基于Zigbee技术的无线传感器网络在远程家庭监护系统中的应用研究

1、    基于Zigbee技术的无线传感器网络在远程家庭监护系统中的应用研究        郭世富，马树元，吴平东，陈之龙 时间:2008年04月24日     字 体: 大 中 小        关键词:        摘要：关键词： 无线传感器网络 Zigbee 家庭监护123

2、5。本文在分析Zigbee无线传感器网络技术的基础上，对其在移动监护的应用进行了研究。1 基于Zigbee的无线网络家庭监护系统架构1.1 远程家庭监护系统对网络的要求家庭监护网络需要考虑能耗、覆盖面、传输速率和互联网进行通信等因素。本研究采用基于Zigbee技术的无线网络实现在室内对生理信号的采集，通过互联网将生理数据传输到远程监护服务器。人体携带可移动生理信号传感器终端，在网络的可覆盖范围内活动，通过网络内的路由节点接入互联网。Zigbee网络具有自组织、动态路由、网络节点少等特点。同时Zigbee网络考虑了节点的能量节约,减少节点处理器的计算负担等问题。医院或社区的医生可以随时通过互联网

3、查看患者的生理信息，可以对生理传感器的采集方式进行控制。同时也可以获得无线网络中其他监护设备的信息。1.2 网络拓扑结构67。星形网络中所有节点都与中心协调器通信，节点间不能直接通信，中心节点的能量消耗大。适合于网络节点较少、网络结构简单、小范围的网络应用。而点对点网络中只要通信双方都在其辐射范围之内，任何两个设备之间都可以通信。点对点网络中的协调器主要负责实现管理链路状态信息，认证设备身份等功能。点对点网络支持Ad Hoc网络，且可以构造更复杂的网络结构。在家庭监护系统中，被监护对象可能在多个房间内活动，为了能随时扩大覆盖范围，且方便以后功能扩展，选用族状网络拓扑结构。在与互联网的连接方面，

4、建立Zigbee无线网络与以太网的网桥，将监护信息传送到监控服务器，实现监护信息的共享。1.3 家庭监护网络体系结构基于上述分析，本文设计的远程家庭监护网络体系结构如图2所示。Zigbee无线系统主要由Zigbee无线传感器节点(脉搏传感器节点)、若干个具有路由功能的无线节点和Zigbee中心网络协调器(连接家庭无线网桥)组成。无线网桥连接Zigbee无线网络与以太网， 是家庭无线网络的核心部分，负责无线传感器网络节点和设备节点的管理。图中A、B、C、D为具有路由功能的FFD节点，传感器节点与路由节点自主形成一个多跳的网络。脉搏传感器节点可以通过A、B、C、D节点向网关发送数据。由于被监护者在

5、家庭内自由活动，所以其携带的传感器节点的路由可能是动态变化的。所设计的Zigbee无线节点的室内通信距离为3060m，A、B、C、D节点可根据房间的分布进行布置，以能够最大程度地覆盖活动区域。脉搏生理数据经过家庭网关传输到远程监护服务器。远程监护服务器负责脉搏生理数据的实时采集、显示和保存。其他的监护信息如监护图像、安全设备状态等也可以传输到服务器。医院监护中心和医生可以登录监护服务器查看被监护者的生理信息，也可以远程控制家庭Zigbee无线网络中的传感器和设备，从而在被监护病人出现异常时，能及时检测到并采取抢救措施。被监护者的亲属等也可以登录监护服务器随时了解被监护者的健康状况。2 Zigb

6、ee家庭无线网络监护系统硬件结构对于传感器节点，需要具有小尺寸、低功耗、适应性强的特点。根据Zigbee协议标准，Zigbee设备发射输出为03.6dbm，通信距离为3060m，能够检测能量和链路质量。根据这些检测结果，可自动调整设备的发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量。目前市场上的无线发射/接收芯片典型的有Chipcon公司和Freescale公司的产品。本文选用Freescale的13193作为系统的射频芯片8。此芯片可以结合Freescale公司的控制器GT60一起组成低功耗的无线模块。无线传感器节点的结构框图如图3所示。由于无线传感器具有随身携带要求，因此采用纽扣

7、电池。脉搏传感器采用PVDF压电薄膜，其输出阻抗很大，由调理电路实现信号放大和滤波。设计时考虑到高频电路对传感器信号的干扰，传感器调理电路与高频发射接收部分分开设计。天线设计是无线模块设计的关键，直接影响到传感器节点的通信质量和通信距离，可以参照常用的2.4GHz天线的设计方法。本设计采用偶极子微带PCB板天线，所有铜箔的走线均采用微带传输线的原理，以减少反射引起的传输损耗，获得较大的输出功率和较高的接收灵敏度。家庭网关负责家庭无线传感器网络的控制和管理，实现信息的融合处理，并将信息传输到互联网。家庭网关的数据传输和运算量较大，并且可以采用外部电力作为电源供应，因此采用具有较强的信息处理能力和

8、网络功能的ARM9系列作为控制器，本文采用三星的S3C2410作为控制器。无线发射芯片采用Freescale的MC13192，无线控制器芯片采用GT60, 两者通过SPI口通信。无线网关的硬件结构如图4所示。3 Zigbee无线网络软件系统Zigbee协议栈由一系列分层结构组成，每一层为上一层提供服务7。数据实体提供数据传输服务，管理实体提供其他功能服务。每种服务实体通过服务接入点(SAP)为上层提供接口。基于Zigbee网络软件分层结构如图5所示。4 实验结果分析根据设计的Zigbee无线监护网络平台，对人体随身携带的脉搏压力信号进行连续采集，并在监护服务器上实时显示。采用8位A/D转换器，数据采样频率150Hz。有线网络环境为校园局域网，采集数据的波形如图7所示。图8为没有使用网络传输，直接经过计算机采集的脉搏信号的波形曲线，采样频率为150Hz。通过对比图7和图8可以看出，经过家庭监护网络采集到的脉搏数据信号波形基本没有变形，只是网络的延时使信号产生了微小的抖动。当系统接入互联网，延时会加大，抖动更加明显。通过增加缓冲区等方法可以减小影响网络延时对实时信号采集。另一方面，由于人体的活动也会给信号带来很大的干扰，可进一步采取滤波等措施减小干扰。Zigbee网络是低功耗、低成本、高可靠性的无线传感器网络，其在无线家庭监护中有着广