e e 技术，设计了无线传感器网络节点，在需要监控的楼宇内部署专 用的无线传感器网络，并设计了具有无线数据传输和体温测量功能的移动终端，用户 使用该终端测量体温，测得的体温数据从终端发送到无线传感器网络，无线传感器网 络将体温数据汇聚到无线传感器网络的网关，网关再将收到的体温数据传输到远程的 服务器，服务器提供基于w e b 的监控服务。 本论文主要讨论了无线体温监控网络和网关的软硬件设计和实现。体温监控网络 实现体温测量和相关数据的传输汇聚，网关用于连接体温监控网络和计算机网络，实 现监控网络和远程服务器的通信。 1 4 论文结构 第一章绪论，介绍了课题的研究背景，无线传感器网络的国内外研究现状，介绍 了课题的研究意义和内容，描述了论文的组织结构。 第二章z i g b e e 技术，主要介绍了z i g b e e 无线传感器网络的特点和体系结构，首 先介绍了z i g b e e 技术的特点，将z i g b e e 与w i f i 和蓝牙作了对比，讨论了这三种无线 通信技术的异同；然后简要介绍了z i g b e e 协议栈的结构；最后介绍了z i g b e e 的网络 结构，详细讨论了z i g b e e 网络中的设备类型和角色以及网络拓扑类型。 第三章系统总体设计，详细讨论了系统需求，据此设计了系统实现的总体架构。 深入分析了三种z i g b e e 芯片的功能特点，根据系统特点选取了合适的z i g b e e 芯片。 第四章硬件设计，首先概述了三种无线传感器网络节点和网关的硬件设计，然后 分功能模块详细讨论了硬件电路的设计和硬件的工作原理。 第五章嵌入式网关软件设计，根据系统需求设计了串口以太网嵌入式网关的实现 方案，介绍了网关的工作原理，详细讨论了串口可靠通信的实现方法，最后介绍了网 关在在开源操作系统r t - t h r e a d 和微处理器$ 3 c 2 4 4 0 开发板的软硬件平台上的软件实 现。 第六章z i g b e e 无线网络的软件设计，体温监控网络基于t i 的z i g b e e 协议栈 z s t a c k 实现，介绍了z s t a c k 的整体结构、运行流程和配置，讨论了基于z s t a c k 的无 线体温监控网络的软件实现。介绍了协调器上的串口通信的应用层帧格式，详细讨论 了段式l c d 的驱动实现，介绍了基于单工红外串行通信的区域定位的工作原理和软件 实现，介绍了体温测量软件的实现。 总结与展望，对论文工作进行了总结，并对今后的研究工作进行了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 2 1zig b e e 技术概述 第2 章z ig b e e 技术 z i g b e e 是由z i g b e e 联盟开发的一个针对无线控制应用的低成本、低速率、低功耗、 近距离的无线通信标准，适用于消费电子、家居和楼宇自动化、工业控制、p c 外设、 医疗传感器、玩具和游戏机等应用【2 纠。 z i g b e e 技术具有以下特点 3 0 - 3 2 】： ( 1 ) 极低的系统功耗。z i g b e e 芯片一般都有多种可配置的电源管理模式，可以灵 活的配置节点的工作模式，如在系统不工作时关闭无线收发器或其它外设以降低系统 功耗。 ( 2 ) 较低的系统成本。与其它的无线通信技术相比，z i g b e e 协议复杂度较低，可 以运行在计算和存储能力较弱的系统上，使得能够实现低成本的网络。 ( 3 ) 安全可靠的数据传输。z i g b e e 在网络层和媒体访问控制层采用i e e e 8 0 2 1 5 4 协议标准，使用载波侦听多路访问与冲突避免( c s m a - c a ) 的信道访问机制，结合确 认和数据校验等机制，可保证数据传输的可靠性。z i g b e e 规范提供了1 2 8 位高级加密 标准( a e s ) 的安全措施和数据完整性保证。 ( 4 ) 灵活的工作频段。z i g b e e 使用免许可的工业、科学和医疗( i s m ) 频段，包 括全世界范围通用的2 4 g h z 频段，欧洲和北美使用的8 6 8 9 1 5 m h z 频段。 ( 5 ) 灵活的组网方式。z i g b e e 支持星型、树型和网状网络拓扑。 ( 6 ) 超大的网络容量。z i g b e e 使用1 6 位的网络地址，网络最大可以容纳6 5 5 3 5 个节点。 2 2zig b e e 与wi _ fi 、蓝牙比较 z i g b e e 、w i f i 和蓝牙都为近距离无线通信技术，它们的基本特性如表2 1 所示。 w j f i 是一个高速率无线通信标准( 高达1 1 5 4 m b p s ) ，室内传输距离为3 0 1 0 0 m ， 典型应用是提供i n t e m e t 的无线接入【33 | 。蓝牙的速率低于w i f i ，一般小于3 m b p s ，典 型的室内传输距离为2 1 0 m ，蓝牙的个常见应用是无线头戴式耳机p 4 1 。在这三个无 线通信标准中，z i g b e e 的速率和复杂度都是最低的，但能够提供最长的电池寿命。 对于需要1 m b p s 以上速率的i n t e r n e t 无线接入和无线耳机等应用，低速率的z i g b e e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 并不是最好的选择。但是，如果无线通信的目的是发送和接收简单的命令或收集传感 器中的数据等应用，那么相比w i f i 和蓝牙，z i g b e e 能够提供更有效和更具成本优势 的解决方案f 3 5 1 。 表2 1z i g b e e 、w i f i 、蓝牙比较蜘 2 3zjg b e e 协议栈结构 z i g b e e 协议栈结构如图2 1 所示，整个协议栈由多个协议层组成，每层为上层实 现一组特定的服务：数据实体提供数据服务，管理实体提供所有其他服务。每个服务 通过一个服务接入点( a s p ) 对上层提供一个接口，每个a s p 支持一系列服务原语来 完成规定的功能【2 9 1 。 z i g b e e 协议栈基于标准开放系统互连( o s i ) 7 层模型，但是只定义了所需功能相 关的协议层。i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 标准定义了两个底层：物理( p h y ) 层和媒体访问控 制( m a c ) 子层，z i g b e e 联盟在此基础上构建了网络( n w k ) 层和应用层框架【3 引。 应用框架包含应用支持子层( a p s ) 、z i g b e e 设备对象( z d o ) 和制造商定义的应用对 象。 i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 有两个分别工作在8 6 8 9 1 5 m h z 和2 4 g h z 的p h y 层，低频p h y 层包括8 6 8 m h z 的欧洲频段和美国、澳大利亚等国家使用的9 1 5 m h z 频段，高频2 4 g h z p h y 层用于全球范围。 i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 3m a c 子层使用c s m a c a 机制控制对无线信道的访问。其任 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 蔓o i 一- 一一- 一i i i i i _ 曼曼曼曼! 皇曼曼曼曼皇曼曼鼍曼皇曼曼曼曼皇 务包括发送信标帧、同步和提供可靠的传输机制。 n w k 层任务包括：入网和离网、帧安全服务、路由帧、在设备间发现和维护路由、 发现单跳邻居、存储有关邻居信息。z i g b e e 协调器的n w k 层还负责启动一个新网络， 并为新连接的设备分配地址。 a p s 子层的任务包括：维护绑定表、在绑定设备间转发信息。 z d o 的任务包括：定义设备在网络中的角色( 如z i g b e e 协调器或终端设备) 、发 起和或响应绑定请求、在网络设备间建立安全关系。z d o 还负责发现网络中的设备和 决定它们提供的服务。 口 数据服务接入点 2 4zig b e e 网络结构 厂、 、 管理服务接入点 图2 1z i g b a e 体系结构框图1 ( 1 ) 设备类型 i e e e8 0 2 1 5 4 无线网络有两种设备类型：全功能设备( f f d ) 和精简功能设备 ( d ) ，f f d 可以执行i e e e8 0 2 1 5 4 标准中的所有功能，并且可以用作网络中的任 何角色，r f d 只实现了i e e e8 0 2 1 5 4 标准中的部分功能。f f d 设备可以和网络中的任 何其它设备通信，r f d 设备只能和f f d 设备通信。r f d 设备的处理能力和内存大小通 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 常小于f f d 设备，目的是应用于简单的应用，如一个开关【3 7 】。 ( 2 ) 设备角色 在i e e e8 0 2 1 5 4 网络中，f f d 设备可担任三种不同的角色：协调器、p a n 协调器 和设备。协调器是一个f f d 设备，能够中继消息。如果协调器同时也是p a n 的主控制 器，那么称其为p a n 协调器。如果一个设备不充当协调器，那么简单的称之为设备。 z i g b e e 标准使用的称谓术语稍有不同，如图2 2 所示。z i g b e e 协调器是一个i e e e 8 0 2 1 5 4p a n 协调器；z i g b e e 路由器是一个i e e e8 0 2 1 5 4 协调器；z i g b e e 终端设备 既不是协调器也不是路由器，一般地，z i g b e e 终端设备具有最小的内存大小和最弱的 处理能力和功能【3 7 】。 i e e e8 0 2 1 5 4 设备角色 z i g b e e 设备角色 p a n 协调器( f f d ) 协调器( f f d ) 设备( r f d 或f f d ) z i g b e e 协调器( 1 e e e8 0 2 1 5 4p a n 协调器) z i g b e e 路由器( i e e e8 0 2 1 5 4 协调器) z i g b e e 终端设备( 1 e e e8 0 2 1 5 4 设备) 图2 - 2ie e e8 0 2 1 5 4 和z ig b e e 设备角色 ( 3 ) 网络拓扑 z i g b e e 网络层支持星型、树型和网状拓扑【3 5 】。 星型拓扑如图2 3 所示，z i g b e e 协调器控制整个网络，负责初始化和维护网络中 的设备，所有其他设备都为z i g b e e 终端设备，只能与z i g b e e 协调器直接通信。 曼乃g b e 醛端设备 o z i g b e e 协调器 蛐 图2 - 3 星型网络拓扑 在网状和树状拓扑中( 如图2 4 所示) ，z i g b e c 协调器负责启动网络和决定某些关 键网络参数，网络可通过使用z i g b e e 路由器扩展，网状网络允许全对等通信，网状网 络中的路由器不发送信标。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 z i g b e e 终端设备 z i g b e e 路由器 oz i g b e e 协调器 图2 - 4 网状网络拓扑 在树状网络中( 如图2 5 所示) ，路由器使用分层路由策略传送数据和控制信息， 信息只能在父子节点之间传递，树状网络可使用基于信标的通信方式。 z i g b e e 终端设备 0z i g b e e 路由器 o z i g b e e 协调器 2 5 本章小结 图2 - 5 树型网络拓扑 本章主要分析了z i g b e e 无线传感器网络的特点和体系结构，介绍了z i g b e e 无线 通信技术的特点，将z i g b e e 与w i f i 、蓝牙的基本特性做了比较，简要介绍了z 边b e e 协议栈的体系结构，分析了z i g b e e 网络节点的设备类型和设备角色，分析了z i g b e e 网络星型、树型和网状三种网络拓扑。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 3 1 需求分析 第3 章系统总体设计 系统以楼宇为监测单位，在楼宇内布置基于z i g b e e 的无线体温监控网络，室内人 员使用移动测温终端测量体温，体温数据通过体温监控网络传输和汇聚，通过网关将 体温监控网络接入计算机网络，以实现本地监控网络和远程服务器通信，远程服务器 分为数据库服务器和w e b 服务器，数据库服务器用于保存用户信息和历史体温数据等 信息，w e b 服务器提供w e b 服务以访问数据库服务器中的数据。 系统主要实现群体体温的测量、数据汇聚、保存、基于w e b 的可视化呈现，系统 具体需求如下： ( 1 ) 体温测量、数据显示与状态指示。 ( 2 ) z i g b e e 无线网络的实现 ( 3 ) 房间级的区域定位 ( 4 ) 无线网络与网关的通信 ( 5 ) 网关对远程数据库的访问 ( 6 ) 远程数据库服务器实现数据保存 ( 7 ) 远程w e b 服务器提供基于w e b 的可视化呈现 3 2 系统的总体结构 基于上文分析，系统使用z i g b e e 技术组建一个楼宇内的群体体温无线监控系统， 并构建远程服务器提供数据库服务和w e b 服务，系统的结构如图3 1 所示。 系统分为三部分：本地z i g b e e 无线体温监控网络系统，远程服务器系统，嵌入式 网关。 在本地z i g b e e 无线体温监控网络端，楼宇内每个房间布置一个位置固定的无线路 由节点，每个室内人员配备一个便携式无线移动测温终端，整栋楼宇配置一个无线网 络协调器节点，这些节点基于z i g b e e 无线通信技术组建一个自组多跳的无线体温监测 网络。路由节点和协调器组成基本的无线数据传输网络，测温终端相当于一个加载了 无线通信功能的电子体温计，使用腋下测温方式。用户使用终端测量体温后体温数据 可以在终端上显示，并且终端会视情况将体温数据传送至固定路由节点，再通过无线 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 网关 无线网络协调器节点 无线网络固定路由节点 无线网络移动终端节点 一一 移动节点与固定节点间数据流 一固定节点间数据流 + 叶串行数据流 i n t e m e t 数据流 图3 1 系统总体结构示意图 网络将数据传输和汇聚至网络协调器节点。 在计算机网络端，配置有远程数据库服务器和w e b 服务器。数据库服务器用于保 存z i g b e e 无线体温监控网络的相关数据，比如用户信息、物理位置信息和历史体温数 据等。w e b 服务器提供w e b 服务，读取数据库服务器中的相关数据，通过w e b 以可视 化的方式呈现这些数据，具有访问权限的相关工作人员可以使用任何一台已接入计算 机网络并具有浏览器的计算机访问w e b 服务器中的页面，可以很方便的查看到无线网 络的相关信息。 嵌入式网关起到连接z i g b e e 无线体温监控网络与计算机网络的重要作用，协调器 通过串行通信方式与网关直接相连，使得z i g b e e 无线体温监控网络和计算机网络间能 实现相互的数据传输【4 5 1 。如上文所述，无线网络中需要存储到数据库服务器的数据最 后汇聚到协调器节点，协调器节点通过串口将数据传送到网关，网关再通过计算机网 络将数据上传到数据库服务器。相应的，网关也可接收来自远端服务器的数据，并向 网关转发。 另外，无线网络能够实现房间级的区域定位，在上传个体温数据时与之相关的 位置信息会一同被上传至数据库服务器，所以工作人员不止能查看到温度数据还能查 看到温度数据来自的房间位置信息。此外，工作人员除了可以通过浏览器查看无线网 络得到的数据，还能设置用户的测温时间区间和直接提醒用户测温：设置某个、某 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 些或所有测温终端的测温时间区间，如果当前时间在设置的时间区间内，那么被设置 的测温终端会通过一定的方式提醒用户测量体温；在浏览器上选择某个、某些或所 有测温终端立即提醒用户测量体温。 需要说明的是，远程服务器系统中的数据库服务器和w e b 服务器的开发由项目组 的另外一位同学负责，本文主要讨论本地z i g b e e 无线体温监控网络系统和嵌入式网关 的设计与实现。 3 3zig b e e 芯片比较与选取 z i g b e e 芯片是无线网络的关键组成部分，芯片的选择将直接影响到网络的性能和 开发的难易程度，故在此特别讨论z i g b e e 芯片的选取。 由于z i g b e e 具有十分广阔的应用前景，许多半导体器件厂商都生产了各种符合 z i g b e e 标准的射频收发芯片，有着不同的存储空间、处理能力和芯片类型，同一厂商 的同一类型芯片也有多种存储空间配置可选。 通常物理层的全部功能和m a c 层的部分功能由硬件实现，m a c 层其余部分功能 和高层协议栈都由软件实现。根据固化的内容和由应用开发者烧写的内容所承载的实 体不同，目前市面上的芯片主要分为3 种类型 j ： ( 1 ) r f 收发器，芯片上只包含i e e e8 0 2 1 5 4r f 收发器而没有m c u ，使用时必 须增加m c u 芯片，部分m a c 和所有高层协议都由l 讧芯片外的m c u 实现。这一类 芯片有t i 的c c 2 4 2 0 c c 2 5 2 0 ，f r e e s c a l e 的m c l 3 1 9 x m c l 3 2 0 x ，m i c r o c h i p 的m j 2 4 4 0 等。虽然这些芯片本身对m c u 没什么特别要求，但各厂商对此类芯片开发的z i g b e e 协议栈都是针对特定的m c u 组合平台，比如t i 的是c c 2 4 2 0 c c 2 5 2 0 + m s p 4 3 0 ， f r e e s c a l e 的是m c1319 x m c13 2 0 x + h c s 0 8 ，m i c r o c h i p 的是m j 2 4 4 0 + p i cm c u 。 ( 2 ) 单芯片解决方案，r f 收发器和m c u 集成在一片芯片上，使用时不用外加 m c u 。这一类的芯片有t i 的s o c 芯片c c 2 4 3 0 c c 2 5 3 0 ，内部包含一个增强的8 0 5 1 m c u 。f r e e s c a l e 的平台级封装( p i p ) 芯片m c l 3 2 1 ) 【m c l 3 2 2 x m c l 3 2 3 x ，其中m c l 3 2 2 x 内包含一个a r m 7 核m c u ，m c l 3 2 1 x m c l 3 2 3 x 内部包含一个8 位的h c s 0 8m c u 。 e m b e r 的s o c 芯片e m 2 5 0 e m 3 5 1 3 5 7 ，e m 2 5 0 内部集成了一个由c a m b r i d g e c o n s u l t a n t s 公司开发的1 6 位微处理器x a p 2 b ，e m 3 5 1 e m 3 5 7 是e m b e r 推出的新一代 z i g b e e 解决方案，是业界首款集成a r mc o r t e x m 3 处理器的z i g b e e 芯片。 ( 3 ) 单芯片并内置固化z i g b e e 协议栈，与第二种类似，也是芯片内集成r f 收发 器和m c u ，不同的是这种芯片还把z i g b e e 协议栈固化在芯片内，应用程序代码在芯 片外，应用与协议栈分开，不像第二种芯片协议栈和应用程序一同编译并写入到同一 目标存储器。这一类芯片有t i 的c c 2 4 8 0 ，j e n n i c 的j n 5 1 2 1 j n 5 1 3 9 ，e i n b c r 的e m 2 6 0 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 这种类型的芯片之间还有些不同。 j n 5 1 2 1 j n 5 1 3 9 集成了一个2 4 g h zi e e e 8 0 2 1 5 4 收发器和一个3 2 位r i