一种基于Zigbee技术的家用无线网络平台

引言

Zigbee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。Zigbee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个Zigbee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

研究一种基于Zigbee技术的家用无线网络平台，分析Zigbee网络协议，探讨用Zigbee技术构建家用无线网络的关键问题对网络拓扑结构，网络路由算法和网络采样策略等问题进行讨论，并提出了解决方案，通过构建的家用无线网络对脉搏信号进行监护实验。结果表明，基于Zigbee技术构建的家用无线网络是可行的，用ZigBee技术组成的无线传感器网络结构简单、体积小、性价比高、放置灵活、扩展简便、成本低、功耗低、安全可靠，这种新兴的无线传感器网络必将有广泛的应用前景。

一、家居智能化的研究

随着计算机技术、通信技术、控制技术的发展和人们物质生活水平的提高，家居智能化的研究成为国内外的一个研究热点。

所谓的家庭智能化就是通过家居智能管理系统的设施来实现家庭安全、舒适、信息交互与通信的能力。家居智能化系统由如下三个方面组成：（1）家庭安全防范（HS）；（2）家庭设备自动化（HA）；（3）家庭通讯（HC）。

与此同时，随着我国老龄化社会的加剧，通过易组织，低成本，高效率的家庭智能化网络实现长期的家庭监护，对提高人们生活质量，减少医疗费用也具有重要意义。为此，提出了基于共享控制的家庭监护系统。采用共享控制的家庭智能监护系统。

家庭设备信息和人体信息如脑电波、脉搏信息等通过无线网络发射，经家庭网络路由传送到互联网上的专用服务器中。家属或医院可在世界上任何地方，通过计算机调查服务器中所记录的人体活动和设备的情况。这样做不但能实时地得到当前的活动情况，通过指令控制家居中的设备，还能调查任一时段内的历史信息及变化倾向，为正确、及时进行医疗监护提出建议和措施。

以前针对智能家居研究的网络构建采用的无线方式有射频（RF）技术，IEEE802.11及蓝牙技术等。但这些技术都没有完全满足家庭网络易组织、低成本、低功耗等要求。Zigbee协议是一种基于IEEE80215.4标准的无线协议，主要应用于低通信速率，低功耗设备的组网。该通信设备支持250kbit/s的数据传输速率，可以实现l点对多点的快速组网。鉴于Zigbee无线网络的上述特点，可将其用于构建家用无线网络平台。

二、Zigbee网络协议

ZigBee技术是一个具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其PHY层和MAC层协议为IEEE802.15.4协议标准。本文提出的无线传感器网络工作在通用的ISM（Industrial,Scientific and Medica1）免付费频段2.4GHz上，其数据传输速率为250Kb/s,划分为16个信道。与蓝牙或802.11b等同属短距离无线通信技术相比，ZigBee技术具有先天的优势。ZigBee设备为低功耗设备，具有能量检测和链路质量指示的功能。同时，由于采用了碰撞避免机制（CSMA—CA），避免了发送数据时的冲突。在网络安全方面，采用了密钥长度为128位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理，保证了数据传输时的高可靠性和安全性。

Zigbee网络协议栈采用开放系统互连模型（OSI）。每一层都实现一部分通信功能。并向高层提供服务。IEEE802.15.4标准只定义了PHY层和数据链路层的MAC子层PHY层由射频收发器以及底层的控制模块构成MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口。ZigbeeAlliance定义了网络层、应用层与安全层规范。NWK负责网络层工作，使用IEEE802.15.4MAC所提供的服务完成工作，并提供数据收发与管理服务供上层协议调用NWK之上的APS，ZDO应用框架与应用对象等都属于应用支持层（APL）。APS使用NWK所提供的数据进行传输服务。

APS是依据CPU的负载自动调整CPU的供电相数。CPU供电电路是主板的耗电大户，除了要为CPU提供平稳充足的电能外，MOSFET自身也会白白消耗电能。所以APS要依据CPU负载调整供电工作的相数，关闭不需要工作的供电相，每一相可以节省4瓦。

APS的重要功能是多路选择，提供上层应用程序使用网络数据传输服务的Endpoint（如同TCP/IP的socket）匹配网络地址，这样在两个通信端点间能让多个应用程序循环使用APSZDO则是整个Zigbee网络设备的控制中心，它使用NWK与APS提供的管理服务，并匹配Zigbeedeviceprofile（ZDP）规范。

Zigbee网络支持3种类型拓扑结构：星形结构，网格状结构和族状结构。其中网格状和族状结构属于点对点的结构星形网络中，所有节点都与中心协调器通信，节点间不能直接通信而点对点网络中的节点彼此都在其辐射范围之内，任何两个设备之间都可以通信。

三、技术问题的解决办法

1、网络拓扑结构的选择

Zigbee协议支持的3种网络拓扑结构（网型、树型、星型拓扑）中，星形拓扑网络简单。每个被监控设备可以作为精简设备终端连接入网，节省能量，计算量小。在家庭监护系统中，设备可能分布在多个房间，被监护对象也可能在多个房间中活动，而星形网络中节点的无线通信范围很小（几十米），网络覆盖范围有限，不利于网络功能的扩展。

如果一个网络只连接几台设备，简单的方法是将它们都直接相连在一起，这种连接称为点对点连接。用这种方式形成的网络称为全互连网络，也就是网状网络。网状网络中的每个节点都可以作为路由节点，因此，原节点的数据流可以通过多个路径到达网络控制点。如果某一个节点与网络断开，数据流可以选择另一条路径进行传输，因此具有较强的健壮性。但网络中的设备都需是全功能设备，能量消耗大；同时，网络中数据流的路由节点增加了网络的延时。

树状结构是一个或多个节点的有限集合，它结合了星形结构和网状结构的优点。为了节省能量，监控设备和生理数据采集终端可以作为网络中的端节点，结构节点少。同时协调器可以作为网络控制器采集网络中的数据。网络具有可扩展性，可以增加路由节点，扩展覆盖范围，因此该家用无线网络采用族状网络拓扑结构。

2、网络路由协议的设计

无线传感器网络是由多个无线网络传感器构成，这些传感器集传感器执行、控制器和通信装置于一体，集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身的资源受限的嵌入式设备。由这些微型传感器构成的无线传感器网络能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象信息，并对这些信息进行处理，传送给需要这些信息的用户。

以ZigBee为代表的低速率无线局域网与IEEE 802.15.4标准相结合，实现无线传感器网络WSN和Internet的互通，是WSN的发展方向。通过对ZigBee和IEEE 802.15.4的分析研究，并针对IEEE 802.15.4规范规定的物理帧、MAC帧的具体格式，进行了仿真关联平台的设计，为ZigBee/IEEE 802.15.4网络设计打下了坚实的基础。ZigBee网络的应用配置、性能分析和改进优化等，也是今后研究的方向。

路由协议直接关系到无线网络的性能。路由协议设计的首要问题是要求其计算复杂度小，能耗小。其次由于被监护对象的移动性，网络拓扑的结构可能发生改变，因此要能满足动态路由的要求。

Zigbee支持Cluster-tree，AODVjr及两者的混合模式等路由算法。AODVjr算法是针对AODV算法的改进，以达到计算量小及节能的目的，但算法较复杂，Cluster-tree算法适合树状拓扑结构。

Lm为网络深度，Cm为的子节点数，Rm为子节点中的路由节点数。

式中：n为父节点地址；R为子节点序号1～Cm.

假设某个节点的地址是N，目标节点的地址是D，Cluster-tree路由算法如下：

①如果待传输数据的目的节点地址是本身地址，将数据包交上层处理，否则转②。

②如果待传输数据的目标节点是自己的邻居节点（路由表中有路由信息），直接发送数据给邻居节点，否则转③。

③判断并转发子节点或父节点地址。

如果D>N并且 ，将 数据包转发给父节点；

如果D>N且D≤ ，将数据包转发给地址为的子节点。

家用无线网络大多数节点是静止的，移动节点较少，可采用族状拓扑结构。家庭网络环境较好，链路稳定，节点干扰少，可以采用Cluster-tree算法作为其路由协议。这样，网络节点就不需要保存大量的路由信息，节省内存，计算复杂度低，能耗小。具体设计时，由于家庭监护网络属于小型网络，网络节点少，可以设定较少的网络层次，以减少路由计算时间。

3、数据采样策略

为提高大规模数据集生成树的准确率，提出一种预生成一棵基于这个数据集的决策树，采用广度优先遍历将其划分为满足预定义的限制的数据集，再对各数据集按照一定比例进行随机采样，将采样结果整合为目标数据集的数据采样方法。通过对一UCI数据集进行采样，并用现有决策树算法实验证明，该采样方法优于传统随机采样方法，基于该采样方法的生成树准确率有所提高。

设备状态及发送速率较低的数据信息对无线网络的性能要求较低，基于Zigbee技术构建的无线网络可以满足数据传输的带宽要求和实现节点的节能。由于生理信号的传输是连续传输，因此需要考虑生理数据的采样速率对能源消耗和网络负载的影响。

当需要发送数据帧时，要通过网络协议栈的每一层进行封装，其中应用层的数据帧要小于80B.生理信号一般都属于低频信号（脉搏信号的有效频率都在10Hz以下），在保证信号不失真的情况下，尽量用低采样频率，以减少数据传输量。同时，可以对采集的生理信号进行缓存打包，一起发送，以提高数据的发送效率，减少网络节点的能量消耗。

四、实现家用无线网络

所构建的家庭监护网络结构所示网络拓扑结构采用族状结构，设置Cm=2，Lm=2.无线网络有一个网络协调器（coordinator）。负责无线网络的建立和网络状态管理。网络协调器通过串口与PC机相连，将采集到的脉搏信号传输到计算机，以便对脉搏信号进行实时分析；其他无线节点可以连接家用设备，实现对它们的控制；将监护信息传输到网络监护服务器。可实现监护信息的共享。

无线节点采用Freescale公司的微控制器GT60和无线收发芯片MCl3192.无线网络节点的组成结构框。GT60与MCl3192之间通过CPI口进行通信。

设计时应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可分开设计。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了偶极子微带PCB板天线，所有铜箔走线均采用微带传输线的原理。以减少发射引起的传输损耗，获得了比较大的输出功率和较高的接收灵敏度。GT60和MCl3192的供电电压都是3V，系统可以采用纽扣电池供电其他节点的设计与脉搏传感无线节点的设计相似。

网络控制器和脉搏传感节点的应用程序流程。

五、测试验证家用无线网络的可行性

应用构建的家庭无线网络平台，对被监护者的脉搏信号进行实时测试采样频率是150Hz，采用8位的A/D转换器，该家用无线网络可以正确地对脉搏信号进行采集。测试过程中，无线网络能够连续正常工作。为了测试网络的丢包率，每隔10ms发送一个数据包，连续发送1000个数据包，丢失的数据包数除以总发送的数据包数得到丢包率；连续测量10次，求平均值。测得的丢包率与传感节点与中心节点的距离的关系。

在点对点的距离小于10m时。丢包率小于1％，可以通过应用层设置重传机制进一步降低丢包率，点对点通信距离为20～30m.传感节点的电池可以连续工作3～5d.实验验证了构建的家用无线网络进行脉搏信号监护的可行性。系统进一步扩展，可实现其他生理信号的无线监护。