無線感測網路與zigbee

1. 基於zigbee的無線感測器網路的組成結構是怎樣的

無線感測器網路（WSN,WirelessSensorNetwork）採用微小型的感測器節點獲取信息，節點之間具有自動組網和協同工作能力，網路內部採用無線通信方式，採集和處理網路中的信息，發送給觀察者。目前WSN使用的無線通訊技術過於復雜，非常耗電，成本很高。而ZigBee是一種短距離、低成本、低功耗、低復雜度的無線網路技術，在無線感測器網路應用領域極具發展潛力。

2. 什麼是zigbee無線感測網路

ZigBee是一種技術，無線感測網路（WSN）是一個系統架構，這個架構可以基於ZigBee這項技術來實現的。無線感測網路當然也可以以其他無線通信的方式實現，比如wifi、藍牙等。

3. zigbee是由哪幾部分組成的核心是什麼

zigbee是由物聯網、感測器、無線感測器網路、Zigbee四部分組成。核心部分是zigbee。
ZigBee是基於IEEE802.15.4標準的低功耗區域網協議。根據國際標准規定，ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱（又稱紫蜂協議）來源於蜜蜂的八字舞，由於蜜蜂(bee)是靠飛翔和「嗡嗡」(zig)地抖動翅膀的「舞蹈」來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網路。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率。主要適合用於自動控制和遠程式控制制領域，可以嵌入各種設備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網通訊技術。ZigBee是一種低速短距離傳輸的無線網路協議。ZigBee協議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網路層(NWK)、應用層(APL)等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標準的規定。

4. 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

5. 物聯網的關鍵技術

物聯網的關鍵技術主要包括：無線感測器網路、ZigBee、M2M技術、RFID技術、NFC技術、低能耗藍牙技術。

1、無線感測器網路：無線感測器網路(Wireless Sensor Networks,WSN)是一種分布式感測網路，它的末梢是可以感知和檢查外部世界的感測器。

WSN中的感測器通過無線方式通信，因此網路設置靈活，設備位置可以隨時更改，還可以跟互聯網進行有線或無線方式的連接。通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網路。

2、ZigBee：ZigBee，也稱紫蜂，是一種低速短距離傳輸的無線網上協議，底層是採用IEEE 802.15.4標准規范的媒體訪問層與物理層。主要特色有低速、低耗電、低成本、支持大量網上節點、支持多種網上拓撲、低復雜度、快速、可靠、安全。

3、M2M技術：M2M全稱Machine to Machine，是指數據從一台終端傳送到另一台終端，也就是機器與機器的對話。

M2M應用系統構成有智能化機器、M2M硬體、通信網路、中間件。M2M應用領域有、家庭應用領域、工業應用領域、零售和支付領域、物流運輸行業、醫療行業。

4、RFID技術：無線射頻識別即射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID），是自動識別技術的一種，通過無線射頻方式進行非接觸雙向數據通信。

利用無線射頻方式對記錄媒體（電子標簽或射頻卡）進行讀寫，從而達到識別目標和數據交換的目的，其被認為是21世紀最具發展潛力的信息技術之一。

5、NFC技術：NFC英文全稱Near Field Communication，近距離無線通信。與RFID一樣，NFC信息也是通過頻譜中無線頻率部分的電磁感應耦合方式傳遞，但兩者之間還是存在很大的區別。

首先，NFC是一種提供輕松、安全、迅速的通信的無線連接技術，其傳輸范圍比RFID小，RFID的傳輸范圍可以達到幾米、甚至幾十米，但由於NFC採取了獨特的信號衰減技術，相對於RFID來說NFC具有距離近、帶寬高、能耗低等特點。

其次，NFC與現有非接觸智能卡技術兼容，已經成為得到越來越多主要廠商支持的正式標准。

6、低能耗藍牙技術：藍牙低能耗（Bluetooth Low Energy，或稱Bluetooth LE、BLE，舊商標Bluetooth Smart）也稱低功耗藍牙，是藍牙技術聯盟設計和銷售的一種個人區域網技術，旨在用於醫療保健、運動健身、信標、安防、家庭娛樂等領域的新興應用。

相較經典藍牙，低功耗藍牙旨在保持同等通信范圍的同時顯著降低功耗和成本。