ZigBee无线传感器通信网络架构方法研究报告Word格式.docx
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作为极具发展潜力的技术,其发展和应用将会给人类的生产和生活带来巨大的影响。
ZigBee虽然在近几年才制定出来,但作为实现无线传感器网络的一项重要技术,加上其低成本、低功耗、低复杂度等优点,其发展也取得的瞩目的成绩。
由于ZigBee技术及无线传感器网络技术的不断进步,人们渴望更多的了解与认识这种会给日常生活和生产带来革命性进步的技术。
鉴于此,本文详细介绍了ZigBee协议的各项指数,比较了几种常见的无线通信标准,在提出使用CC2430芯片搭建医院病人无线监护系统设计思路的基础上,介绍了基于
ZigBee无线传感器网络架构的方法。
关键词:
无线传感器网络ZigBee技术CC2430病人无线监护系统
Abstract
WirelessSensorNetworkhaveextremelyextensiveuseinindustry,agriculture,military,environment,medicalcareandothertraditionalfields.Asapromisingtechnology,itsdevelopmentandusebringtremendousinflueneetoourproductionandlife.AlthoughZigBeetechnologyappearsnotlong,asanimportanttechnologyfortheWSN,plusitslowcost,lowpowerconsumption,lowcomplexity,thedevelopmentoftheZigBeetechnologyhasachievedspectacularresults.
DuetotheprocessoftheZigBeetechnologyoftheWSN,peoplehopetolearnmoreaboutthetechnologywhichcanbringrevolutionaryprocessofthedailylife.So,thispaperintroducestheZigBeetechnology,comparesseveralcommonwirelessstandards,andtellsthemethodofhowtobuildtheWSNbasedontheZigBeetechnologybydesigntheconceptofthehospitalpatientwirelessmonitoringsystemusingtheCC2430.
Keywords:
WSN。
ZigBeetechnology。
CC2430。
PatientWirelessMonitoringSystem
摘要I
ABSTRACT"
目录III
1.引言1
1.1前言1
1.2研究意义2
1.3文献综述2
1.4论文结构4
2.ZIGBEE技术的介绍5
2.1Zigbee技术的历史发展及特点介绍5
2.2几种无线标准的比较6
2.2.1工作模式6
2.2.2频率、数据速率和范围6
2.3ZIGBEE协议构架6
2.3.1物理层7
2.3.2介质接入控制层8
2.3.3网络层NWK8
2.3.4应用层APL9
2.4ZigBEe支持的网络拓扑结构介绍9
3.无线病床监护系统设计方案及预期结果10
3.1无线病床监护系统功能要求和设计思想10
3.2.1系统功能要求10
3.2.2设计思想11
3.2开发平台介绍11
3.2.1硬件选择11
3.2.2软件选择13
3.3系统设计方案14
3.4软件设计15
3.5预期结果17
3.5.1传感器节点部分17
3.5.2数据接收控制中心18
4.结束语18
4.1总结18
个人资料整理—仅限学习使用
4.2展望19
参考文献20
致谢21
1.引言
1.1前言
医院病人的监护系统是保障病人生命安全的重要设施,现如今国内大多医院的该系统采用“有线连接、护士检查”的方式监护病人的各项身体指标。
这种方式使病人在休息的时候极为不便,严重影响病人的正常休息;
同时该系统不能时时把病人的身体指标传到监护中心,仅靠护士定时的记录,对于患有某些突发性疾病的病人的安全得不到有效的保障。
如果能使该系统实现无线网络通信,将具有十分积极的意义。
曾经有人说过这样的话:
“今天的世界已经是无线的世界,未来的世界更是无线的天下。
”众众所周知,无线网络通信技术在许多领域都可以发挥出比有线技术更加优异的性能,并且在个别领域还能解决有线技术束手无策的难题,它给人类社会带来了无法想象的便利。
因此,对无线网络通信技术的研究已逐渐被各领域的人所重视。
无线传感器网络是一种很常见的无线技术应用。
该网络由分布在监测区域内的大量传感器节点组成,各个节点间通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息,并发送给观察者。
传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。
通过无线传感器网络,我们可以很容易的对特定区域的一些数据进行实时监测,尤其是对于一些地理环境复杂的地方,无线传感器网络更能发挥出优良的性能。
尤其是ZigBee技术出现之后,基于ZigBee的无线传感器网络的应用更加广泛。
因此,我们可以将基于ZigBee的无线传感器网络技术应用到医院病人监护系统中。
ZigBee技术作为一种近距离、低复杂度、低成本的双向无线通讯技术,近些年来广泛应用在现代无线通信领域。
随着ZigBee技术逐渐应用在人们的生活的各个方面,人们对于该技术的兴趣更加浓厚。
但对于ZigBee技术的起源与发
展,以及如何使用该技术进行无线网络,尤其是无线传感器网络的构建,人们还存在不少疑问。
基于此,本文主要介绍ZigBee技术的发展经历以及协议栈结构等基本信
息,同时针对医院病人无线监护系统对基于ZigBee无线传感器网络的构架方法
进行探讨,使人们对于该项技术有更加深入的认识。
1.2研究意义
鉴于无线传感器网络对人们生活的影响,人们对于无线传感器网络的接触
也越来越多,因此对于无线传感器网络的研究,尤其是对基于ZigBee的无线传
感器网络的研究就具有十分积极的意义。
通过这些研究,可以推动该技术在产业化方面的发展,使人类社会更快的进入无线的世界。
1.3文献综述
无线传感器网络越来越多的出现在人们的生活学习中。
无线传感器网络最
早由美国军方提出,1978年开始美国国防部高级研究所计划署vDARPA)资助卡耐基-梅隆大学进行分布式传感器网络研究,这被看成无线传感器网络最开始的研究。
之后,美国各高校都开始了类似工程的研究,比如UCLA的WINS工
程等等。
ZigBee技术是IEEE802.15.4和ZigBee联盟共同制定的一项无线通信标准在短短的几年时间快速发展起来,成为现在短距离通信领域极为重要的一种通信协议。
华镕等人在2018年在一起《仪表标准化与计量》中发表了“几种无线标准的比较”⑴的文章,详细介绍了几种不同的无线标准的区别。
近几年来,学术界有许多介绍ZigBee技术的文章和图书,从理论上介绍了ZigBee技术的实现。
重庆大学自动化学院的王东、张金荣等人在2006年的时候在重庆大学学报
上发表了“利用ZigBee技术构建无线传感器网络”⑵,文中分析了ZigBee技术,以及讨论了“基于燃气表数据无线传输系统”的无线传感器结构和无线传感器网络的实现。
天津大学的何颜平也在其硕士毕业论文“基于ZigBee协议的无线传感网络
组网”[3]中详细介绍了ZigBee技术组网的详细过程。
华东理工大学信息学院的郑丽国等人在2006年发表了“基于ZigBee技术的产品开发流程及其实现方法”⑷,介绍了开发ZigBee产品的流程与方法。
王秀梅、刘乃安也在电子下载站网站上发表过“2.4GHz射频芯片2240实现ZigBee无线通信设计”[5],文中介绍了ZigBee芯片2240的一些参数和参考电路。
上述文章主要是从理论上介绍了ZigBee这项新技术的实现方法,除此之
外,学术界也提出了许多基于ZigBee技术的实际应用。
哈尔滨理工大学的杨晓明等人在2018年提出了“基于ZigBee技术的无线智能家用燃气报警系统”⑹。
郑州轻工业学院的甘勇等人在2018年提出了“基于ZigBee网络的农田旱涝监控系统的设计”⑺。
王凯等人也在2006年提出了
“基于ZigBee无线水表自动抄表系统的研究与设计”⑹。
这些都是学者提出的
ZigBee在人们生活中的各种应用。
在医疗领域,为了能给患者提供更加舒适的住院环境,同时能够实时监护病人生理状况,我们可以把无线技术应用到医院的病人监护系统,使用户可以不受时间、地点的限制,随时随地得到医院监护中心的监护[9]。
在这方面,国
内外有着很多的研究。
国外的Khoor,S等人在2001年提出了一种基于蓝牙和GSM技术的心电监护系统,采集器通过蓝牙与随身携带的手机相连,手机再把采集到的数据通过GSM/3G网络存储到远端的控制中心,进而实现了无线病人监护系统的功能
[10]
而清华大学深圳研究生院的姚湘平等人在2006年设计了一种基于GPRS的
远程心电监护终端,通过GPRS无线模块发送心电数据,实现心电无线实时监护的功能[11]。
浙江工业大学的孟文超等人在2018年设计了“基于无线传感器网络的远程心电监护终端”[12]。
达到了监护对象不受时间、地点影响实时接收远程心电服务的功能。
上面的几项研究主要是采用GSM、GPRS等技术来实现无线病人监护系
统,而在应用ZigBee技术方面,国内也有不少学者进行了相关的研究。
天津工业大学的李鸿强等人在2006年做了“医疗监护无线传感器网络的研究”[13],详细介绍了无线传感器网络体系在医疗监护系统中的应用。
华南理工大学的李勇正等人在2008年提出了“基于ZigBee的穿戴式多生理参数WPAN”[14]。
在文章中,李勇正等人以CC2430为核心器件,进行嵌入式ZigBee通信模块的设计,实现了无线的生理参数采集汇总的功能。
为了使人们对于ZigBee技术和无线传感器网络有更深入的认识,本文提出了基于ZigBee的无线医院病人监护网络的研究思路。
1.4论文结构
论文共分四章。
第一章为引言。
主要介绍论文的选题背景和研究意义;
并通过对与ZigBee相关的文献进行综述,为接下来的工作打好基础。
第二章,ZigBee技术的介绍,共分三节。
第一节主要对ZigBee技术的历史发展进行简要的介绍;
第二节主要介绍ZigBee协议的构架;
最后介绍ZigBee网络支持的拓扑结构。
第三章,系统设计方案及预期结果,共分五节。
包括系统的功能要求和设计思路、开发平台介绍、系统设计方案、软件设计和预期结果。
第四章,结束语,共分两节。
第一节是对本文的总结,包括本文的主要工作总结,以及本文写作中的不足;
第二节主要是对ZigBee技术的发展展望。
2.ZigBee技术的介绍
2.1ZigBee技术的历史发展及特点介绍
长久以来,人们一直期待一种低价、低传输率、短距离的无线通信协议。
1994年爱立信公司首先提出了一种短距离无线通信规范蓝牙vbluetooth),
1999年,蓝牙特殊利益集团发布了“蓝牙”标准的最新版1.0B版。
蓝牙的出现确实使人们在短距离无线通信领域看到了光明,但由于其居高不下的价格,厂商们只能望洋兴叹了。
在此背景下,ZigBee技术弥补了这块空白。
ZigBee技术是ZigBee联盟制定的,基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的,有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。
ZigBee联盟成立
于2001年8月。
2002年下半年,英国INVENSYS公司、日本三菱电气公司、
美国MOTOROLA公司以及荷兰PHILIPS半导体公司共同宣布将加入“ZigBee联盟”,研发名为ZigBee的下一代无线通信标准。
到目前为止,该联盟已经有200多家成员企业,并仍迅速发展壮大中。
ZigBee的基础是IEEE802.15.4,
IEEE处理了低级MAC层和物理层协议,而ZigBee联盟对其网络层协议和
APL进行了标准化。
2005年6月,ZigBeeV1.0开放下载,这是第一个ZigBee标准公开版,代表着ZigBee开始正式登上历史舞台;
2007年1月,ZigBeeV1.1开放下载;
2008年1月,ZigBee联盟公布了ZigBeeV1.2作为第三个ZigBee标准公开版,并供用户下载使用。
应用ZigBee技术可以组建一个由多达65000个无线数传模块组成的无线数传网络平台,每一个ZigBee网络数传模块之间可以在整个平台内进行相互通信,每个节点间的距离可以从标准的75M到扩展后的几百M甚至几千M,同
时整个平台还可以与现有的其他网络连接,以实现更多的网络控制平台。
ZigBee技术的主要特点包括以下方面[15][16]:
1.节能。
2.可靠。
3.网络容量大。
4.安全。
5.高保密性。
2.2几种无线标准的比较
IEEE协会发布了好几种无线通信标准,主要从物理层上,解释了IEEE
802.11<
WLAN/Wi-Fi),IEEE802.15.4<
ZigBee)和IEEE802.15.1<
蓝牙)无线标准的不同点和相同点。
2.2.1工作模式
无线网络有两种工作模式:
基础型和特别型。
基础型无线网络通常有一些
基站,它们做为中心节点,然后连接其他无线终端。
特别型网络能够形成一种
“腾空”的状态,在没有一个基站的情况下进行通信。
不通过无线标准对对两
种运行模式的支持不尽相同。
表1给出了不同无线标准支持的不同运行模式
表1不同无线网络标准的不同运行模式
标准
基础性
特别型
IEEE802.11<
WLAN/Wi-Fi)
支持
IEEE802.15.4<
ZigBee)
不支持
IEEE802.15.1v蓝牙)
222频率、数据速率和范围
不同的无线标准对频率、数据速率都有着不同的规定。
表2给出了不同无
线标准在频率、数据速率方面的比较。
表2不同无线标准的不同频率、数据传输速率和通信距离
频率
数据速率
距离
IEEE802.11b
2.4GHz
11Mbps
140m
IEEE802.15.4
868/915MHZ
40kbps
75m
250kbps
IEEE802.15.1
3Mbps
100m
2.3ZigBee协议构架
完整的ZigBee协议栈从下到上分别为物理层<
PHY)、介质接入控制层
<
MAC)、网络层<
NWK)以及应用层<
APL)等。
体系结构如图1。
ZIGBEE层(APL)
ZIGBEE网络层(NWK)
IEEE802154
2.4GHzPHY
IEEE802.154介质接入控制层(MAC)
868/915MHzPHY
图1ZigBee协议栈体系结构图
2.3.1物理层
IEEE802.15.4标准定义了ZigBee的物理层。
在物理层,ZigBee规范了通信
频率。
规定IEEE802.15.4工作在工业、科学、医疗<
ISM)频段,根据不同国家地区的不用需要,定义了两个不同的工作频段,分别是868/915MHZ频段和
2.4GHz频段。
在这些频段中,总共分配了27个具有三种速率的信道:
频段有16个速率为250Kb/s的信道;
915MHz频段有10个40Kb/s的信道;
868MHz频段有1个20Kb/s的信道。
其中心频率定义如下:
=868.3MHz<
k=0)
906MHz4-2<
k-1)Mllz<
klf210)
Fc=2405MHz+5<
k-11)MHz<
k=11,1226)
ZigBee可以参考ISM频段、可用性、拥挤状况和数据速率等因素在27个
信道中选择一个适合自己的工作信道。
物理层还规范了调制方式,以及发射功率的相关要求。
物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个数据服务接入点和一个物理层管理实体服务接入点,通过这两个服务接入点,可以为物理层数据以及物理层管理提供服务。
表3显示了ZigBee物理层数据包的格式,由同步包头、物理层包头和物理层净荷组成。
表3ZigBee物理层数据包的格式
前同步码
帧定界符
帧长度<
7
位)
预留位<
1位)
PSDU
同步包头
物理层包头
物理层净荷
2.3.2介质接入控制层
该层也由IEEE802.15.4标准定义,主要处理所有物理层的无线信道接入。
MAC层包含一个管理实体,该实体不仅可以调用MAC层管理功能,而且还负
责维护MAC层固有的管理对象的数据库。
表4显示了MAC层数据包格式,由MAC层帧头、MAC层载荷和MAC层帧尾组成。
表4ZigBeeMAC层数据包格式
帧控制
序列号
目的
PAN标识符
目的地址
源
源地址
帧载荷
FCS
MACB帧头
载荷
帧尾
2.3.3网络层NWK
网络层标准由ZigBee联盟制定。
主要功能是提供必要函数,确保MAC层
的正常工作和为应用层提供合适的服务接口。
为能实现向应用提供接口的目的,网络层提供了数据服务实体vNLDE)和管理服务实体vNLME)。
网络层数据实体vNLDE)为数据提供服务,主要包括生成网络层协议数据单元<NPDU)、制定拓扑传输路由、以及确保通信真实安全等方面的服务。
网络层管理实体vNLME)提供网络管理服务,主要提供配置新设备、初始化一个网络、连接和断开网络、寻址、邻居设备发现、路由发现、以及接收控制的服务。
2.3.4应用层APL
应用层标准也由ZIGBEE联盟制定。
由三部分组成:
APS子层、ZDO<包含ZDO管理平台)和制造商定义的应用对象。
APS提供了在NWK层和APL层之间,从ZDO到供应商的应用对行啊的通信服务集。
服务由APS数据实体vAPSDE)和APS管理实体<APSME)这两个实体实现。
ZDOvZigBee设备对象)描述了一个基本的功能函数,在应用对象、设备Profile和APS直接提供一个接口,满足所有在ZigBee协议栈中应用操作的一般需要。
ZDO还有初始化APS、NWK、SSS的作用以及确定和执行发现、安全管理、网络管理、绑定管理的作用。
2.4ZigBee支持的网络拓扑结构介绍
ZigBee的工作节点都是可以独立的,通过无线通信可以组成不同的网络根据所组成的网络拓扑结构的不同,各个节点的功能也并不相同。
系统中大部分是为了降低成本的子节点,成为半功能设备<RFD);
而另一些节点负责与这些子节点通信,称之为全功能设备<FFD)。
选用不同的网络拓扑结构,对各种节点的需要也不相同。
ZigBee支持多种
网络拓扑,包括:
星状网络、串<树)状网络、网状网络。
无论是哪一种网络拓扑结构,每个独立网络值有唯一的协调器,可以由网络中的全功能节点实现。
星状网络的连接最为简单,如图2。
所有的网络节点都通过协调器实现网
络连接,而节点间的通信是禁止的,这种网络拓扑结构适合包含较少无线节点的无线网络。
图2星形网络拓扑结构
串<树)状网络是在星状网络连接的基础上进行的扩展,如图3。
该网络拓
扑结构在星状网络的基础上加入全功能节点,全功能节点之间是可以相互通信,一个全功能节点下的子节点要给另一个全功能节点下的子节点通信,必须经过全功能节点。
图3串<树)形网络拓扑结构
网状网络中所有的无线节点都可以传递信息,每个无线节点不仅可以接收信息,同时还可以给任何节点发送信息,如图4。
在网络中任何一个节点故
障,附近的节点都可以代替它进行工作。
图4网状网络拓扑结构
3.无线病床监护系统设计方案及预期结果
3.1无线病床监护系统功能要求和设计思想
3.2.1系统功能要求
无线病床监护系统功能要求有以下几点:
(1)病人生理参数采集功能。
首先应该有穿戴式的传感器节点对病人的生理参数进行采集,能随时获得病人的生理参数。
(2)模数转换功能。
将传感器节点采集的生理参数模拟信号进行模数转换,方便后续系统的传输。
(3)无线接口。
无线监护系统需要无线接口实现病人生理参数的监护功能,可以采用ZigBee无线网络协议。
(4)要有报警定位功能。
当病人生理指数发生不良变化时,主机处要发出警报,同时要准确定位是哪位病人出现异常。
3.2.2设计思想
设计的无线病人监护系统包括多个终端穿戴式生理参数采集节点和一个数据接收终端。
使用ZigBee技术来实现无线网络通信功能,选择星状网络拓扑结构,数据接收终端有报警装置,保证病人生理指数出现异常时,监护系统能及时告诉值班的护士。
需要设计如下几部分部件:
生理参数采集传感器、无线传输装置、数据接
收终端装置。
3.2开发平台介绍
3.2.1硬件选择
该系统硬件部分主要分为穿戴式生理参数采集传感器、无线传输装置、节点模块与计算机通信模块、电源部分等。
穿戴式生理参数采集传感器采用符合国际标准的传感器模块,该传感器模块采集的各项生理参数模拟信号,通过16位模数转换芯片AD7705,将数据送入CC2430中。
该组网设计的无线传输
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