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基于ZigBee技术的家庭无线网络该怎样去设计

跟着谋略机技巧、通信技巧、节制技巧的成长和人们物质生活水平的前进,家居智能化的钻研成为国内外的一个钻研热点,与此同时,跟着我国老龄化社会的加剧,经由过程易组织,低资源,高效率的家庭智能化收集实现经久的家庭监护,对前进人们生活质量,削减医疗用度也具有紧张意义,为此,提出了基于共享节制的家庭监护系统。

家庭设备信息和人体信息如脑电波、脉搏信息等经由过程无线收集发射,经家庭收集路由传送到互联网上的专用办事器中,眷属或病院可在世界上任何地方,经由过程谋略机查询造访办事器中所记录的人体活动和设备的环境,这样做不只能实时地获得当前的活动环境,经由过程指令节制家居中的设备,还能查询造访任一时段内的历史信息及变更倾向,为精确、及时进行医疗监护提出建讲和步伐。

曩昔针对智能家居钻研的收集构建采纳的无线要领有射频RF)技巧,IEEE802.11及蓝牙技巧等,但这些技巧都没有完全满意家庭收集易组织、低资源、低功耗等要求。Zigbee协议是一种基于IEEE80215.4标准的无线协议,主要利用于低通信速度,低功耗设备的组网,该通信设备支持250kbit/s的数据传输速度,可以实现l点对多点的快速组网。鉴于Zigbee无线收集的上述特征,可将其用于构建家用无线收集平台。

1Zigbee收集协议简析

Zigbee收集协议栈采纳开放系统互连模型(OSI),每一层都实现一部分通信功能,并向高层供给办事。IEEE802.15.4标准只定义了PHY层和数据链路层的MAC子层PHY层由射频收发器以及底层的节制模块构成MAC子层为高层造访物理信道供给点到点通信的办事接口,ZigbeeAlliance定义了收集层、利用层与安然层规范。NWK认真收集层事情,应用IEEE802.15.4MAC所供给的办事完成事情,并供给数据收发与治理办事供上层协议调用NWK之上的APS,ZDO利用框架与利用工具等都属于利用支持层(APL)。APS应用NWK所供给的数据进行传输办事。

多路选择是APS的紧张功能,供给上层利用法度榜样应用收集数据传输办事的Endpoint(犹如TCP/IP的socket)匹配收集地址,这样在两个通信端点间能让多个利用法度榜样轮回应用APSZDO则是全部Zigbee收集设备的节制中间,它应用NWK与APS供给的治理办事,并匹配Zigbeedeviceprofile(ZDP)规范,Zigbee收集支持3种类型拓扑布局:星形布局,网格状布局和族状布局,此中网格状和族状布局属于点对点的布局星形收集中,所有节点都与中间和谐器通信,节点间不能直接通信而点对点收集中的节点彼此都在其辐射范围之内,任何两个设备之间都可以通信。

2关键问题的斟酌

2.1收集拓扑布局的选择

在Zigbee协议支持的3种收集拓扑布局中,星形拓扑收集最简单,每个被监控设备可以作为精简设备终端连接入网,节省能量,谋略量小,在家庭监护系统中,设备可能散播在多个房间,被监护工具也可能在多个房间中活动,而星形收集中节点的无线通信范围很小(几十米),收集覆盖范围有限,晦气于收集功能的扩展。

网状收集中的每个节点都可以作为路由节点,是以,原节点的数据流可以经由过程多个路径到达收集节制点。假如某一个节点与收集断开,数据流可以选择另一条路径进行传输,是以具有较强的壮实性。但收集中的设备都需是全功能设备,能量耗损大年夜;同时,收集中数据流的路由节点增添了收集的延时。

族状布局结合了星形布局和网状布局的优点。为了节省能量,监控设备和心理数据采集终端可以作为收集中的端节点,布局节点少,同时和谐器可以作为收集节制器采集收集中的数据,收集具有可扩展性,可以增添路由节点,扩展覆盖范围,是以该家用无线收集采纳族状收集拓扑布局。

2.2收集路由协议的设计

路由协议直接关系到无线收集的机能,路由协议设计的重要问题是要求其谋略繁杂度小,能耗小。其次因为被监护工具的移动性,收集拓扑的布局可能发生改变,是以要能满意动态路由的要求。

Zigbee支持Cluster-tree,AODVjr及两者的混杂模式等路由算法。AODVjr算法是针对AODV算法的改进,以达到谋略量小及节能的目的,但算法较繁杂,Cluster-tree算法得当树状拓扑布局。

家用无线收集大年夜多半节点是静止的,移动节点较少,可采纳族状拓扑布局。家庭收集情况较好,链路稳定,节点滋扰少,可以采纳Cluster-tree算法作为其路由协议。这样,收集节点就不必要保存大年夜量的路由信息,节省内存,谋略繁杂度低,能耗小,详细设计时,因为家庭监护收集属于小型收集,收集节点少,可以设定较少的收集层次,以削减路由谋略光阴。

2.3数据采样策略

设备状态及发送速度较低的数据信息对无线收集的机能要求较低,基于Zigbee技巧构建的无线收集可以满意数据传输的带宽请乞降实现节点的节能。因为心理旌旗灯号的传输是继续传输,是以必要斟酌心理数据的采样速度对能源耗损和收集负载的影响。

当必要发送数据帧时,要经由过程收集协议栈的每一层进行封装,此中利用层的数据帧要小于80B。心理旌旗灯号一样平常都属于低频旌旗灯号(脉搏旌旗灯号的有效频率都在10Hz以下),在包管旌旗灯号不掉真的环境下,只管即便用低采样频率,以削减数据传输量。同时,可以对采集的心理旌旗灯号进行缓存打包,一路发送,以前进数据的发送效率,削减收集节点的能量耗损。

3家用无线收集的实现

所构建的家庭监护收集布局络拓扑布局采纳族状布局,设置Cm=2,Lm=2。无线收集有一个收集和谐器(coordinator)。认真无线收集的建立和收集状态治理,收集和谐器经由过程串口与PC机相连,将采集到的脉搏旌旗灯号传输到谋略机,以便对脉搏旌旗灯号进行实时阐发;其他无线节点可以连接家用设备,实现对它们的节制;将监护信息传输到收集监护办事器。可实现监护信息的共享。

无线节点采纳Freescale公司的微节制器GT60和无线收发芯片MCl3192。无线收集节点的组成布局框图GT60与MCl3192之间经由过程CPI口进行通信。

设计时应斟酌到高频电路传感器旌旗灯号的滋扰,传感器疗养电路与高频发射接管部分可分开设计,天线设计是无线模块设计的关键,直接影响到传感器节点的通信质量和通信间隔,可以参照常用的2.4GHz天线的设计措施本设计采纳了偶极子微带PCB板天线,所有铜箔走线均采纳微带传输线的道理,以削减发射引起的传输损耗,得到了对照大年夜的输出功率和较高的接管灵敏度。GT60和MCl3192的供电电压都是3V,系统可以采纳纽扣电池供电其他节点的设计与脉搏传感无线节点的设计相似。

4实验与结论

利用构建的家庭无线收集平台对被监护者的脉搏旌旗灯号进行实时测试采样频率是150Hz,采纳8位的A/D转换器,该家用无线收集可以精确地对脉搏旌旗灯号进行采集,测试历程中,无线收集能够继续正常事情,为了测试收集的丢包率,每隔10ms发送一个数据包,继续发送1000个数据包,损掉的数据包数除以总发送的数据包数获得丢包率;继续丈量10次,求匀称值,测得的丢包率与传感节点与中间节点的间隔的关系。

可以看出,在点对点的间隔小于10m时,丢包率小于1%,可以经由过程利用层设置重传机制进一步低落丢包率,点对点通信间隔为20~30m,传感节点的电池可以继续事情3~5d,实验验证了构建的家用无线收集进行脉搏旌旗灯号监护的可行性,系统进一步扩展,可实现其贰心理旌旗灯号的无线监护。

责任编辑:ct

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