基于zigbee的远程医疗监控系统

基于zigbee的远程医疗监控系统内容摘要：

dio Serviee)的英文简称，是在 GSM 系统上发展出来的一种新的承载业 务，目的是为 GSM 用户提供分组形式的数据业务。 GPRS 采用与 GSM 同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及同样的 TDMA 帧结构。 GPRS 允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。 从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。 11 GSM 终端设备之间能够通过 SMS 进行数据传输。 利用该功能，将 SMS 服务功能加入到每一只表具终端中，即可以实现无线抄表。 该方法技术成熟，利用现有的 GSM 网，不需要昂贵的系统设备，抄表不受距离和空间的限制。 由于单个模块成 本较高，目前 GMS/GRPS 技术还不能用于民用用户，主要 用于 4 对总表的抄收上。 或民用用户室内表具以其它低成本的方式集中采集后，管理单位以此方式与小区集中器间交换信息。 ZIGBEE 技术： ZigBee 技术是一种近距离、低功耗、低成本、低传输速率的具有统一技术标准的短距离无线通信技术 .它有自己的标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信，只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以之间的通信效率比较高。 其主要适用于工业、家庭自动控制以及远程控制领域，目的是 为了满足小型廉价设备的无线联网和控制 ZigBee 技术并不是完全独有、全新的标准。 它的物理层、 MAc 层采用了 (无线个人区域网 )协议标准，并在此基础上进行了完善和扩展。 其网络层、应用会聚层和高层应用规范 (APD 由 zigBee 联盟进行了制定的。 根据 协议标准， ZigBee 的工作频段分为 3 个频段，这 3 个工作频段相距较大，而且在各频段上的信道数目不同，因而，在该项技术标准中，各频段上的调制方式和传输速率不同。 它们分别为 868MHz、 915MHZ 和 ，其中 频段上，分为 16 个信道，该频段为全球通用的工业、科学、医学 (ISM:Industrial， seientice candMediea)频段，且该频段为免付款、免申请的无线电频段，在该频段上，数据传输速率为 250kbPs，另外两个频段为 868/9l5MHZ，其相应的信道数分别为 10 个信道和 1个信道，传输速率分别为 40kbPs 和 20kbPs。 ZigBee 是一个由可得多到 65000 个无线数传模块组成的无线数传网络平台，类似与现有的移动通信的 CDMA 网或 GSM 网。 每一个 ZigBee 网络相当与移动网络的一个 基站，他们之间可以在整个网络范围内进行互相的通信；每一个网络节点间的距离可以从标准的 75m 到扩展后的几百米甚至几千米；另外整个 ZigBee 网络还可以与现有的其他各种标网络连接。 同时每一个 ZigBee 网络节点不仅本身可以与监控对象连接直接进行数据采集和监控，它还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料，此外每个 ZigBee 网络节点（ FFD）还可以在自己的信号覆盖的范围内，与多个不承担我网络信息中转任务的孤立的子节点（ RFD）无线连接。 在无线通信技术上，采用免冲突多载波信道接入(CsM/cA)方式，有效地避免了 无线电载波之间的冲突，此外，为保证数据传输的可靠性，建立了完整的应答通信协议。 ZigBee 设备为低功耗设备，其发射功率为 0 一 ，通信距离为 30 一 70m，具有能量检测和链路质量指示能力，根据这些检测结果，设备可自动调整发射功率，在保 12 证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量。 为保证 ZigBee 设备之间通信数据的安全保密性， zigBee 技术采用了密钥长度为 128 位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理。 对于我们的系统要求满足低功耗和拥有适合心电、脉搏、温度等的传输速率的无线网络技术，相比较之下 ，我们选择 ZigBee 技术 标准以及协议栈的研究 ： 基于 ZIGBEE 协议栈的概述： ZigBee 是由 ZigBee 联盟所主导开发的技术标准， 技术标准是 zigBee 技术的基础，该标准定义了物理层 (PHYLayer)及媒体访问层 (MediaAccess Control Layer)， zigBee 联盟在此基础上开发了网络层 (Network Layer)、安全层 (Security Layer)、应用层 (Application Layer)、以及各种应用设备 的资料 (Profile)或行规，对其网络层协议和应用编程接口 (API)进行了标准化。 完整的 ZigBee 协议栈的架构如图 图 ZigBee 协议栈的架构 Figure． ZigBee stack architecture 13 ZigBee 协议栈由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成，其中网络层以上的协议由 ZigBee 联盟负责， IEEE 负责制定物理层和链路层标准。 应用汇聚层把不同的应用映射到 ZigBee 网络，主要包括安全属性的设置和多个业务数据流的汇聚等功能。 网络曾将采 用基于 Ad Hoc 技术的路由协议，除了包含通用的网络层功能外，还应与底层 标准同样省电。 另外，还要实现网络的自组织和自维护，以最大程度的方便消费者的使用，降低网络的维护成本。 ZigBee 协议栈由一层子层构成。 每一层为其上层提供一组特定的服务：一个数据实体提供数据传输服务，一个管理实体提供全部其他服务。 每一个服务实体通过一个服务接入点（ SAP）为其上层提供服务接口，并且每一个 SAP 提供了一系列的基本服务指令来完成相应的功能。 ZigBee 协议栈的体系结构是基于标准的 7 层开放式系统互联（ OSI）模型，但仅对那些涉及 ZigBee 的层予以定义 标准定义了最下面的两层：物理层（ PHY）和介质接入控制子层（ MAC）。 ZigBee 联盟提供了网络层和应用层（ APL）框架的设计。 其中，应用层的框架包括了应用支持子层（ APS）、 ZigBee 设备对象（ ZDO）及制造商制定的应用对象。 相比于常见的无线通信标准， ZigBee 协议栈套件紧凑而简单，具体实现的要求很低。 对于 ZigBee 协议栈套件的最低要求是 :硬件需要 8 位处理器， 32kbytes 的 ROM。 最小协议套件软件大约 4kbytes 的 ROM。 网络协调器节要更多的 RAM，以容纳网络内所有节点的设备信息、数据包转发表、设备联表及与安全有关的密钥存储等。 ZigBee 提供了一套基于 128 位 AES 算法的全类和软件，并集成了 的安全元素。 ZigBee 协议栈类为 MAC、网络应用层定义了安全性。 它的安全服务包括针对关键进程的建立和传输、设备理和框架保护的方法等。 协议栈标准 ： ZigBee 技术的物理层、 MAC 层采用了 (无线个人区域网 )协议标准， ZigBee在 的基础上进行了完善和扩展，定义了系统的高层。 工作在工业、科学、医疗（ ISM）频段，定义了两个工作频段，即 频段和 868/915MHz 频段。 在 中，总共分配了 27 个具有 3 种速率的信道， 频段有 16 个速率为 250Kb/s 信道， 915MHz 频段有 10 个 40kb/s 的信道， 868MHz频段有 1 个 20kb/s 的信道。 这些信道的中心频率为按如下定义（ k 为信道数）： FC=(k=0) FC=906MHz+2(k1)MHz (k=1,2,…,10) FC=2405MHz+5(k11)MHz (K=11,12,…,26) 14 一个 可以根据频段，可用性、拥挤状态和数据数率在 27 个信道中选择1 个工作信道。 从能量和成本效率来看，不同的数据传输数率为不同的应用提供较好的选择。 在物理层定义了两个标准，分别是 868/915MHz 物理层和 物理层。 两个物理层使用相同的物理层数据包格式，都是基于 DSSS(直接序列扩频 )，信道接入方式都采用 CSMA 一 CA。 不同的是它们的工作频率、调制技术、扩 频码片长度和传输速率。 868MHz(欧洲 ISM)频段只有一个信道，传输速率为 20kbps。 9l6MHz(美国 ISM)频段有 10 个信道， DSSS 采用每符号 32 个码片，传输速率为 40kbPs。 868/9l5MHz 频段均采用 BPSK 调制， 是全球统一的无须申请的 ISM 频段，有 16 个信道，提供250kbPs 的传输速率， DSSS 采用了每符号 32 个码片，物理层采用。 O 一 QPSK 调制。 表 概括 的一些特点。 的数据链路层分成逻辑链路控制 (LLC)和媒介访问控制 (MAC)两个子层。 的 MAC 层采用了简单灵活的协议，以保证低成本、易实现、低功耗等特点。 的 MAC 子层支持多种逻辑链路层 (LLC)标准，通过 SSSCS(serviee 一SpeeifieeonvergeneeSublayer 业务相关的会聚子层 )协议承载 类型的 LLC 标准，同时也允许其他 LLC 标准直接使用 的 MAC 层的服务， MAC 层与硬件联系紧密，依赖于不同的物理层而实现。 其中 LLC 在 标准中定义，为 IEEE802标准所共用。 的 MAC 层为了增加灵活性，支持 64bit 的 IEEE 地址和 16bit 的短地址两类地址。 ZigBee 网络中所有设备都被分配以唯一的 64bit 的 IEEE 地址，此地址的分配是动态的。 16bits 的局部地址处理起来更方便，节约功耗。 一旦网络建立，可以使用短地址使网络可以支持超过 65000 个节点。 表 主要技术特征 Main technical characteristics of 复杂程度 比现有的标准低 通信时延 大于等于 15ms 目的 只支持数据通信 信道接入方式 CSMACA 频段、速率及信道数 868MHz:20kbps,1 915MHz:40kbps,10 2..4GHZ:250kbps,16 MAC 控制方式 星型，对等网络 支持节点数 65000 寻址方式 64bitIEEE 地址 8bit 网络地址 15 连接层结构 开放式 温度 40~85 摄氏度 传输范围及速率 室内： 10m,250kbps 室外： 30~75m,40kbps 300m,20kbps 应用 传感器、控制领域等 在 LLC 和 MAC 两层主要完成设备间无线链路的建立、维护和结束，信道接入控制，帧校验，传输可靠性保证和控制，数据的分段与重组等功能。 为了提高数据传输的可靠性， 采用了载波侦听多址 /冲突避免 (CSMA/CA)的信道接入方式和完全握手协议。 分组传送的最大尺寸为 128 字节，其中允许最大净负荷为 104 字节，这足以解决低速的数据传送。 为了节约功耗，提高电源使用效率， MAC 层的访问方式还支持信标 (beacon)访问。 由主节点每隔一段时间群发一个 Beacon 帧，而子节点首先保持在“睡眠”状态，每隔同样一段时间醒 来一次，查看这个 Beacon 帧内是否有其地址，有则可以发送数据，否则仍然进入“睡眠”，这个间隔时间可以从 7 毫秒至 252 秒不等。 避免了节点一直“苏醒”状态下功耗的浪费。 表 列出了 的 PLL 层和 MAC层主要功能 表 的 LLC层和 MAC层的主要功能 Tab ． the LLC layer and MAC layer of the main functions LCC 子层的主要功能 的 MAC 协议主要功 能 传输可靠保障和控制 设备间 无线链路的建立、维护和结束 数据包的分段与重组 确认模式的帧传送与接收 数据包的顺序传输 信道接入控制 帧校验 预留时隙管理 广播信息管理 系统的架构： 医疗监控系统对网络的要求 ： 病人监护网络需要考虑能耗、覆盖面、传输速率和局域网通信等因素。 本研究采用基于 Zigbee 技术的无线网络实现在室内对生理信号的采集，通过无线模块 将生理数据传输到 中央服务器，中央服务器通过 WIFI 或者 Inter 将数据传输到监测系统。 人体携带可移动生理信号传感 器终端，在 网 络的可覆盖范围内活动，通过网络内的路由节点接 16 入网络。 Zighee 网络具有组织、动态路由、网络节点少等特点。 同时 Zigbee 网络考虑了节点的能量节约减少节点处理器的计算负担等问题。 医院的医生可以查看到患者的生理信息可以对生理传感器的采集方式进行控制。 网络拓扑结构的选择 在我们的系统中使用的是 ZigBee 技术， ZigBee 网络支持 3 种形式的网络结构 :星形结构、簇树结构和网状 (Mesh)结构。 如下图 : 图 三种网络拓扑机构 THREE NETWORK TOPOLOGY INSTITUTIONS 星形结构由一个 PAN 主协调器设备 (FFD)和多个从设备 (FFD 或 RFD)组成。 PAN 主协调器启动后，先选定一个 PAN 标识符确保网络的唯一性，再允许其它的设备加入到它的网络，其它的设备只能和主协调器通信而不能相互通信。 星形网络适合小型网络，固定设备的管理。 医院病房的无线呼叫系统最适合使用星形结构，病人的呼叫终端在。