隨著計算機技術、通信技術、控制技術的發(fā)展和人們物質生活水平的提高，家居智能化的研究成為國內外的一個研究熱點，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絡實現(xiàn)長期的家庭監(jiān)護，對提高人們生活質量，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)護系統(tǒng)。

家庭設備信息和人體信息如腦電波、脈搏信息等通過無線網絡發(fā)射，經家庭網絡路由傳送到互聯(lián)網上的專用服務器中，家屬或醫(yī)院可在世界上任何地方，通過計算機調查服務器中所記錄的人體活動和設備的情況，這樣做不但能實時地得到當前的活動情況，通過指令控制家居中的設備，還能調查任一時段內的歷史信息及變化傾向，為正確、及時進行醫(yī)療監(jiān)護提出建議和措施。

以前針對智能家居研究的網絡構建采用的無線方式有射頻（RF）技術，IEEE802.11及藍牙技術等，但這些技術都沒有完全滿足家庭網絡易組織、低成本、低功耗等要求。Zigbee協(xié)議是一種基于IEEE80215.4標準的無線協(xié)議，主要應用于低通信速率，低功耗設備的組網，該通信設備支持250kbit/s的數(shù)據傳輸速率，可以實現(xiàn)l點對多點的快速組網。鑒于Zigbee無線網絡的上述特點，可將其用于構建家用無線網絡平臺。

1Zigbee網絡協(xié)議簡析

Zigbee網絡協(xié)議棧采用開放系統(tǒng)互連模型（OSI），每一層都實現(xiàn)一部分通信功能，并向高層提供服務。IEEE802.15.4標準只定義了PHY層和數(shù)據鏈路層的MAC子層PHY層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構成MAC子層為高層訪問物理信道提供點到點通信的服務接口，ZigbeeAlliance定義了網絡層、應用層與安全層規(guī)范。NWK負責網絡層工作，使用IEEE802.15.4MAC所提供的服務完成工作，并提供數(shù)據收發(fā)與管理服務供上層協(xié)議調用NWK之上的APS，ZDO應用框架與應用對象等都屬于應用支持層（APL）。APS使用NWK所提供的數(shù)據進行傳輸服務。

多路選擇是APS的重要功能，提供上層應用程序使用網絡數(shù)據傳輸服務的Endpoint（如同TCP/IP的socket）匹配網絡地址，這樣在兩個通信端點間能讓多個應用程序循環(huán)使用APSZDO則是整個Zigbee網絡設備的控制中心，它使用NWK與APS提供的管理服務，并匹配Zigbeedeviceprofile（ZDP）規(guī)范，Zigbee網絡支持3種類型拓撲結構：星形結構，網格狀結構和族狀結構，其中網格狀和族狀結構屬于點對點的結構星形網絡中，所有節(jié)點都與中心協(xié)調器通信，節(jié)點間不能直接通信而點對點網絡中的節(jié)點彼此都在其輻射范圍之內，任何兩個設備之間都可以通信。

2關鍵問題的考慮

2.1網絡拓撲結構的選擇

在Zigbee協(xié)議支持的3種網絡拓撲結構中，星形拓撲網絡最簡單，每個被監(jiān)控設備可以作為精簡設備終端連接入網，節(jié)省能量，計算量小，在家庭監(jiān)護系統(tǒng)中，設備可能分布在多個房間，被監(jiān)護對象也可能在多個房間中活動，而星形網絡中節(jié)點的無線通信范圍很?。◣资祝W絡覆蓋范圍有限，不利于網絡功能的擴展。

網狀網絡中的每個節(jié)點都可以作為路由節(jié)點，因此，原節(jié)點的數(shù)據流可以通過多個路徑到達網絡控制點。如果某一個節(jié)點與網絡斷開，數(shù)據流可以選擇另一條路徑進行傳輸，因此具有較強的健壯性。但網絡中的設備都需是全功能設備，能量消耗大;同時，網絡中數(shù)據流的路由節(jié)點增加了網絡的延時。

族狀結構結合了星形結構和網狀結構的優(yōu)點。為了節(jié)省能量，監(jiān)控設備和生理數(shù)據采集終端可以作為網絡中的端節(jié)點，結構節(jié)點少，同時協(xié)調器可以作為網絡控制器采集網絡中的數(shù)據，網絡具有可擴展性，可以增加路由節(jié)點，擴展覆蓋范圍，因此該家用無線網絡采用族狀網絡拓撲結構。

2.2網絡路由協(xié)議的設計

路由協(xié)議直接關系到無線網絡的性能，路由協(xié)議設計的首要問題是要求其計算復雜度小，能耗小。其次由于被監(jiān)護對象的移動性，網絡拓撲的結構可能發(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，以達到計算量小及節(jié)能的目的，但算法較復雜，Cluster-tree算法適合樹狀拓撲結構。

家用無線網絡大多數(shù)節(jié)點是靜止的，移動節(jié)點較少，可采用族狀拓撲結構。家庭網絡環(huán)境較好，鏈路穩(wěn)定，節(jié)點干擾少，可以采用Cluster-tree算法作為其路由協(xié)議。這樣，網絡節(jié)點就不需要保存大量的路由信息，節(jié)省內存，計算復雜度低，能耗小，具體設計時，由于家庭監(jiān)護網絡屬于小型網絡，網絡節(jié)點少，可以設定較少的網絡層次，以減少路由計算時間。

2.3數(shù)據采樣策略

設備狀態(tài)及發(fā)送速率較低的數(shù)據信息對無線網絡的性能要求較低，基于Zigbee技術構建的無線網絡可以滿足數(shù)據傳輸?shù)膸捯蠛蛯崿F(xiàn)節(jié)點的節(jié)能。由于生理信號的傳輸是連續(xù)傳輸，因此需要考慮生理數(shù)據的采樣速率對能源消耗和網絡負載的影響。

當需要發(fā)送數(shù)據幀時，要通過網絡協(xié)議棧的每一層進行封裝，其中應用層的數(shù)據幀要小于80B。生理信號一般都屬于低頻信號（脈搏信號的有效頻率都在10Hz以下），在保證信號不失真的情況下，盡量用低采樣頻率，以減少數(shù)據傳輸量。同時，可以對采集的生理信號進行緩存打包，一起發(fā)送，以提高數(shù)據的發(fā)送效率，減少網絡節(jié)點的能量消耗。

3家用無線網絡的實現(xiàn)

所構建的家庭監(jiān)護網絡結構絡拓撲結構采用族狀結構，設置Cm=2，Lm=2。無線網絡有一個網絡協(xié)調器（coordinator）。負責無線網絡的建立和網絡狀態(tài)管理，網絡協(xié)調器通過串口與PC機相連，將采集到的脈搏信號傳輸?shù)接嬎銠C，以便對脈搏信號進行實時分析;其他無線節(jié)點可以連接家用設備，實現(xiàn)對它們的控制;將監(jiān)護信息傳輸?shù)骄W絡監(jiān)護服務器?？蓪崿F(xiàn)監(jiān)護信息的共享。

無線節(jié)點采用Freescale公司的微控制器GT60和無線收發(fā)芯片MCl3192。無線網絡節(jié)點的組成結構框圖GT60與MCl3192之間通過CPI口進行通信。

設計時應考慮到高頻電路對傳感器信號的干擾，傳感器調理電路與高頻發(fā)射接收部分可分開設計，天線設計是無線模塊設計的關鍵，直接影響到傳感器節(jié)點的通信質量和通信距離，可以參照常用的2.4GHz天線的設計方法本設計采用了偶極子微帶PCB板天線，所有銅箔走線均采用微帶傳輸線的原理，以減少發(fā)射引起的傳輸損耗，獲得了比較大的輸出功率和較高的接收靈敏度。GT60和MCl3192的供電電壓都是3V，系統(tǒng)可以采用紐扣電池供電其他節(jié)點的設計與脈搏傳感無線節(jié)點的設計相似。

4實驗與結論

應用構建的家庭無線網絡平臺對被監(jiān)護者的脈搏信號進行實時測試采樣頻率是150Hz，采用8位的A/D轉換器，該家用無線網絡可以正確地對脈搏信號進行采集，測試過程中，無線網絡能夠連續(xù)正常工作，為了測試網絡的丟包率，每隔10ms發(fā)送一個數(shù)據包，連續(xù)發(fā)送1000個數(shù)據包，丟失的數(shù)據包數(shù)除以總發(fā)送的數(shù)據包數(shù)得到丟包率;連續(xù)測量10次，求平均值，測得的丟包率與傳感節(jié)點與中心節(jié)點的距離的關系。

可以看出，在點對點的距離小于10m時，丟包率小于1%，可以通過應用層設置重傳機制進一步降低丟包率，點對點通信距離為20～30m，傳感節(jié)點的電池可以連續(xù)工作3～5d，實驗驗證了構建的家用無線網絡進行脈搏信號監(jiān)護的可行性，系統(tǒng)進一步擴展，可實現(xiàn)其他生理信號的無線監(jiān)護。