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(多图) 基于Zigbee技术构建家用无线网络

电子设计工程 郭世富 马树元 吴平东 陈之龙?? 2010年11月15日 ?? 收藏0

?  图中,Lm为最大网络深度,Cm为最大的子节点数,Rm为子节点中最大的路由节点数.

  节点的地址空间Cskip的计算公式为计算公式

  式中:n为父节点地址;R为子节点序号1~Cm.

  假设某个节点的地址是N,目标节点的地址是D,Cluster-tree路由算法如下:

  ①如果待传输数据的目的节点地址是本身地址,将数据包交上层处理,否则转②.

  ②如果待传输数据的目标节点是自己的邻居节点(路由表中有路由信息),直接发送数据给邻居节点,否则转③.

  ③判断并转发子节点或父节点地址.

  如果D>N并且基于Zigbee技术构建家用无线网络,将数据包转发给父节点;

  如果D>N且D≤基于Zigbee技术构建家用无线网络,将数据包转发给地址为基于Zigbee技术构建家用无线网络的子节点.

  家用无线网络大多数节点是静止的,移动节点较少,可采用族状拓扑结构.家庭网络环境较好,链路稳定,节点干扰少,可以采用Cluster-tree算法作为其路由协议.这样,网络节点就不需要保存大量的路由信息,节省内存,计算复杂度低,能耗小.具体设计时,由于家庭监护网络属于小型网络,网络节点少,可以设定较少的网络层次,以减少路由计算时间.

  2.3数据采样策略

  设备状态及发送速率较低的数据信息对无线网络的性能要求较低,基于Zigbee技术构建的无线网络可以满足数据传输的带宽要求和实现节点的节能.由于生理信号的传输是连续传输,因此需要考虑生理数据的采样速率对能源消耗和网络负载的影响.

  当需要发送数据帧时,要通过网络协议栈的每一层进行封装,其中应用层的数据帧要小于80B.生理信号一般都属于低频信号(脉搏信号的有效频率都在10Hz以下),在保证信号不失真的情况下,尽量用低采样频率,以减少数据传输量.同时,可以对采集的生理信号进行缓存打包,一起发送,以提高数据的发送效率,减少网络节点的能量消耗.

  3家用无线网络的实现

  所构建的家庭监护网络结构如图5所示网络拓扑结构采用族状结构,设置Cm=2,Lm=2.无线网络有一个网络协调器(coordinator)。负责无线网络的建立和网络状态管理.网络协调器通过串口与PC机相连,将采集到的脉搏信号传输到计算机,以便对脉搏信号进行实时分析;其他无线节点可以连接家用设备,实现对它们的控制;将监护信息传输到网络监护服务器。可实现监护信息的共享.

族状结构

  无线节点采用Freescale公司的微控制器GT60和无线收发芯片MCl3192.无线网络节点的组成结构框图如图6所示.GT60与MCl3192之间通过CPI口进行通信.

无线网络节点的组成结构框图

  设计时应考虑到高频电路对传感器信号的干扰,传感器调理电路与高频发射接收部分可分开设计.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距离.可以参照常用的2.4GHz天线的设计方法本设计采用了偶极子微带PCB板天线,所有铜箔走线均采用微带传输线的原理.以减少发射引起的传输损耗,获得了比较大的输出功率和较高的接收灵敏度.GT60和MCl3192的供电电压都是3V,系统可以采用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.

  网络控制器和脉搏传感节点的应用程序流程如图7、图8所示.

网络控制器和脉搏传感节点的应用程序流程

网络控制器和脉搏传感节点的应用程序流程

  4实验与结论

  应用构建的家庭无线网络平台对被监护者的脉搏信号进行实时测试采样频率是150Hz,采用8位的A/D转换器,该家用无线网络可以正确地对脉搏信号进行采集.测试过程中,无线网络能够连续正常工作.为了测试网络的丢包率,每隔10ms发送一个数据包,连续发送1000个数据包,丢失的数据包数除以总发送的数据包数得到丢包率;连续测量10次,求平均值.测得的丢包率与传感节点与中心节点的距离的关系如图9所示.

丢包率与传感节点与中心节点的距离的关系

  通过图9可以看出,在点对点的距离小于10m时.丢包率小于1%,可以通过应用层设置重传机制进一步降低丢包率,点对点通信距离为20~30m.传感节点的电池可以连续工作3~5d.实验验证了构建的家用无线网络进行脉搏信号监护的可行性.系统进一步扩展,可实现其他生理信号的无线监护.


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家用无线网络? GT60? MCl3192?

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