无线传感网络与zigbee

1. 基于zigbee的无线传感器网络的组成结构是怎样的

无线传感器网络（WSN,WirelessSensorNetwork）采用微小型的传感器节点获取信息，节点之间具有自动组网和协同工作能力，网络内部采用无线通信方式，采集和处理网络中的信息，发送给观察者。目前WSN使用的无线通讯技术过于复杂，非常耗电，成本很高。而ZigBee是一种短距离、低成本、低功耗、低复杂度的无线网络技术，在无线传感器网络应用领域极具发展潜力。

2. 什么是zigbee无线传感网络

ZigBee是一种技术，无线传感网络（WSN）是一个系统架构，这个架构可以基于ZigBee这项技术来实现的。无线传感网络当然也可以以其他无线通信的方式实现，比如wifi、蓝牙等。

3. zigbee是由哪几部分组成的核心是什么

zigbee是由物联网、传感器、无线传感器网络、Zigbee四部分组成。核心部分是zigbee。
ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称（又称紫蜂协议）来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。

4. 基于Zigbee的远程家庭监护系统的应用研究

无线传感器网络是由大量的传感器节点采用无线自组织方式构成的网络 其应用前景广阔[ ][ ] Zigbee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术 其PHY层和MAC层协议基于IEEE ． ． 协议标准 该标准把低能耗 低成本作为重要目标 主要应用于低速传输 可以作为无线传感器网络的通信协议

随着社会老龄化的加剧 解决长期慢性病的监护成为重要的社会问题 一些突发性疾病和家庭保健 如心血管疾病 老人的日常护理 孕妇 胎儿 婴儿 幼儿的保健也需要长期的家庭监护 由于我国医疗资源紧缺 研究基于公用网络的家庭医疗监护 建立小区医疗网络 可以提高医疗服务水平 减轻病人负担 以往的解决方案是采用有线方式或简单的无线数据发射接收方式 被监护者身上安装的传感设备难以自由灵活地移动和接入 系统没有扩展性 成本高 Zigbee 技术的出现为传感器信号的无线传输提供了新的解决方案 Zigbee节点有几十米的覆盖范围 且可以增加路由节点 扩展覆盖范围 因此适用于家庭住宅 同时由于生理监护信号的数据传输流量不大 传输速率为 kbps的Zigbee能够满足生理数据传输要求 Zigbee传感节点可自由灵活地加入和离开网络 具有低功耗和低成本的特点

Zigbee无线传感器网络的上述特点使其在个人生理信号监测和远程家庭监护方面将有很好的应用前景 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

基于Zigbee的无线网络家庭监护系统架构

． 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

． 网络拓扑结构

IEEE ． ． 协议的网络拓扑结构有三种类型 星形结构 网格状结构和族状结构．如图 所示 其中网格状结构和族状结构属于点对点的结构 在 ． ． 网络中 根据设备所具有的通信能力可以分为全功能设备(FFD)和精简功能设备(fIFD) FFD设备之间以及FFB设备与RFD设备之间可以直接通信 RFD之间不能直接通信 在IEEE ． + 网络中 有一个称为PAN网络协调器的FFD设备 是传感器网络中的主控制器 每个网络仅有一个主控制器 网络协调器除了直接参与应用以外 还要完成成员的身份管理 链路状态信息管理以及分组转发等功能[ ][ ]

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 建立zi卤ee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

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 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 ～ m 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

Zigbee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 ~ ． dbm 通信距离为 ~ m 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Freeseale公司的产品 本文选用Freescale的 作为系统的射频芯片 此芯片可以结合Freescale公司的控制器GT 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 所示

由于无线传感器具有随身携带要求 因此采用纽扣电池 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 ． GHz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网络功能的arm 系列作为控制器 本文采用三星的S C 作为控制器 无线发射芯片采用 Freeseale的MCl 无线控制器芯片采用GT 两者通过SPI口通信 无线网关的硬件结构如图 所示

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 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CsAP)为上层提供接口 基于Zigtme网络软件分层结构如图 所示

PHY层和MAC层由IEEE ． ． 标准组制定 物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口 提供物理层数据服务和物理层管理服务 物理层数据服务从无线信道上收发数据 物理管理层维护一个由物理层相关数据组成的数据库

Zigbee联盟基于 ． ． 标准提供了网络层和应用支持层及应用层框架 Zigbee网络层提供加入和离开网络机制 对数据进行加密以及帧路由等功能 路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点 主要完成两个功能 ( )寻找源节点和目的节点间的优化路径 ( )将数据分组沿着优化路径转发 为了能够高效利用能量 减少通信量 Zigbee网络允许树形路由选择 即树形结构选址 有了树形路由选择 设备不必保存占有庞大内存的路由表或者进行额外的空中下载操作来发现路径 从而减小了网络流量 为避免错误信息超过一定长度的过渡路由而产生额外的流量 Zigbee路由允许路由器去发现捷径

路由算法采用AODV(Ad hoc On Demand Distance Vetor)算法 每个路由器维护一张路由表 并定期与其邻居路由器交换路由信息 根据最小路由矢量更新自己的路由表 应用层框架定义监护网络节点协议

无线网关连接内部无线网络与外部有线以太网 网关设计模型如图 所示 网关采用arm 系列实现 运行Linux操作系统 在Zigbee协议帧的基础上 建立无线阿关的通信协议 包括设备编号 数据流方向 数据信息等 开机上电后．系统自检 硬件初始化 与远程监护服务器连接后进入数据流中继服务 实现数据协议的转换等功能 远程服务器接受连接后 随时接收传输的数据．并根据需要分类保存到数据库服务器

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 位A/D转换器 数据采样频率 Hz 有线网络环境为校园局域网 采集数据的波形如图 所示 图 为投有使用网络传输 直接经过计算机采集的脉搏信号的波形曲线 采样频率为 Hz

通过对比图 和图 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

5. 物联网的关键技术

物联网的关键技术主要包括：无线传感器网络、ZigBee、M2M技术、RFID技术、NFC技术、低能耗蓝牙技术。

1、无线传感器网络：无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。

WSN中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。

2、ZigBee：ZigBee，也称紫蜂，是一种低速短距离传输的无线网上协议，底层是采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体访问层与物理层。主要特色有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。

3、M2M技术：M2M全称Machine to Machine，是指数据从一台终端传送到另一台终端，也就是机器与机器的对话。

M2M应用系统构成有智能化机器、M2M硬件、通信网络、中间件。M2M应用领域有、家庭应用领域、工业应用领域、零售和支付领域、物流运输行业、医疗行业。

4、RFID技术：无线射频识别即射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID），是自动识别技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信。

利用无线射频方式对记录媒体（电子标签或射频卡）进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的，其被认为是21世纪最具发展潜力的信息技术之一。

5、NFC技术：NFC英文全称Near Field Communication，近距离无线通信。与RFID一样，NFC信息也是通过频谱中无线频率部分的电磁感应耦合方式传递，但两者之间还是存在很大的区别。

首先，NFC是一种提供轻松、安全、迅速的通信的无线连接技术，其传输范围比RFID小，RFID的传输范围可以达到几米、甚至几十米，但由于NFC采取了独特的信号衰减技术，相对于RFID来说NFC具有距离近、带宽高、能耗低等特点。

其次，NFC与现有非接触智能卡技术兼容，已经成为得到越来越多主要厂商支持的正式标准。

6、低能耗蓝牙技术：蓝牙低能耗（Bluetooth Low Energy，或称Bluetooth LE、BLE，旧商标Bluetooth Smart）也称低功耗蓝牙，是蓝牙技术联盟设计和销售的一种个人局域网技术，旨在用于医疗保健、运动健身、信标、安防、家庭娱乐等领域的新兴应用。

相较经典蓝牙，低功耗蓝牙旨在保持同等通信范围的同时显着降低功耗和成本。