隨著計算機技術、通信技術、控制技術的發(fā)展和人們物質(zhì)生活水平的提高，家居智能化的研究成為國內(nèi)外的一個研究熱點.與此同時，隨著我國老齡化社會的加劇，通過易組織，低成本，高效率的家庭智能化網(wǎng)絡實現(xiàn)長期的家庭監(jiān)護，對提高人們生活質(zhì)量，減少醫(yī)療費用也具有重要意義.為此，提出了基于共享控制的家庭監(jiān)護系統(tǒng).圖1是采用共享控制的家庭智能監(jiān)護系統(tǒng)示意圖.
家庭設備信息和人體信息如腦電波、脈搏信息等通過無線網(wǎng)絡發(fā)射，經(jīng)家庭網(wǎng)絡路由傳送到互聯(lián)網(wǎng)上的專用服務器中.家屬或醫(yī)院可在世界上任何地方，通過計算機調(diào)查服務器中所記錄的人體活動和設備的情況.這樣做不但能實時地得到當前的活動情況，通過指令控制家居中的設備，還能調(diào)查任一時段內(nèi)的歷史信息及變化傾向，為正確、及時進行醫(yī)療監(jiān)護提出建議和措施.
以前針對智能家居研究的網(wǎng)絡構(gòu)建采用的無線方式有射頻(RF)技術，IEEE802.11及藍牙技術等.但這些技術都沒有完全滿足家庭網(wǎng)絡易組織、低成本、低功耗等要求.Zigbee協(xié)議是一種基于IEEE80215.4標準的無線協(xié)議，主要應用于低通信速率，低功耗設備的組網(wǎng).該通信設備支持250kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以實現(xiàn)l點對多點的快速組網(wǎng).鑒于Zigbee無線網(wǎng)絡的上述特點，可將其用于構(gòu)建家用無線網(wǎng)絡平臺.
l Zigbee網(wǎng)絡協(xié)議簡析
Zigbee網(wǎng)絡協(xié)議棧采用開放系統(tǒng)互連模型(OSI).每一層都實現(xiàn)一部分通信功能.并向高層提供服務.IEEE802.15.4標準只定義了PHY層和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層PHY層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構(gòu)成MAC子層為高層訪問物理信道提供點到點通信的服務接口.ZigbeeAlliance定義了網(wǎng)絡層、應用層與安全層規(guī)范.NWK負責網(wǎng)絡層工作，使用IEEE802.15.4MAC所提供的服務完成工作，并提供數(shù)據(jù)收發(fā)與管理服務供上層協(xié)議調(diào)用NWK之上的APS，ZDO應用框架與應用對象等都屬于應用支持層(APL).APS使用NWK所提供的數(shù)據(jù)進行傳輸服務.
多路選擇是APS的重要功能，提供上層應用程序使用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸服務的Endpoint(如同TCP/IP的socket)匹配網(wǎng)絡地址，這樣在兩個通信端點間能讓多個應用程序循環(huán)使用APSZDO則是整個Zigbee網(wǎng)絡設備的控制中心，它使用NWK與APS提供的管理服務，并匹配Zigbeedeviceprofile(ZDP)規(guī)范.Zigbee網(wǎng)絡支持3種類型拓撲結(jié)構(gòu)：星形結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)和族狀結(jié)構(gòu)，如圖3所示.其中網(wǎng)格狀和族狀結(jié)構(gòu)屬于點對點的結(jié)構(gòu)星形網(wǎng)絡中，所有節(jié)點都與中心協(xié)調(diào)器通信，節(jié)點間不能直接通信而點對點網(wǎng)絡中的節(jié)點彼此都在其輻射范圍之內(nèi)，任何兩個設備之間都可以通信.
2關鍵問題的考慮
2.1網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的選擇
在Zigbee協(xié)議支持的3種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)中，星形拓撲網(wǎng)絡最簡單.每個被監(jiān)控設備可以作為精簡設備終端連接入網(wǎng)，節(jié)省能量，計算量小.在家庭監(jiān)護系統(tǒng)中，設備可能分布在多個房間，被監(jiān)護對象也可能在多個房間中活動，而星形網(wǎng)絡中節(jié)點的無線通信范圍很小(幾十米)，網(wǎng)絡覆蓋范圍有限，不利于網(wǎng)絡功能的擴展.
網(wǎng)狀網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都可以作為路由節(jié)點，因此，原節(jié)點的數(shù)據(jù)流可以通過多個路徑到達網(wǎng)絡控制點.如果某一個節(jié)點與網(wǎng)絡斷開，數(shù)據(jù)流可以選擇另一條路徑進行傳輸，因此具有較強的健壯性.但網(wǎng)絡中的設備都需是全功能設備，能量消耗大;同時，網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)流的路由節(jié)點增加了網(wǎng)絡的延時.
族狀結(jié)構(gòu)結(jié)合了星形結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點.為了節(jié)省能量，監(jiān)控設備和生理數(shù)據(jù)采集終端可以作為網(wǎng)絡中的端節(jié)點，結(jié)構(gòu)節(jié)點少.同時協(xié)調(diào)器可以作為網(wǎng)絡控制器采集網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù).網(wǎng)絡具有可擴展性，可以增加路由節(jié)點，擴展覆蓋范圍，因此該家用無線網(wǎng)絡采用族狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu).
2.2網(wǎng)絡路由協(xié)議的設計
路由協(xié)議直接關系到無線網(wǎng)絡的性能.路由協(xié)議設計的首要問題是要求其計算復雜度小，能耗小.其次由于被監(jiān)護對象的移動性，網(wǎng)絡拓撲的結(jié)構(gòu)可能發(fā)生改變，因此要能滿足動態(tài)路由的要求.
Zigbee支持Cluster-tree，AODVjr及兩者的混合模式等路由算法.AODVjr算法是針對AODV算法的改進，以達到計算量小及節(jié)能的目的，但算法較復雜，Cluster-tree算法適合樹狀拓撲結(jié)構(gòu).圖4為網(wǎng)絡樹層次結(jié)構(gòu)圖.
節(jié)點的地址空間Cskip的計算公式為
式中：n為父節(jié)點地址;R為子節(jié)點序號1～Cm.
假設某個節(jié)點的地址是N，目標節(jié)點的地址是D，Cluster-tree路由算法如下：
①如果待傳輸數(shù)據(jù)的目的節(jié)點地址是本身地址，將數(shù)據(jù)包交上層處理，否則轉(zhuǎn)②.
②如果待傳輸數(shù)據(jù)的目標節(jié)點是自己的鄰居節(jié)點(路由表中有路由信息)，直接發(fā)送數(shù)據(jù)給鄰居節(jié)點，否則轉(zhuǎn)③.
③判斷并轉(zhuǎn)發(fā)子節(jié)點或父節(jié)點地址.
如果D>N并且基于Zigbee技術構(gòu)建家用無線網(wǎng)絡，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給父節(jié)點;
如果D>N且D≤基于Zigbee技術構(gòu)建家用無線網(wǎng)絡，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給地址為基于Zigbee技術構(gòu)建家用無線網(wǎng)絡的子節(jié)點.
家用無線網(wǎng)絡大多數(shù)節(jié)點是靜止的，移動節(jié)點較少，可采用族狀拓撲結(jié)構(gòu).家庭網(wǎng)絡環(huán)境較好，鏈路穩(wěn)定，節(jié)點干擾少，可以采用Cluster-tree算法作為其路由協(xié)議.這樣，網(wǎng)絡節(jié)點就不需要保存大量的路由信息，節(jié)省內(nèi)存，計算復雜度低，能耗小.具體設計時，由于家庭監(jiān)護網(wǎng)絡屬于小型網(wǎng)絡，網(wǎng)絡節(jié)點少，可以設定較少的網(wǎng)絡層次，以減少路由計算時間.
2.3數(shù)據(jù)采樣策略
設備狀態(tài)及發(fā)送速率較低的數(shù)據(jù)信息對無線網(wǎng)絡的性能要求較低，基于Zigbee技術構(gòu)建的無線網(wǎng)絡可以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捯蠛蛯崿F(xiàn)節(jié)點的節(jié)能.由于生理信號的傳輸是連續(xù)傳輸，因此需要考慮生理數(shù)據(jù)的采樣速率對能源消耗和網(wǎng)絡負載的影響.
當需要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，要通過網(wǎng)絡協(xié)議棧的每一層進行封裝，其中應用層的數(shù)據(jù)幀要小于80B.生理信號一般都屬于低頻信號(脈搏信號的有效頻率都在10Hz以下)，在保證信號不失真的情況下，盡量用低采樣頻率，以減少數(shù)據(jù)傳輸量.同時，可以對采集的生理信號進行緩存打包，一起發(fā)送，以提高數(shù)據(jù)的發(fā)送效率，減少網(wǎng)絡節(jié)點的能量消耗.
3家用無線網(wǎng)絡的實現(xiàn)
所構(gòu)建的家庭監(jiān)護網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)絡拓撲結(jié)構(gòu)采用族狀結(jié)構(gòu)，設置Cm=2，Lm=2.無線網(wǎng)絡有一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器(coordinator)。負責無線網(wǎng)絡的建立和網(wǎng)絡狀態(tài)管理.網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器通過串口與PC機相連，將采集到的脈搏信號傳輸?shù)接嬎銠C，以便對脈搏信號進行實時分析;其他無線節(jié)點可以連接家用設備，實現(xiàn)對它們的控制;將監(jiān)護信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡監(jiān)護服務器。可實現(xiàn)監(jiān)護信息的共享.
無線節(jié)點采用Freescale公司的微控制器GT60和無線收發(fā)芯片MCl3192.無線網(wǎng)絡節(jié)點的組成結(jié)構(gòu)框圖GT60與MCl3192之間通過CPI口進行通信.
設計時應考慮到高頻電路對傳感器信號的干擾，傳感器調(diào)理電路與高頻發(fā)射接收部分可分開設計.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(zhì)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了偶極子微帶PCB板天線，所有銅箔走線均采用微帶傳輸線的原理.以減少發(fā)射引起的傳輸損耗，獲得了比較大的輸出功率和較高的接收靈敏度.GT60和MCl3192的供電電壓都是3V，系統(tǒng)可以采用紐扣電池供電其他節(jié)點的設計與脈搏傳感無線節(jié)點的設計相似.
4實驗與結(jié)論
應用構(gòu)建的家庭無線網(wǎng)絡平臺對被監(jiān)護者的脈搏信號進行實時測試采樣頻率是150Hz，采用8位的A/D轉(zhuǎn)換器，該家用無線網(wǎng)絡可以正確地對脈搏信號進行采集.測試過程中，無線網(wǎng)絡能夠連續(xù)正常工作.為了測試網(wǎng)絡的丟包率，每隔10ms發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，連續(xù)發(fā)送1000個數(shù)據(jù)包，丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)除以總發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)得到丟包率;連續(xù)測量10次，求平均值.測得的丟包率與傳感節(jié)點與中心節(jié)點的距離的關系.
可以看出，在點對點的距離小于10m時.丟包率小于1%，可以通過應用層設置重傳機制進一步降低丟包率，點對點通信距離為20～30m.傳感節(jié)點的電池可以連續(xù)工作3～5d.實驗驗證了構(gòu)建的家用無線網(wǎng)絡進行脈搏信號監(jiān)護的可行性.系統(tǒng)進一步擴展，可實現(xiàn)其他生理信號的無線監(jiān)護.
