主頁（http://www.130131.com）：基于Zigbee技術(shù)構(gòu)建家用無線網(wǎng)絡(luò)

    本文研究一種基于Zigbee技術(shù)的家用無線網(wǎng)絡(luò)平臺.分析了Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，探討了用Zigbee技術(shù)構(gòu)建家用無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)路由算法和網(wǎng)絡(luò)采樣策略等問題進(jìn)行了討論并提出了解決方案通過構(gòu)建的家用無線網(wǎng)絡(luò)對脈搏信號進(jìn)行監(jiān)護(hù)實驗.結(jié)果表明，基于Zigbee技術(shù)構(gòu)建的家用無線網(wǎng)絡(luò)是可行的，該無線網(wǎng)絡(luò)在家庭監(jiān)護(hù)中將有廣闊的應(yīng)用前景.

    隨著計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)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(luò)實現(xiàn)長期的家庭監(jiān)護(hù)，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(hù)系統(tǒng).圖1是采用共享控制的家庭智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)示意圖.

    家庭設(shè)備信息和人體信息如腦電波、脈搏信息等通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射，經(jīng)家庭網(wǎng)絡(luò)路由傳送到互聯(lián)網(wǎng)上的專用服務(wù)器中.家屬或醫(yī)院可在世界上任何地方，通過計算機(jī)調(diào)查服務(wù)器中所記錄的人體活動和設(shè)備的情況.這樣做不但能實時地得到當(dāng)前的活動情況，通過指令控制家居中的設(shè)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(jìn)行醫(yī)療監(jiān)護(hù)提出建議和措施.

    以前針對智能家居研究的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建采用的無線方式有射頻(RF)技術(shù)，IEEE802.11及藍(lán)牙技術(shù)等.但這些技術(shù)都沒有完全滿足家庭網(wǎng)絡(luò)易組織、低成本、低功耗等要求.Zigbee協(xié)議是一種基于IEEE80215.4標(biāo)準(zhǔn)的無線協(xié)議，主要應(yīng)用于低通信速率，低功耗設(shè)備的組網(wǎng).該通信設(shè)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(luò)的上述特點，可將其用于構(gòu)建家用無線網(wǎng)絡(luò)平臺.

l、Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簡析
    Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧采用開放系統(tǒng)互連模型(OSI).如圖2所示.每一層都實現(xiàn)一部分通信功能.并向高層提供服務(wù).IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)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(wù)接口.ZigbeeAlliance定義了網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層與安全層規(guī)范.NWK負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層工作，使用IEEE802.15.4MAC所提供的服務(wù)完成工作，并提供數(shù)據(jù)收發(fā)與管理服務(wù)供上層協(xié)議調(diào)用NWK之上的APS，ZDO應(yīng)用框架與應(yīng)用對象等都屬于應(yīng)用支持層(APL).APS使用NWK所提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸服務(wù).

    多路選擇是APS的重要功能，提供上層應(yīng)用程序使用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的Endpoint(如同TCP/IP的socket)匹配網(wǎng)絡(luò)地址，這樣在兩個通信端點間能讓多個應(yīng)用程序循環(huán)使用APSZDO則是整個Zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制中心，它使用NWK與APS提供的管理服務(wù)，并匹配Zigbeedeviceprofile(ZDP)規(guī)范.Zigbee網(wǎng)絡(luò)支持3種類型拓?fù)浣Y(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(luò)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(luò)中的節(jié)點彼此都在其輻射范圍之內(nèi)，任何兩個設(shè)備之間都可以通信.

2、關(guān)鍵問題的考慮
2.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇
    在Zigbee協(xié)議支持的3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，星形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)最簡單.每個被監(jiān)控設(shè)備可以作為精簡設(shè)備終端連接入網(wǎng)，節(jié)省能量，計算量小.在家庭監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，設(shè)備可能分布在多個房間，被監(jiān)護(hù)對象也可能在多個房間中活動，而星形網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的無線通信范圍很小(幾十米)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有限，不利于網(wǎng)絡(luò)功能的擴(kuò)展.

    網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)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(dá)網(wǎng)絡(luò)控制點.如果某一個節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)斷開，數(shù)據(jù)流可以選擇另一條路徑進(jìn)行傳輸，因此具有較強的健壯性.但網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備都需是全功能設(shè)備，能量消耗大;同時，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流的路由節(jié)點增加了網(wǎng)絡(luò)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(shè)備和生理數(shù)據(jù)采集終端可以作為網(wǎng)絡(luò)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(luò)控制器采集網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù).網(wǎng)絡(luò)具有可擴(kuò)展性，可以增加路由節(jié)點，擴(kuò)展覆蓋范圍，因此該家用無線網(wǎng)絡(luò)采用族狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).

2.2網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計
    路由協(xié)議直接關(guān)系到無線網(wǎng)絡(luò)的性能.路由協(xié)議設(shè)計的首要問題是要求其計算復(fù)雜度小，能耗小.其次由于被監(jiān)護(hù)對象的移動性，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(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(jìn)，以達(dá)到計算量小及節(jié)能的目的，但算法較復(fù)雜，Cluster-tree算法適合樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).圖4為網(wǎng)絡(luò)樹層次結(jié)構(gòu)圖.

    圖中，Lm為最大網(wǎng)絡(luò)深度，Cm為最大的子節(jié)點數(shù)，Rm為子節(jié)點中最大的路由節(jié)點數(shù).

    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(shè)某個節(jié)點的地址是N，目標(biāo)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(biāo)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，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給父節(jié)點;
如果D>N且D≤，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給地址為的子節(jié)點.
(中國集群通信網(wǎng) | 責(zé)任編輯：陳曉亮)