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),。

　　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(mǎn)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),。

　　1Zigbee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）,，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)，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?。◣资祝?，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(mǎn)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),。

　　家用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)大多數(shù)節(jié)點(diǎn)是靜止的，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)較少,，可采用族狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較好，鏈路穩(wěn)定,，節(jié)點(diǎn)干擾少,，可以采用Cluster-tree算法作為其路由協(xié)議。這樣,，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就不需要保存大量的路由信息,，節(jié)省內(nèi)存，計(jì)算復(fù)雜度低,，能耗小,，具體設(shè)計(jì)時(shí)，由于家庭監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)屬于小型網(wǎng)絡(luò),，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)少,，可以設(shè)定較少的網(wǎng)絡(luò)層次，以減少路由計(jì)算時(shí)間。

　　2.3數(shù)據(jù)采樣策略

　　設(shè)備狀態(tài)及發(fā)送速率較低的數(shù)據(jù)信息對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能要求較低,，基于Zigbee技術(shù)構(gòu)建的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以滿(mǎn)足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捯蠛蛯?shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的節(jié)能,。由于生理信號(hào)的傳輸是連續(xù)傳輸，因此需要考慮生理數(shù)據(jù)的采樣速率對(duì)能源消耗和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的影響,。

　　當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí),，要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的每一層進(jìn)行封裝，其中應(yīng)用層的數(shù)據(jù)幀要小于80B,。生理信號(hào)一般都屬于低頻信號(hào)（脈搏信號(hào)的有效頻率都在10Hz以下）,，在保證信號(hào)不失真的情況下，盡量用低采樣頻率,，以減少數(shù)據(jù)傳輸量,。同時(shí)，可以對(duì)采集的生理信號(hào)進(jìn)行緩存打包,，一起發(fā)送,，以提高數(shù)據(jù)的發(fā)送效率，減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗,。

　　3家用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)

　　所構(gòu)建的家庭監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用族狀結(jié)構(gòu),，設(shè)置Cm=2，Lm=2,。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（coordinator）,。負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建立和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)管理，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過(guò)串口與PC機(jī)相連,，將采集到的脈搏信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī),，以便對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析；其他無(wú)線節(jié)點(diǎn)可以連接家用設(shè)備,，實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的控制,；將監(jiān)護(hù)信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)監(jiān)護(hù)服務(wù)器?？蓪?shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)信息的共享,。

　　無(wú)線節(jié)點(diǎn)采用Freescale公司的微控制器GT60和無(wú)線收發(fā)芯片MCl3192。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成結(jié)構(gòu)框圖GT60與MCl3192之間通過(guò)CPI口進(jìn)行通信,。

　　設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到高頻電路對(duì)傳感器信號(hào)的干擾,，傳感器調(diào)理電路與高頻發(fā)射接收部分可分開(kāi)設(shè)計(jì)，天線設(shè)計(jì)是無(wú)線模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,，直接影響到傳感器節(jié)點(diǎn)的通信質(zhì)量和通信距離,，可以參照常用的2.4GHz天線的設(shè)計(jì)方法本設(shè)計(jì)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(diǎn)的設(shè)計(jì)與脈搏傳感無(wú)線節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)相似,。

　　4實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

　　應(yīng)用構(gòu)建的家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)對(duì)被監(jiān)護(hù)者的脈搏信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試采樣頻率是150Hz,，采用8位的A/D轉(zhuǎn)換器，該家用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以正確地對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行采集,，測(cè)試過(guò)程中,，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能夠連續(xù)正常工作，為了測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的丟包率,，每隔10ms發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包,，連續(xù)發(fā)送1000個(gè)數(shù)據(jù)包，丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)除以總發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)得到丟包率,；連續(xù)測(cè)量10次,，求平均值，測(cè)得的丟包率與傳感節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)的距離的關(guān)系,。

　　可以看出,，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的距離小于10m時(shí)，丟包率小于1%,，可以通過(guò)應(yīng)用層設(shè)置重傳機(jī)制進(jìn)一步降低丟包率,，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信距離為20～30m，傳感節(jié)點(diǎn)的電池可以連續(xù)工作3～5d,，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了構(gòu)建的家用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行脈搏信號(hào)監(jiān)護(hù)的可行性,，系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)其他生理信號(hào)的無(wú)線監(jiān)護(hù),。