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

    本文研究一種基于Zigbee技術(shù)的家用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái).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(wú)線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問(wèn)題對(duì)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(wèn)題進(jìn)行了討論并提出了解決方案通過(guò)構(gòu)建的家用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行監(jiān)護(hù)實(shí)驗(yàn).結(jié)果表明，基于Zigbee技術(shù)構(gòu)建的家用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是可行的，該無(wú)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(jì)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(guó)內(nèi)外的一個(gè)研究熱點(diǎn).與此同時(shí)，隨著我國(guó)老齡化社會(huì)的加劇，通過(guò)易組織，低成本，高效率的家庭智能化網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的家庭監(jiān)護(hù)，對(duì)提高人們生活質(zhì)量，減少醫(yī)療費(fèi)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(guò)無(wú)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(zhuān)用服務(wù)器中.家屬或醫(yī)院可在世界上任何地方，通過(guò)計(jì)算機(jī)調(diào)查服務(wù)器中所記錄的人體活動(dòng)和設(shè)備的情況.這樣做不但能實(shí)時(shí)地得到當(dāng)前的活動(dòng)情況，通過(guò)指令控制家居中的設(shè)備，還能調(diào)查任一時(shí)段內(nèi)的歷史信息及變化傾向，為正確、及時(shí)進(jìn)行醫(yī)療監(jiān)護(hù)提出建議和措施.

    以前針對(duì)智能家居研究的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建采用的無(wú)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(méi)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(wú)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(shí)現(xiàn)l點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng).鑒于Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的上述特點(diǎn)，可將其用于構(gòu)建家用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái).

l、Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簡(jiǎn)析
    Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧采用開(kāi)放系統(tǒng)互連模型(OSI).如圖2所示.每一層都實(shí)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(wèn)物理信道提供點(diǎn)到點(diǎn)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(duì)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(gè)通信端點(diǎn)間能讓多個(gè)應(yīng)用程序循環(huán)使用APSZDO則是整個(gè)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(lèi)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)星形網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)都與中心協(xié)調(diào)器通信，節(jié)點(diǎn)間不能直接通信而點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)彼此都在其輻射范圍之內(nèi)，任何兩個(gè)設(shè)備之間都可以通信.

2、關(guān)鍵問(wèn)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(jiǎn)單.每個(gè)被監(jiān)控設(shè)備可以作為精簡(jiǎn)設(shè)備終端連接入網(wǎng)，節(jié)省能量，計(jì)算量小.在家庭監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，設(shè)備可能分布在多個(gè)房間，被監(jiān)護(hù)對(duì)象也可能在多個(gè)房間中活動(dòng)，而星形網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的無(wú)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(gè)節(jié)點(diǎn)都可以作為路由節(jié)點(diǎn)，因此，原節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流可以通過(guò)多個(gè)路徑到達(dá)網(wǎng)絡(luò)控制點(diǎn).如果某一個(gè)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)，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(qiáng)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(shí)，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流的路由節(jié)點(diǎn)增加了網(wǎng)絡(luò)的延時(shí).

    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(diǎn).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(diǎn)，結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)少.同時(shí)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(diǎn)，擴(kuò)展覆蓋范圍，因此該家用無(wú)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(jì)
    路由協(xié)議直接關(guān)系到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能.路由協(xié)議設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題是要求其計(jì)算復(fù)雜度小，能耗小.其次由于被監(jiān)護(hù)對(duì)象的移動(dòng)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(dòng)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(duì)AODV算法的改進(jìn)，以達(dá)到計(jì)算量小及節(jié)能的目的，但算法較復(fù)雜，Cluster-tree算法適合樹(shù)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).圖4為網(wǎng)絡(luò)樹(shù)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(diǎn)數(shù)，Rm為子節(jié)點(diǎn)中最大的路由節(jié)點(diǎn)數(shù).

    節(jié)點(diǎn)的地址空間Cskip的計(jì)算公式為

式中：n為父節(jié)點(diǎn)地址;R為子節(jié)點(diǎn)序號(hào)1～Cm.
假設(shè)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址是N，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)是自己的鄰居節(jié)點(diǎn)(路由表中有路由信息)，直接發(fā)送數(shù)據(jù)給鄰居節(jié)點(diǎn)，否則轉(zhuǎn)③.
③判斷并轉(zhuǎn)發(fā)子節(jié)點(diǎn)或父節(jié)點(diǎn)地址.

如果D>N并且，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給父節(jié)點(diǎn);
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(diǎn).
(中國(guó)集群通信網(wǎng) | 責(zé)任編輯：陳曉亮)