根據生理無線感測器網路

1. 無線感測器網路安全目標是要解決網路的哪些問題

無線通信和低功耗嵌入式技術的飛速發展，孕育出無線感測器網路(Wireless Sensor Networks, WSN)，並以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革，無線感測器網路是由部署在監測區域內大量的廉價微型感測器節點，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網路。

信息安全
很顯然，現有的感測節點具有很大的安全漏洞，攻擊者通過此漏洞，可方便地獲取感測節點中的機密信息、修改感測節點中的程序代碼，如使得感測節點具有多個身份ID，從而以多個身份在感測器網路中進行通信，另外，攻擊還可以通過獲取存儲在感測節點中的密鑰、代碼等信息進行，從而偽造或偽裝成合法節點加入到感測網路中。一旦控制了感測器網路中的一部分節點後，攻擊者就可以發動很多種攻擊，如監聽感測器網路中傳輸的信息，向感測器網路中發布假的路由信息或傳送假的感測信息、進行拒絕服務攻擊等。
對策：由於感測節點容易被物理操縱是感測器網路不可迴避的安全問題，必須通過其它的技術方案來提高感測器網路的安全性能。如在通信前進行節點與節點的身份認證;設計新的密鑰協商方案，使得即使有一小部分節點被操縱後，攻擊者也不能或很難從獲取的節點信息推導出其它節點的密鑰信息等。另外，還可以通過對感測節點的合法性進行認證等措施來提高節點本身的安全性能。
根據無線傳播和網路部署特點，攻擊者很容易通過節點間的傳輸而獲得敏感或者私有的信息，如：在使用WSN監控室內溫度和燈光的場景中，部署在室外的無線接收器可以獲取室內感測器發送過來的溫度和燈光信息;同樣攻擊者通過監聽室內和室外節點間信息的傳輸，也可以獲知室內信息，從而非法獲取出房屋主人的生活習慣等私密信息。[6]
對策：對傳輸信息加密可以解決竊聽問題，但需要一個靈活、強健的密鑰交換和管理方案，密鑰管理方案必須容易部署而且適合感測節點資源有限的特點，另外，密鑰管理方案還必須保證當部分節點被操縱後（這樣，攻擊者就可以獲取存儲在這個節點中的生成會話密鑰的信息），不會破壞整個網路的安全性。由於感測節點的內存資源有限，使得在感測器網路中實現大多數節點間端到端安全不切實際。然而在感測器網路中可以實現跳-跳之間的信息的加密，這樣感測節點只要與鄰居節點共享密鑰就可以了。在這種情況下，即使攻擊者捕獲了一個通信節點，也只是影響相鄰節點間的安全。但當攻擊者通過操縱節點發送虛假路由消息，就會影響整個網路的路由拓撲。解決這種問題的辦法是具有魯棒性的路由協議，另外一種方法是多路徑路由，通過多個路徑傳輸部分信息，並在目的地進行重組。
感測器網路是用於收集信息作為主要目的的，攻擊者可以通過竊聽、加入偽造的非法節點等方式獲取這些敏感信息，如果攻擊者知道怎樣從多路信息中獲取有限信息的相關演算法，那麼攻擊者就可以通過大量獲取的信息導出有效信息。一般感測器中的私有性問題，並不是通過感測器網路去獲取不大可能收集到的信息，而是攻擊者通過遠程監聽WSN，從而獲得大量的信息，並根據特定演算法分析出其中的私有性問題。因此攻擊者並不需要物理接觸感測節點，是一種低風險、的獲得私有信息方式。遠程監聽還可以使單個攻擊者同時獲取多個節點的傳輸的信息。
對策：保證網路中的感測信息只有可信實體才可以訪問是保證私有性問題的最好方法，這可通過數據加密和訪問控制來實現;另外一種方法是限制網路所發送信息的粒度，因為信息越詳細，越有可能泄露私有性，比如，一個簇節點可以通過對從相鄰節點接收到的大量信息進行匯集處理，並只傳送處理結果，從而達到數據化。
拒絕服務攻擊（DoS）
專門的拓撲維護技術研究還比較少，但相關研究結果表明優化的拓撲維護能有效地節省能量並延長網路生命周期，同時保持網路的基本屬性覆蓋或連通。本節中，根據拓撲維護決策器所選維護策略

在無線感測器網路的研究中，能效問題一直是熱點問題。當前的處理器以及無線傳輸裝置依然存在向微型化發展的空間，但在無線網路中需要數量更多的感測器，種類也要求多樣化，將它們進行鏈接，這樣會導致耗電量的加大。如何提高網路性能，延長其使用壽命，將不準確性誤差控制在最小將是下一步研究的問題。
採集與管理數據

在今後，無線感測器網路接收的數據量將會越來越大，但是當前的使用模式對於數量龐大的數據的管理和使用能力有限。如何進一步加快其時空數據處理和管理的能力，開發出新的模式將是非常有必要的。
無線通訊的標准問題

標準的不統一會給無線感測器網路的發展帶來障礙，在接下來的發展中，要開發出無線通訊標准。

2. 無線感測器網路MAC協議有哪些基本分類

沒有統一的MAC協議分類方式，但是大體依據標准分為三種，如根據網路拓撲結構方式(分布式和集中式控制)；使用單一或多信道方式；採用固定分配信道還是隨機訪問信道方式。
已有的參考文獻也將無線感測器網路MAC協議分為三類：確定性分配、競爭佔用和隨機訪問。前兩者不是感測器網路的理想選擇。因為TDMA固定時隙的發送模式功耗過大，為了節省功耗，空閑狀態應關閉發射機。競爭佔用方案需要實時監測信道狀態也不是一種合理的選擇。隨機介質訪問模式比較適合於無線感測網路的節能要求。
下面介紹根據信道分配使用方式，將無線感測器網路MAC協議分為基於無線信道隨機競爭方式和時分復用方式及基於時分和頻分復用等其他混合方式三種。
1) 無線信道隨機競爭接入方式(CSMA)

節點需要發送數據時採用隨機方式使用無線信道，典型的如採用載波監聽多路訪問(CSMA)的MAC協議，需要注意隱藏終端和暴露終端問題，盡量減少節點間的干擾。

2) 無線信道時分復用無競爭接入方式(TDMA)

採用時分復用(TDMA)方式給每個節點分配了一個固定的無線信道使用時段，可以有效避免節點間的干擾。

3) 無線信道時分／頻分／碼分等混合復用接入方式(TDMA／FDMA／CDMA)

通過混合採用時分和頻分或碼分等復用方式，實現節點間的無沖突信道分配策略。

3. 無線感測器網路的組成（三個部分，詳細介紹）

很詳細，你可以到書店去買這類的書看即可。

以下是來自網路：http://www.sensorexpert.com.cn/Article/wuxianchanganqiwang_1.html。

無線感測器網路組成和特點
發表時間：2012-11-14 14:28:00
文章出處：感測器專家網
相關專題：感測器基礎
無線感測器網路的構想最初是由美國軍方提出的，美國國防部高級研究所計劃署(DARPA)於1978年開始資助卡耐基-梅隆大學進行分布式感測器網路的研究，這被看成是無線感測器網路的雛形。從那以後，類似的項目在全美高校間廣泛展開，著名的有UCBerkeley的SmartDuST項目，UCLA的WINS項目，以及多所機構聯合攻關的SensIT計劃，等等。在這些項目取得進展的同時，其應用也從軍用轉向民用。在森林火災、洪水監測之類的環境應用中，在人體生理數據監測、葯品管理之類的醫療應用中，在家庭環境的智能化應用以及商務應用中都已出現了它的身影。目下，無線感測器網路的商業化應用也已逐步興起。美國Crossbow公司就利用SMArtDust項目的成果開發出了名為Mote的智能感測器節點，還有用於研究機構二次開發的MoteWorkTM開發平台。這些產品都很受使用者的歡迎。

無線感測器網路可以看成是由數據獲取網路、數據分布網路和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有感測器、數據處理單元和通信模塊的節點，各節點通過協議自組成一個分布式網路，再將採集來的數據通過優化後經無線電波傳輸給信息處理中心。

因為節點的數量巨大，而且還處在隨時變化的環境中，這就使它有著不同於普通感測器網路的獨特「個性」。首先是無中心和自組網特性。在無線感測器網路中，所有節點的地位都是平等的，沒有預先指定的中心，各節點通過分布式演算法來相互協調，在無人值守的情況下，節點就能自動組織起一個測量網路。而正因為沒有中心，網路便不會因為單個節點的脫離而受到損害。

其次是網路拓撲的動態變化性。網路中的節點是處於不斷變化的環境中，它的狀態也在相應地發生變化，加之無線通信信道的不穩定性，網路拓撲因此也在不斷地調整變化，而這種變化方式是無人能准確預測出來的。

第三是傳輸能力的有限性。無線感測器網路通過無線電波進行數據傳輸，雖然省去了布線的煩惱，但是相對於有線網路，低帶寬則成為它的天生缺陷。同時，信號之間還存在相互干擾，信號自身也在不斷地衰減，諸如此類。不過因為單個節點傳輸的數據量並不算大，這個缺點還是能忍受的。

第四是能量的限制。為了測量真實世界的具體值，各個節點會密集地分布於待測區域內，人工補充能量的方法已經不再適用。每個節點都要儲備可供長期使用的能量，或者自己從外汲取能量(太陽能)。

第五是安全性的問題。無線信道、有限的能量，分布式控制都使得無線感測器網路更容易受到攻擊。被動竊聽、主動入侵、拒絕服務則是這些攻擊的常見方式。因此，安全性在網路的設計中至關重要。

4. 關於無線感測器網路的安全,你認為未來面臨的攻擊主要包 含哪些

根據網路層次的不同，可以將無線感測器網路容易受到的威脅分為四類：

1、物理層：主要的攻擊方法為擁塞攻擊和物理破壞。

2、鏈路層：主要的攻擊方法為碰撞攻擊、耗盡攻擊和非公平競爭。

3、網路層：主要的攻擊方法為丟棄和貪婪破壞、方向誤導攻擊、黑洞攻擊和匯聚節點攻擊。

4、傳輸層：主要的攻擊方法為泛洪攻擊和同步破壞攻擊。

安全需求

由於WSN使用無線通信，其通信鏈路不像有線網路一樣可以做到私密可控。所以在設計感測器網路時，更要充分考慮信息安全問題。

手機SIM卡等智能卡，利用公鑰基礎設施（Public Key Infrastructure，PKI）機制，基本滿足了電信等行業對信息安全的需求。同樣，亦可使用PKI來滿足WSN在信息安全方面的需求。

1、數據機密性

數據機密性是重要的網路安全需求，要求所有敏感信息在存儲和傳輸過程中都要保證其機密性，不得向任何非授權用戶泄露信息的內容。

2、數據完整性

有了機密性保證，攻擊者可能無法獲取信息的真實內容，但接收者並不能保證其收到的數據是正確的，因為惡意的中間節點可以截獲、篡改和干擾信息的傳輸過程。通過數據完整性鑒別，可以確保數據傳輸過程中沒有任何改變。

3、數據新鮮性

數據新鮮性問題是強調每次接收的數據都是發送方最新發送的數據，以此杜絕接收重復的信息。保證數據新鮮性的主要目的是防止重放（Replay）攻擊。

4、可用性

可用性要求感測器網路能夠隨時按預先設定的工作方式向系統的合法用戶提供信息訪問服務，但攻擊者可以通過偽造和信號干擾等方式使感測器網路處於部分或全部癱瘓狀態，破壞系統的可用性，如拒絕服務（Denial of Service，DoS）攻擊。

5、魯棒性

無線感測器網路具有很強的動態性和不確定性，包括網路拓撲的變化、節點的消失或加入、面臨各種威脅等，因此，無線感測器網路對各種安全攻擊應具有較強的適應性，即使某次攻擊行為得逞，該性能也能保障其影響最小化。

6、訪問控制

訪問控制要求能夠對訪問無線感測器網路的用戶身份進行確認，確保其合法性。

5. 無線感測器網路可能採用哪些無線通信方式

基於XL.SN智能感測網路的無線感測器數據採集傳輸系統，可以實現對溫度，壓力，氣體，溫濕度，液位，流量，光照，降雨量，振動，轉速等數據參數的實時採集，無線傳輸，無線監控與預警。在實際應用中，無線感測器數據採集傳輸系統常見的包括深圳信立科技農業物聯網智能大棚環境監控系統，智慧養殖環境監控系統，智慧管網管溝監控系統，倉儲館藏環境監控系統，機房實驗室環境監控系統，危險品倉庫環境監控系統，大氣環境監控系統，智能製造運行過程監控系統，能源管理系統，電力監控系統等。
無線感測器數據採集傳輸系統，比較常用的的無線數據傳輸組網技術包括433MHZ，Zigbee（2.4G），運營商網路(GPRS)等三種方式，其中433MHZ，Zigbee（2.4G）屬於近距離無線通訊技術，並且都使用ISM免執照頻段。運營商網路(GPRS)屬於遠距離無線通訊技術，按數據流量收費。
1、基於Zigbee（2.4G）的智能感測網路
ZigBee的特點是低功耗、高可靠性、強抗干擾性，布網容易，通過無線中繼器可以非常方便地將網路覆蓋范圍擴展至數十倍，因此從小空間到大空間、從簡單空間環境到復雜空間環境的場合都可以使用。但相比於WiFi技術，Zigbee是定位於低傳輸速率的應用，因此Zigbee顯然不適合於高速上網、大文件下載等場合。對於餐飲行業的無線點餐應用，由於其數據傳輸量一般來說都不是很大，因此Zigbee技術是非常適合該應用的。

2、基於433MHz的智能感測網路
433MHz技術使用433MHz無線頻段，因此相比於WiFi和Zigbee，433MHz的顯著優勢是無線信號的穿透性強、能夠傳播得更遠。但其缺點也是很明顯的，就是其數據傳輸速率只有9600bps，遠遠小於WiFi和Zigbee的數據速率，因此433Mhz技術一般只適用於數據傳輸量較少的應用場合。從通訊可靠性的角度來講，433Mhz技術和WiFi一樣，只支持星型網路的拓撲結構，通過多基站的方式實現網路覆蓋空間的擴展，因此其無線通訊的可靠性和穩定性也遜於Zigbee技術。另外，不同於Zigbee和WiFi技術中所採用的加密功能，433Mhz網路中一般採用數據透明傳輸協議，因此其網路安全可靠性也是較差的。

3、基於運營商的智能感測網路
GPRS無線傳輸設備主要針對工業級應用，是一款內嵌GSM/GPRS核心單元的無線Modem，採用GSM/GPRS網路為傳輸媒介，是一款基於移動GSM短消息平台和GPRS數據業務的工業級通訊終端。它利用GSM 移動通信網路的簡訊息和GPRS業務為用戶搭建了一個超遠距離的數據傳輸平台。
標准工業規格設計，提供RS232標准介面，直接與用戶設備連接，實現中英文簡訊功能，彩信功能，GPRS數據傳輸功能。具有完備的電源管理系統，標準的串列數據介面。外觀小巧，軟體介面簡單易用。可廣泛應用於工業簡訊收發、GPRS實時數據傳輸等諸多工業與民用領域。

6. 感測器中，無線感測器網路的定義,目的,起源是什麼呢

無線感測器網路的定義是：由大量、靜止或移動的感測器節點，以自組織和多跳的方式構成的無線網路，目的是以協作的方式感知、採集、處理和傳輸在網路覆蓋區域內被感知對象的信息，並把這些信息發送給用戶。無線感測器網路起源於美國軍方的研究，它具有自組織、無中心、動態性、多跳網路、硬體資源有限、能量受限、大規模網路、以數據為中心的特點，綜合了感測器技術、嵌入式計算技術、網路與通信技術、分布式信息處理技術等多種技術，體現了多個學科的相互融合。

7. 有誰能舉例說明物聯網中的無線感測器網路嗎

舉例1：軍事通信
在現代化戰場上，由於沒有基站等基礎設施可以利用，需要藉助無線感測器網路進行信息交換。無線感測器網路具有密集型、隨機分布等特點，非常適合應用在惡劣的戰場環境，能夠監測敵軍區域內的兵力、裝備等情況，能夠定位目標、監測核攻擊和生物化學攻擊等。無線感測器網路為未來的現代化戰爭設計了一個戰場指揮系統，該系統能夠集監視、偵查、定位、計算、智能、通信、控制和命令於一體，因而受到軍事發達國家的普遍重視。
舉例2：醫療監控
在醫療監控方面，無線感測器網路可以實現對人體生理數據的無線監控、對醫護人員和患者的追蹤、對葯品和醫療設備的監測等。美國英特爾公司目前正在研製家庭護理的無線感測器網路系統，作為美國「應對老齡化社會技術項目」的一項重要內容，無線感測器網路通過在鞋、傢具、家用電器等物體中嵌入半導體感測器，可以幫助老齡人士、阿爾茨海默氏病患者以及殘障人士接受護理，這樣可以減輕護理人員的負擔。

8. 無線感測器網路的優缺點

一、優點

(1) 數據機密性

數據機密性是重要的網路安全需求，要求所有敏感信息在存儲和傳輸過程中都要保證其機密性，不得向任何非授權用戶泄露信息的內容。

(2)數據完整性

有了機密性保證，攻擊者可能無法獲取信息的真實內容，但接收者並不能保證其收到的數據是正確的，因為惡意的中間節點可以截獲、篡改和干擾信息的傳輸過程。通過數據完整性鑒別，可以確保數據傳輸過程中沒有任何改變。

(3) 數據新鮮性

數據新鮮性問題是強調每次接收的數據都是發送方最新發送的數據，以此杜絕接收重復的信息。保證數據新鮮性的主要目的是防止重放(Replay)攻擊。

二、缺點

根據網路層次的不同，無線感測器網路容易受到的威脅：

（1）物理層：主要的攻擊方法為擁塞攻擊和物理破壞。

（2）鏈路層：主要的攻擊方法為碰撞攻擊、耗盡攻擊和非公平競爭。

（3）網路層：主要的攻擊方法為丟棄和貪婪破壞、方向誤導攻擊、黑洞攻擊和匯聚節點攻擊。

（4）傳輸層：主要的攻擊方法為泛洪攻擊和同步破壞攻擊。

(8)根據生理無線感測器網路擴展閱讀：

一、相關特點

（1）組建方式自由。

無線網路感測器的組建不受任何外界條件的限制，組建者無論在何時何地，都可以快速地組建起一個功能完善的無線網路感測器網路，組建成功之後的維護管理工作也完全在網路內部進行。

（2）網路拓撲結構的不確定性。

從網路層次的方向來看，無線感測器的網路拓撲結構是變化不定的，例如構成網路拓撲結構的感測器節點可以隨時增加或者減少，網路拓撲結構圖可以隨時被分開或者合並。

（3）控制方式不集中。

雖然無線感測器網路把基站和感測器的節點集中控制了起來，但是各個感測器節點之間的控制方式還是分散式的，路由和主機的功能由網路的終端實現各個主機獨立運行，互不幹涉，因此無線感測器網路的強度很高，很難被破壞。

（4）安全性不高。

無線感測器網路採用無線方式傳遞信息，因此感測器節點在傳遞信息的過程中很容易被外界入侵，從而導致信息的泄露和無線感測器網路的損壞，大部分無線感測器網路的節點都是暴露在外的，這大大降低了無線感測器網路的安全性。

二、組成結構

無線感測器網路主要由三大部分組成，包括節點、感測網路和用戶這3部分。其中，節點一般是通過一定方式將節點覆蓋在一定的范圍，整個范圍按照一定要求能夠滿足監測的范圍。

感測網路是最主要的部分，它是將所有的節點信息通過固定的渠道進行收集，然後對這些節點信息進行一定的分析計算，將分析後的結果匯總到一個基站，最後通過衛星通信傳輸到指定的用戶端，從而實現無線感測的要求。

9. 基於Zigbee的遠程家庭監護系統的應用研究

無線感測器網路是由大量的感測器節點採用無線自組織方式構成的網路 其應用前景廣闊[ ][ ] Zigbee技術是一種具有統一技術標準的短距離無線通信技術 其PHY層和MAC層協議基於IEEE ． ． 協議標准 該標准把低能耗 低成本作為重要目標 主要應用於低速傳輸 可以作為無線感測器網路的通信協議

隨著社會老齡化的加劇 解決長期慢性病的監護成為重要的社會問題 一些突發性疾病和家庭保健 如心血管疾病 老人的日常護理 孕婦 胎兒 嬰兒 幼兒的保健也需要長期的家庭監護 由於我國醫療資源緊缺 研究基於公用網路的家庭醫療監護 建立小區醫療網路 可以提高醫療服務水平 減輕病人負擔 以往的解決方案是採用有線方式或簡單的無線數據發射接收方式 被監護者身上安裝的感測設備難以自由靈活地移動和接入 系統沒有擴展性 成本高 Zigbee 技術的出現為感測器信號的無線傳輸提供了新的解決方案 Zigbee節點有幾十米的覆蓋范圍 且可以增加路由節點 擴展覆蓋范圍 因此適用於家庭住宅 同時由於生理監護信號的數據傳輸流量不大 傳輸速率為 kbps的Zigbee能夠滿足生理數據傳輸要求 Zigbee感測節點可自由靈活地加入和離開網路 具有低功耗和低成本的特點

Zigbee無線感測器網路的上述特點使其在個人生理信號監測和遠程家庭監護方面將有很好的應用前景 本文在分析Zigbee無線感測器網路技術的基礎上 對其在移動監護的應用進行了研究

基於Zigbee的無線網路家庭監護系統架構

． 遠程家庭監護系統對網路的要求

家庭監護網路需要考慮能耗 覆蓋面 傳輸速率和互聯網進行通信等因素 本研究採用基於Zigbee技術的無線網路實現在室內對生理信號的採集 通過互聯網將生理數據傳輸到遠程監護伺服器 人體攜帶可移動生理信號感測器終端 在網路的可覆蓋范圍內活動 通過網路內的路由節點接入互聯網 Zigbee網路具有自組織 動態路由 網路節點少等特點 同時Zigbee網路考慮了節點的能量節約 減少節點處理器的計算負擔等問題 醫院或社區的醫生可以隨時通過互聯網查看患者的生理信息 可以對生理感測器的採集方式進行控制 同時也可以獲得無線網路中其他監護設備的信息

． 網路拓撲結構

IEEE ． ． 協議的網路拓撲結構有三種類型 星形結構 網格狀結構和族狀結構．如圖 所示 其中網格狀結構和族狀結構屬於點對點的結構 在 ． ． 網路中 根據設備所具有的通信能力可以分為全功能設備(FFD)和精簡功能設備(fIFD) FFD設備之間以及FFB設備與RFD設備之間可以直接通信 RFD之間不能直接通信 在IEEE ． + 網路中 有一個稱為PAN網路協調器的FFD設備 是感測器網路中的主控制器 每個網路僅有一個主控制器 網路協調器除了直接參與應用以外 還要完成成員的身份管理 鏈路狀態信息管理以及分組轉發等功能[ ][ ]

星形網路中所有節點都與中心協調器通信 節點間不能直接通信 中心節點的能量消耗大 適合於網路節點較少 網路結構簡單 小范圍的網路應用 而點對點網路中只要通信雙方都在其輻射范圍之內 任何兩個設備之間都可以通信 點對點網路中的協調器主要負責實現管理鏈路狀態信息 認證設備身份等功能 點對點網路支持Ad Hoc網路 且可以構造更復雜的網路結構

在家庭監護系統中 被監護對象可能在多個房間內活動 為了能隨時擴大覆蓋范圍 且方便以後功能擴展 選用族狀網路拓撲結構 在與互聯網的連接方面 建立zi鹵ee無線網路與乙太網的網橋 將監護信息傳送到監控伺服器 實現監護信息的共享

家庭監護網路體系結構

基於上述分析 本文設計的遠程家庭監護網路體系結構如圖 所示 Zigbee無線系統主要由Zigbee無線感測器節點(脈搏感測器節點) 若干個具有路由功能的無線節點和zigbee中心網路協調器(連接家庭無線網橋)組成 無線網橋連接zigbee無線網路與乙太網 是家庭無線網路的核心部分 負責無線感測器網路節點和設備節點的管理 圖中A B C D為具有路由功能的FFD節點 感測器節點與路由節點自主形成一個多跳的網路

脈搏感測器節點可以通過A B C D節點向網關發送數據 由於被監護者在家庭內自由活動 所以其攜帶的感測器節點的路由可能是動態變化的 所設計的 Zigbee無線節點的室內通信距離為 ～ m A B C D節點可根據房間的分布進行布置 以能夠最大程度地覆蓋活動區域 脈搏生理數據經過家庭網關傳輸到遠程監護伺服器 遠程監護伺服器負責脈搏生理數據的實時採集 顯示和保存 其他的監護信息如監護圖像 安全設備狀態等也可以傳輸到伺服器 醫院監護中心和醫生可以登錄監護伺服器查看被監護者的生理信息．也可以遠程式控制制家庭Zigbee無線網路中的感測器和設備 從而在被監護病人出現異常時 能及時檢測到並採取搶救措施 被監護者的親屬等也可以登錄監護伺服器隨時了解被監護者的健康狀況

Zigbee家庭無線網路監護系統硬體結構

對於感測器節點 需要具有小尺寸 低功耗 適應性強的特點 根據 Zigbee協議標准 Zigbee設備發射輸出為 ~ ． dbm 通信距離為 ~ m 能夠檢測能量和鏈路質量 根據這些檢測結果 可自動調整設備的發射功率 在保證通信鏈路質量的條件下 最小地消耗設備能量 目前市場上的無線發射 接收晶元典型的有Chipcon公司和Freeseale公司的產品 本文選用Freescale的 作為系統的射頻晶元 此晶元可以結合Freescale公司的控制器GT 一起組成低功耗的無線模塊 無線感測器節點的結構框圖如圖 所示

由於無線感測器具有隨身攜帶要求 因此採用紐扣電池 脈搏感測器採用PVDF壓電薄膜 其輸出阻抗很大 由調理電路實現信號放大和濾波 設計時考慮到高頻電路對感測器信號的干擾 感測器調理電路與高頻發射接收部分分開設計 天線設計是無線模塊設計的關鍵 直接影響到感測器節點的通信質量和通信距離 可以參照常用的 ． GHz天線的設計方法 本設計採用偶極子微帶PCB板天線 所有銅箔的走線均採用微帶傳輸線的原理 以減少反射引起的傳輸損耗 獲得較大的輸出功率和較高的接收靈敏度

家庭網關負責家庭無線感測器網路的控制和管理 實現信息的融合處理 並將信息傳輸到互聯網 家庭網關的數據傳輸和運算量較大 並且可以採用外部電力作為電源供應 因此採用具有較強的信息處理能力和網路功能的arm 系列作為控制器 本文採用三星的S C 作為控制器 無線發射晶元採用 Freeseale的MCl 無線控制器晶元採用GT 兩者通過SPI口通信 無線網關的硬體結構如圖 所示

Zigbee無線網路軟體系統

Zigbee協議棧由一系列分層結構組成 每一層為上一層提供服務 數據實體提供數據傳輸服務 管理實體提供其他功能服務 每種服務實體通過服務接入點CsAP)為上層提供介面 基於Zigtme網路軟體分層結構如圖 所示

PHY層和MAC層由IEEE ． ． 標准組制定 物理層定義了物理無線信道和MAC子層之間的介面 提供物理層數據服務和物理層管理服務 物理層數據服務從無線信道上收發數據 物理管理層維護一個由物理層相關數據組成的資料庫

Zigbee聯盟基於 ． ． 標准提供了網路層和應用支持層及應用層框架 Zigbee網路層提供加入和離開網路機制 對數據進行加密以及幀路由等功能 路由協議負責將數據分組從源節點通過網路轉發到目的節點 主要完成兩個功能 ( )尋找源節點和目的節點間的優化路徑 ( )將數據分組沿著優化路徑轉發 為了能夠高效利用能量 減少通信量 Zigbee網路允許樹形路由選擇 即樹形結構選址 有了樹形路由選擇 設備不必保存佔有龐大內存的路由表或者進行額外的空中下載操作來發現路徑 從而減小了網路流量 為避免錯誤信息超過一定長度的過渡路由而產生額外的流量 Zigbee路由允許路由器去發現捷徑

路由演算法採用AODV(Ad hoc On Demand Distance Vetor)演算法 每個路由器維護一張路由表 並定期與其鄰居路由器交換路由信息 根據最小路由矢量更新自己的路由表 應用層框架定義監護網路節點協議

無線網關連接內部無線網路與外部有線乙太網 網關設計模型如圖 所示 網關採用arm 系列實現 運行Linux操作系統 在Zigbee協議幀的基礎上 建立無線阿關的通信協議 包括設備編號 數據流方向 數據信息等 開機上電後．系統自檢 硬體初始化 與遠程監護伺服器連接後進入數據流中繼服務 實現數據協議的轉換等功能 遠程伺服器接受連接後 隨時接收傳輸的數據．並根據需要分類保存到資料庫伺服器

實驗結果分析

根據設計的zigbee無線監護網路平台 對人體隨身攜帶的脈搏壓力信號進行連續採集 並在監護伺服器上實時顯示 採用 位A/D轉換器 數據采樣頻率 Hz 有線網路環境為校園區域網 採集數據的波形如圖 所示 圖 為投有使用網路傳輸 直接經過計算機採集的脈搏信號的波形曲線 采樣頻率為 Hz

通過對比圖 和圖 可以看出 經過家庭監護網路採集到的脈搏數據信號波形基本沒有變形 只是網路的延時使信號產生了微小的抖動 當系統接入互聯網 延時會加大 抖動更加明顯 通過增加緩沖區等方法可以減小影響網路延時對實時信號採集 另一方面 由於人體的活動也會給信號帶來很大的干擾．可進一步採取濾波等措施減小干擾