基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究畢業(yè)設(shè)計

1、畢 業(yè) 論 文學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號院 (系 電子與電氣工程系 專 業(yè) 電子信息科學(xué)與技術(shù)題 目基于無線傳感網(wǎng)絡(luò) 的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究指導(dǎo)教師2008 年 5 月 摘要 :本文介紹了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的嵌入式遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。首先,以各種 無線通信生理指標(biāo)傳感器為核心,設(shè)計了一種可擴(kuò)展的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)體 系結(jié)構(gòu)模型。介紹了在該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中采用的無線生理指標(biāo)傳感器節(jié)點(diǎn)以及監(jiān)護(hù)基站設(shè)備的 設(shè)計要點(diǎn)。對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的常用組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了探討,并以 802.15.4/Zigbee協(xié)議作為 節(jié)點(diǎn)和基站設(shè)備所使用的近距離通信標(biāo)準(zhǔn),建立了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型。進(jìn)一步討論了 聯(lián)入 Inte

2、rnet 網(wǎng)絡(luò)或者通過 modem 接入 Internet 網(wǎng)絡(luò)的可行性。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于家庭 以及醫(yī)院病房,構(gòu)成遠(yuǎn)程的家庭、社區(qū)以及醫(yī)院的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。Abstract :An embedded remote health care system based on wireless sensor network technology is established. Firstly, a new system architecture is proposed which introduces a scalable wireless sensor network with a variety o

3、f wireless physiological sensor nodes. Then the designs of several wireless physiological sensor nodes and the care base2station are p resented. Wireless communication between the sensor nodes and the care base2station is realized with IEEE 802. 15. 4 / Zigbee standard, and the care base2station and

4、 the remote central server are connected in one of the following ways, including computing network, and telephone modem. The system can be used at home or in hospitals to form a remote health care system among home, community and hospital.Key words:wireless sensor network ; remote health care ; IEEE

5、 802. 15. 4 / Zigbee目 錄1 前言 4 1.1 分布式醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)簡介 4 1.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)介紹 5 1.2.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)概述 5 1.2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療監(jiān)護(hù)方面的應(yīng)用 5 1.2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu) 6 1.3 研究背景和意義 7 1.3.1 研究背景 71.3.2 研究意義 82 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的家庭監(jiān)護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計 8 2.1 遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成 8 2.1.1遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)總體功能框圖 8 2.1.2 信息中心模塊圖 9 2.2 遠(yuǎn)程家庭監(jiān)護(hù)系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)的要求 102. 3家 庭 監(jiān) 護(hù) 網(wǎng) 絡(luò) 體 系 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 103

6、監(jiān) 護(hù) 系 統(tǒng) 硬 件 設(shè) 計 11 3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù) 11 3. 2 無線網(wǎng)關(guān) 133.3監(jiān)護(hù)基站設(shè)備設(shè)計 144 監(jiān)護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計 15 4.1Zigbee 技術(shù)的主要特點(diǎn) 15 4.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型 17 4.3 無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 17結(jié)論 20 參考文獻(xiàn) 21 致謝 221 前言無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)采用無線自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò),其應(yīng)用前 景廣闊。 ZigBee 技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無 線通信技術(shù),主要適合于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域,可以嵌入各種設(shè)備中,同時支持地理 定位功能。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)如藍(lán)牙

7、技術(shù)、射頻技術(shù)等, ZigBee 技術(shù)將是最 低功耗和成本的技術(shù)。醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀器目前可以分為兩類,一類是指在醫(yī)院內(nèi)由職業(yè)醫(yī)生或?qū)I(yè)技術(shù)人員使用 的專門儀器,對病人進(jìn)行生理指標(biāo)的監(jiān)護(hù) ; 另一類是在普通人員的家庭內(nèi)或者戶外,在醫(yī) 生的指導(dǎo)下,由病人本人或者家屬使用遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)對病人進(jìn)行監(jiān)護(hù),所得到的生理 指標(biāo)將及時傳送給相關(guān)醫(yī)生。 目前, 醫(yī)院所使用的監(jiān)護(hù)方法, 大多使用固定的醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀, 連接設(shè)備將傳感器探頭連接在病人與監(jiān)護(hù)設(shè)備之間進(jìn)行信號的傳遞。復(fù)雜的設(shè)備,眾多的 連線,會造成病人心理上的壓力和緊張情緒,可能會影響病人身體狀況,使得診斷所得到 的數(shù)據(jù)與真實(shí)情況有一定差距,給病人和醫(yī)護(hù)人員都

8、帶來不便,可能會影響對病情的正確 診斷。隨著社會老齡化的加劇,解決長期慢性病的監(jiān)護(hù)成為重要的社會問題。一些突發(fā)性 疾病和家庭保健,如心血管疾病、老人的日常護(hù)理、孕婦、胎兒、嬰兒、幼兒的保健也需 要長期的家庭監(jiān)護(hù)。由于我國醫(yī)療資源緊缺,研究基于公用網(wǎng)絡(luò)的家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù),建立小 區(qū)醫(yī)療網(wǎng)絡(luò),利用遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以提高醫(yī)療服務(wù)水平,減輕病人負(fù)擔(dān)。以往的解決 方案是采用有線方式或簡單的無線數(shù)據(jù)發(fā)射接收方式。被監(jiān)護(hù)者身上安裝的傳感設(shè)備難以 自由靈活地移動和接入,系統(tǒng)沒有擴(kuò)展性,成本高。 Zigbee 技術(shù)的出現(xiàn)為傳感器信號的 無線傳輸提供了新的解決方案。 Zigbee 節(jié)點(diǎn)有幾十米的覆蓋范圍,且可以增加

9、路由節(jié)點(diǎn), 擴(kuò)展覆蓋范圍,因此適用于家庭住宅。同時由于生理監(jiān)護(hù)信號的數(shù)據(jù)傳輸流量不大,傳輸 速率為 250kbps 的 Zigbee 能夠滿足生理數(shù)據(jù)傳輸要求。 Zigbee 傳感節(jié)點(diǎn)可自由靈活地加 入和離開網(wǎng)絡(luò),相對具有低功耗和低成本的特點(diǎn)。Zigbee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的上述特點(diǎn)使其在個人生理信號監(jiān)測和遠(yuǎn)程家庭監(jiān)護(hù)方面將有 很好的應(yīng)用前景。本文在分析 Zigbee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上,對其在移動監(jiān)護(hù)的 應(yīng)用進(jìn)行了研究。1.1 分布式遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)簡介遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)技術(shù)是近年來遠(yuǎn)程醫(yī)療中的一個研究熱點(diǎn),也是一個相對薄弱的環(huán)節(jié), 歐美各國一直致力于對遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的研究,我國近年來也開始推動其

10、發(fā)展。遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)可以定義為通過通信網(wǎng)絡(luò)將遠(yuǎn)端的生理信息和醫(yī)學(xué)信號傳送到監(jiān)護(hù)中心進(jìn)行分析并給出診斷意 見的一種技術(shù)手段,因此遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)一般包括三個部分 :監(jiān)護(hù)中心、遠(yuǎn)端監(jiān)護(hù)設(shè)備 和聯(lián)系兩者的通信網(wǎng)絡(luò)。遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)方式多樣,監(jiān)護(hù)對象可以在家中、戶外進(jìn)行監(jiān)測 ; 測量可 以由患者或家庭醫(yī)生完成 ; 測量結(jié)果既可以本地分析存儲也可以傳輸?shù)奖O(jiān)護(hù)中心后分析處 理存儲,并可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程專家會診。1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)介紹1.2.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種無基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò),其綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、 分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù),可以使人們在任何環(huán)境條件下獲取大

11、量詳實(shí)可靠的信 息。因此,這種網(wǎng)絡(luò)體統(tǒng)可以被廣泛的應(yīng)用于國防軍事、國家安全、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、 醫(yī)療衛(wèi)生、工農(nóng)業(yè)、反恐抗災(zāi)等領(lǐng)域。如果說 Internet 構(gòu)成了邏輯上的信息世界,改變 了人與人之間的溝通方式,那么無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是將邏輯上的信息上的邏輯世界和客觀 上的物理世界融合在一起,改變?nèi)祟惻c自然界的交互方式。人們可以通過傳感器網(wǎng)絡(luò)直接 感知客觀世界,從而極大地擴(kuò)展了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的功能和人類認(rèn)識世界的能力。美國商業(yè)周刊 和 MIT 技術(shù)評論在預(yù)測未來技術(shù)發(fā)展的報告中,分別將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為 21世紀(jì)最有 影響的 21項技術(shù)和改變世界的 10大技術(shù)之一。1.2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療監(jiān)護(hù)

12、方面的應(yīng)用醫(yī)學(xué)臨床監(jiān)護(hù)技術(shù)就是把患者的各種重要生命體征及時、準(zhǔn)確的提取出來進(jìn)行處 理、分析,幫助醫(yī)護(hù)人員對患者病情進(jìn)行監(jiān)測和防護(hù)的技術(shù)。在現(xiàn)有醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中,患 者身上佩戴的傳感器采集的數(shù)據(jù)多通過串口電纜(RS232/485傳送到 PC 上或者通過串口 聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器傳到局域網(wǎng)上。由于所檢測的信號大多是人體信號,而人體處于自然狀態(tài)時的 信號才能真實(shí)的反應(yīng)去生理狀況。因此將檢測設(shè)備通過有線方式連到人體上進(jìn)行監(jiān)測的傳 統(tǒng)方法會使患者感到拘束,從而導(dǎo)致所檢測到的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。特別在病房里,各種連線不 僅時病人感到不舒服,而且會時病房看起來雜亂無章,影響醫(yī)護(hù)人員的工作效率。應(yīng)此醫(yī) 療單位希望以一種低成本、高

13、可靠性的無線傳輸方案來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線方式。無線局域網(wǎng) 具有微功率、抗干擾強(qiáng)、組網(wǎng)靈活等特點(diǎn),時實(shí)現(xiàn)無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的理想選擇。目前無線技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用比較廣泛,但大都是具有基站星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用,并不是真正意義上的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療領(lǐng)域的成功實(shí)例有 :SSIM (Smart Sensors and Integrated Microsystems項目中, 100個微型傳感器被植入病人眼 中,從而幫助盲人獲得了一定程度的視覺。借助于各種醫(yī)療傳感器網(wǎng)絡(luò),人們可以享受到 更方便更舒適的醫(yī)療服務(wù),比如 :傳統(tǒng)的有線監(jiān)護(hù)設(shè)備體積比較大,耗電量高,成本比較 高,大大限制了康復(fù)期病人和需要

14、監(jiān)護(hù)的中老年患者的活動,也無法實(shí)現(xiàn)對處于正常生活 和工作條件下的患者進(jìn)行長時間的連續(xù)監(jiān)測。為了達(dá)到與病房監(jiān)護(hù)一樣的效果,在家中安 裝一個帶有無線接收模塊的接收器,使病人隨身攜帶的監(jiān)護(hù)醫(yī)療設(shè)備通過無線發(fā)送模塊將 病人的數(shù)據(jù)傳送到接收器,接收器與 Internet 網(wǎng)連接,通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到醫(yī)院和社 區(qū)醫(yī)療中心,達(dá)到遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)的目的。病變器官觀察 :通過在人體器官中植入一些微型傳感器,隨時觀測器官的生理狀態(tài), 可以發(fā)現(xiàn)器官的功能惡化,及時采取治療措施從而挽救病人生命。但是推廣這種想法前, 還需要突破許多技術(shù)瓶頸,這些醫(yī)療傳感器必須非常安全 ; 工作能源要從人體自動獲取 ; 系 統(tǒng)穩(wěn)定、基本不需

15、維修。1.2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)(1節(jié)點(diǎn)組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量靠近或處于待監(jiān)測目標(biāo)內(nèi)部的傳感器節(jié)點(diǎn)組成。在不同應(yīng)用 中,節(jié)點(diǎn)的組成略有不同 ,但都包括以下基本單元 :傳感器單元 (傳感器及相關(guān)信號調(diào)理 和數(shù)模轉(zhuǎn)換等 、處理單元 (CPU、存儲器、嵌入式操作系統(tǒng) 、通信單元及電源 (包括相關(guān) 電源管理 。此外還可以有其它功能單元 :定位系統(tǒng)、移動系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電源自供電裝 置及復(fù)雜信號處理 (包括聲音、圖像、數(shù)據(jù)處理及信息融合 ,可以根據(jù)不同的應(yīng)用做出取 舍。傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式組成網(wǎng)絡(luò)。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量巨大,因此 傳感器節(jié)點(diǎn)的成本必須盡可能的低,同時無線傳感器網(wǎng)

16、絡(luò)的工作環(huán)境和工作方式?jīng)Q定了傳 感器節(jié)點(diǎn)必須體積小、功耗低、功能盡可能單一。目前國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了許多種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 的設(shè)計,在功能實(shí)現(xiàn)上類似,只是在微處理器和通信方式上的選擇不同,比如無線通信方 式采用自定義協(xié)議的 ISM 頻段 (Industrial, Scientific&Medical射頻技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、 Zigbee 協(xié)議、 UWB 等。(2網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)及整體構(gòu)建典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)有三種類型 :星形結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)和簇狀結(jié)構(gòu)。其中網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu) 和簇狀結(jié)構(gòu)屬于點(diǎn)對點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。在 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中,根據(jù)設(shè)備所具有的通信能力可以分 為全功能設(shè)備 (FFD和精簡功能設(shè)備 (RFD。 FF

17、D 設(shè)備之間以及 FFD 設(shè)備與 RFD 設(shè)備之間可 以直接通信。 RFD 之間不能直接通信。在 IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中,有一個稱為 PAN 網(wǎng)絡(luò)協(xié) 調(diào)器的 FFD 設(shè)備,是傳感器網(wǎng)絡(luò)中的主控制器。每個網(wǎng)絡(luò)僅有一個主控制器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 除了直接參與應(yīng)用以外,還要完成成員的身份管理、鏈路狀態(tài)信息管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等功 能。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,中心節(jié)點(diǎn)的能量 消耗大。適合于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較少、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、小范圍的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。而點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中只要 通信雙方都在其輻射范圍之內(nèi),任何兩個設(shè)備之間都可以通信。點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器主 要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)管理鏈路狀態(tài)信息,認(rèn)證設(shè)備

18、身份等功能。點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)支持 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò),且 可以構(gòu)造更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在家庭監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中,被監(jiān)護(hù)對象可能在多個房間內(nèi)活動,為了能隨時擴(kuò)大覆蓋范圍, 且方便以后功能擴(kuò)展,選用簇狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在與互聯(lián)網(wǎng)的連接方面,建立 Zigbee 無 線網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)的網(wǎng)橋,將監(jiān)護(hù)信息傳送到監(jiān)控服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)對服務(wù)器的共享。1.3 研究背景和意義1.3.1 研究背景聯(lián)合國發(fā)表報告指出 :當(dāng)二十一世紀(jì)上半葉到來時,全球人口將增加 0.6倍,而老年 人口將增加 2.3倍,老年人口占總?cè)丝诘谋壤龑⑸仙?20%,由此衍生出許多關(guān)于老年人 醫(yī)療與照顧的社會問題。2002年 12月 16日在曼谷召開的第 5屆亞太人口會

19、議中中國國家報告指出, 中國人口 主要死因依次為 :惡性腫瘤、腦血管、心血管、呼吸系統(tǒng)疾病等。慢性非傳染性疾病已對 人民健康和生命構(gòu)成嚴(yán)重威脅,預(yù)防控制慢性非傳染性疾病是 21世紀(jì)的重點(diǎn)任務(wù)。 慢性病和退化性疾病需要長期追蹤與治療,但大量病人不可能長期留在醫(yī)院接受治 療,而是大多采取定期回院復(fù)診的治療方式,缺乏長期有效的病情監(jiān)控與護(hù)理,即浪費(fèi)了 病人往返醫(yī)院的時間金錢,也增加了病人的精神壓力,特別是有些慢性病 (如癲癰 需要監(jiān) 測發(fā)病時的生理參數(shù),但病人入院復(fù)診時未必發(fā)病,影響了診斷的有效性和準(zhǔn)確性。此外 多數(shù)的病人具有自由活動的能力,但目前的監(jiān)護(hù)方式使得病人被束縛于醫(yī)院和病床。據(jù)測算, 20

20、00年衛(wèi)生總費(fèi)用占國內(nèi)生產(chǎn)總值 (GDP 的比例為 4.05%,到 2030年將達(dá) 到 24%。我國是發(fā)展中國家,財力有限,工業(yè)基礎(chǔ)也較薄弱,在這種人多錢少設(shè)備有限交 通緊張的情況下,又有眾多的老人及慢性病患者需要長期監(jiān)護(hù)和照顧,如何有效的分配利 用醫(yī)療資源,正考驗(yàn)著現(xiàn)有的醫(yī)療體系。電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的飛速發(fā)展為我們的生活帶來了便利,也為醫(yī)療體 系的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇。如何將信息技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療,一直是世界各發(fā)達(dá)國家的重點(diǎn)發(fā) 展 目 標(biāo) , 歐 美 許 多 國 家 正 積 極 推 動 醫(yī) 療 信 息 基 礎(chǔ) 建 設(shè) C HealthCare Information Infrastru

21、cture, HOD,我國也推出了金衛(wèi)醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)工程等項目,目的在于集成信息科學(xué)、 計算機(jī)技術(shù)和通信應(yīng)用技術(shù)于醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的高科技產(chǎn)業(yè),優(yōu)化療保健服務(wù),加速實(shí)施我 國醫(yī)院管理及醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的進(jìn)程。1.3.2 研究意義科學(xué)研究和醫(yī)療保健的需求、信息技術(shù)的飛速發(fā)展,都推動著遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)技術(shù)的進(jìn)步, 發(fā)展遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)技術(shù)具有重要的意義 :縮短醫(yī)生和患者之間的距離,為患者提供及時救助,減少患者或醫(yī)務(wù)人員的路途奔 波。對患者的重要生理參數(shù)實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù),不僅可以輔助治療,還能在患者病情突然惡化 時報警。對自理能力較差的老年人和殘疾人的日常生活狀態(tài)實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù),不僅能提高醫(yī)護(hù)人員的護(hù)理水平和患者的生活質(zhì)量,

22、還可以評估監(jiān)護(hù)對象的獨(dú)立生活能力和健 康狀況。遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)可以在患者熟悉的環(huán)境中進(jìn)行,減少了患者的心理壓力,提高了診斷的準(zhǔn) 確性。對健康狀況進(jìn)行監(jiān)護(hù), 可以發(fā)現(xiàn)疾病的早期癥狀, 從而達(dá)到保健和預(yù)防疾病的目的。 先進(jìn)的醫(yī)學(xué)支持系統(tǒng)為通信和信息領(lǐng)域中的新技術(shù)提供了一個進(jìn)行評測的平臺,如 虛擬環(huán)境、智能傳感器和輔助醫(yī)生的決策系統(tǒng)等。2 基于無線網(wǎng)絡(luò)的家庭監(jiān)護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計2.1 遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成2.1.1 遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)總體功能框圖本系統(tǒng)由監(jiān)護(hù)基站設(shè)備和 Zigbee 傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個微型監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò), 傳感器節(jié)點(diǎn)上使 用中央控制器對所需要監(jiān)測的生命指標(biāo)傳感器進(jìn)行控制來采集數(shù)據(jù), 通過 Zigbe

23、e 無線通信 方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)護(hù)基站設(shè)備,并由該基站裝置將數(shù)據(jù)傳輸至所連接的 PC 或者其他網(wǎng) 絡(luò)設(shè)備上,通過 Internet 網(wǎng)絡(luò)可以將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)中心,由專業(yè)醫(yī)療人員對數(shù) 據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計觀察,提供必要的咨詢服務(wù),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。在救護(hù)車中的急救人員還可通過 GPRS 實(shí)現(xiàn)將急救病人情況的實(shí)時傳送,以利于醫(yī)院搶救室及時地做好準(zhǔn)備工作。該遠(yuǎn)程 醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖 2-1所示。醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)不同的需要而設(shè)置,因 此該系統(tǒng)具有極大的靈活性和擴(kuò)展性。同時,將該系統(tǒng)接入 Internet 網(wǎng)絡(luò),可以形成更大 的社區(qū)醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)乃至整個城市和全國的醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)。 醫(yī)療設(shè)

24、備圖 2-1 遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)中包括 WPAN (Wireless Personal Area Network Zigbee網(wǎng)絡(luò)以及一系列醫(yī)療 監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)還具有良好的擴(kuò)展性。例如 :醫(yī)護(hù)人員在急救途中或 是在其他醫(yī)院可以分別利用 WLAN/UMTS網(wǎng)關(guān)和互聯(lián)網(wǎng)與系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。2.1.2 中央信息處理控制中心如圖 2-2所示,中央信息處理控制中心由監(jiān)控模塊、配置模塊、數(shù)據(jù)庫三個部分組 成。通過公共網(wǎng)絡(luò)與匯節(jié)點(diǎn)連接在一起,監(jiān)控模塊通過 Modem 及時地接收匯節(jié)點(diǎn)發(fā)送來 的各種信息,并對接收到的信息進(jìn)行分析處理,根據(jù)不同的信息類型完成相應(yīng)的操作,實(shí) 現(xiàn)對分

25、布式匯節(jié)點(diǎn)上報信息的及時接收、分析、處理以及向具有不同編號 ID 的匯節(jié)點(diǎn)發(fā) 送控制信令,實(shí)現(xiàn)對傳感器節(jié)點(diǎn)的間接、全方位的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。 2. 2 遠(yuǎn)程家庭監(jiān)護(hù)系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)的要求家庭監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)需要考慮能耗、覆蓋面、傳輸速率和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信等因素。本研究采 用基于 Zigbee 技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)對生理信號的采集,通過互聯(lián)網(wǎng)將生理數(shù)據(jù)傳 輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)護(hù)服務(wù)器。 人體攜帶可移動生理信號傳感器終端, 在網(wǎng)絡(luò)的可覆蓋范圍內(nèi)活動, 通過網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的路由節(jié)點(diǎn)接入互聯(lián)網(wǎng)。 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)具有自組織、動態(tài)路由、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)少等特 點(diǎn)。同時 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)考慮了節(jié)點(diǎn)的能量節(jié)約,減少節(jié)點(diǎn)處理器的計算負(fù)擔(dān)等問題。

26、醫(yī)院 或社區(qū)的醫(yī)生可以隨時通過互聯(lián)網(wǎng)查看患者的生理信息,可以對生理傳感器的采集方式進(jìn) 行控制。同時也可以獲得無線網(wǎng)絡(luò)中其他監(jiān)護(hù)設(shè)備的信息。2. 3 家庭監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計基于上述分析,本文設(shè)計的遠(yuǎn)程家庭監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖 2-3所示。 Zigbee 無線 系統(tǒng)主要由 Zigbee 無線傳感器節(jié)點(diǎn) (溫度傳感器節(jié)點(diǎn) 、若干個具有路由功能的無線節(jié)點(diǎn) 和 zigbee 中心網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 (連接家庭無線網(wǎng)橋 組成。無線網(wǎng)橋連接 zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)與以 太網(wǎng),是家庭無線網(wǎng)絡(luò)的核心部分,負(fù)責(zé)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和設(shè)備節(jié)點(diǎn)的管理。 圖 2-3 遠(yuǎn)程家庭監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)溫度傳感器節(jié)點(diǎn)可以通過節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送

27、數(shù)據(jù)。由于被監(jiān)護(hù)者在家庭內(nèi)自由活動,所 以其攜帶的傳感器節(jié)點(diǎn)的路由可能是動態(tài)變化的。所設(shè)計的 Zigbee無線節(jié)點(diǎn)的室內(nèi)通信 距離為 3060m ,節(jié)點(diǎn)可根據(jù)房間的分布進(jìn)行布置,以能夠最大程度地覆蓋活動區(qū)域。溫 度生理數(shù)據(jù)經(jīng)過家庭網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)護(hù)服務(wù)器。遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)服務(wù)器負(fù)責(zé)溫度生理數(shù)據(jù)的實(shí) 時采集、 顯示和保存。 其他的監(jiān)護(hù)信息如監(jiān)護(hù)圖像、 安全設(shè)備狀態(tài)等也可以傳輸?shù)椒?wù)器。 醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心和醫(yī)生可以登錄監(jiān)護(hù)服務(wù)器查看被監(jiān)護(hù)者的生理信息.也可以遠(yuǎn)程控制家庭 Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)中的傳感器和設(shè)備, 從而在被監(jiān)護(hù)病人出現(xiàn)異常時, 能及時檢測到并采取 搶救措施。被監(jiān)護(hù)者的親屬等也可以登錄監(jiān)護(hù)服務(wù)器隨

28、時了解被監(jiān)護(hù)者的健康狀況。3監(jiān)護(hù)系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)醫(yī)療無線傳感器節(jié)點(diǎn)主要功能為采集人體生理指標(biāo)數(shù)據(jù),或者對某些醫(yī)療設(shè)備的狀況 或者治療過程情況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測,并通過射頻通信的方式,將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)護(hù)基站設(shè)備。 醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)框圖和處理器單元如圖 3-1所示。 醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)主要包括 4 部分:生理信息與數(shù)據(jù)采集單元、無線數(shù)據(jù)通信單元、 處理器單元、電源。處理單元主要分為五個部分:CPU 、存儲器、 AD 轉(zhuǎn)換、測試帶和數(shù)碼 顯示屏。根據(jù)低功耗和處理能力的需要,可以采用 TI 公司的 MSP430 系列單片機(jī);存儲器 部分主要用于存儲傳感器所采集的臨時數(shù)據(jù),在處理器將數(shù)據(jù)傳輸

29、之后,傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)不 做數(shù)據(jù)的大量存儲;用 ADC12 和 DAC12 對測試帶傳過的模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。工作原理:首 先由控制單元發(fā)出開始監(jiān)測某項生理參數(shù)的指令,然后通過無線數(shù)據(jù)通信單元把指令發(fā)給 生理信息與數(shù)據(jù)采集單元對人體生理信號(體溫、血壓、脈搏、血氧等,本文主要是體溫 信號進(jìn)行采集后通過無線數(shù)據(jù)通信單元將數(shù)據(jù)傳給控制和顯示單元中的信息處理模塊控 制和顯示單元,一方面對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示,另一方面將結(jié)果數(shù)據(jù)存人數(shù)據(jù)庫 供檢索和回放。節(jié)點(diǎn)的核心是無線數(shù)據(jù)通信單元和生理信息與數(shù)據(jù)采集單元。以下簡要介 紹這兩個單元:3.1.1 無線數(shù)據(jù)通信單元在醫(yī)院應(yīng)用的醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備對電磁輻射的要求都

30、很高,對于設(shè)備來講,輻射的電磁波 既不能夠干擾其他設(shè)備正常工作,同時也應(yīng)具有一定的抗干擾能力,不受其他設(shè)備輻射出 的電磁波干擾。因此,在醫(yī)院或者使用無限通信的家庭醫(yī)療設(shè)備在設(shè)計中必須對此方面進(jìn) 行考慮。在本系統(tǒng)中,所使用的射頻通信采用的通信標(biāo)準(zhǔn)為 802.15.4/Zigbee標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)專 門針對近距離高速數(shù)據(jù)傳輸,具有較高的數(shù)據(jù)糾錯和抗干擾能力。并且,系統(tǒng)對無線信號 的工作強(qiáng)度進(jìn)行了控制,使得在正常狀態(tài)下,信號強(qiáng)度能夠滿足通信的需要而且不會有過 多的浪費(fèi),一方面節(jié)省了系統(tǒng)的能量,另一方面也降低了無線通信過程對于其他設(shè)備的干 擾。本系統(tǒng)所設(shè)計的射頻通信裝置可以使用以 CC2420芯片為核心的

31、射頻通信模塊。該芯 片是美國 Chipcon 公司生產(chǎn)的,是一款低功耗無線收發(fā)芯片,尤其適合工作于低功耗、低 電壓的無線通信設(shè)備中。該芯片工作在 2.4GHz 的免費(fèi) ISM 頻段,射頻收發(fā)符合 IEEE802.15.4/Zigbee標(biāo)準(zhǔn),能夠滿足本系統(tǒng)射頻通信的需要。無線傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框 圖如圖 3-2所示。3.1.2生理信息與數(shù)據(jù)采集單元在本文所設(shè)計的系統(tǒng)中,醫(yī)療傳感器模塊主要實(shí)現(xiàn)了測量體溫的功能, 體溫測量可 以集成北京邁創(chuàng)公司所生產(chǎn)的 YSI 體溫探頭。在本系統(tǒng)的設(shè)計中,無線節(jié)點(diǎn)為傳感器擴(kuò)展 留出了豐富的接口,如果需要其它類型的生理指標(biāo)數(shù)據(jù),如血壓、血氧、心電等數(shù)據(jù),則 只需要將相應(yīng)

32、的傳感器接入預(yù)留的接口,就可以形成新的無線傳感器節(jié)點(diǎn),開發(fā)相應(yīng)的嵌 入式控制及處理軟件,就可以將節(jié)點(diǎn)直接加入到該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。3.2 無線網(wǎng)關(guān)網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制和管理,實(shí)現(xiàn)信息的融合處理,并將信息傳輸?shù)交ヂ?lián) 網(wǎng)。網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸和運(yùn)算量較大,可以采用外部電力作為電源供應(yīng),因市面上有很多成 熟的網(wǎng)關(guān)成品,因此本設(shè)計可以選用具有較強(qiáng)的信息處理能力和網(wǎng)絡(luò)功能的 ARM9系列作 為控制器的網(wǎng)關(guān)。 圖 3.3 無線網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖3.3 監(jiān)護(hù)基站設(shè)備設(shè)計圖 3.4所示是本文設(shè)計的醫(yī)療監(jiān)護(hù)基站設(shè)備的結(jié)構(gòu)框圖。本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能是采 集并顯示測試得到的數(shù)據(jù)信息,同時將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行適當(dāng)存儲和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)

33、發(fā),因此本系統(tǒng)中 的監(jiān)護(hù)基站設(shè)備被設(shè)計成一種手持設(shè)備,同時監(jiān)護(hù)基站設(shè)備可以和系統(tǒng)中的多個傳感器節(jié) 點(diǎn)進(jìn)行通信以完成數(shù)據(jù)的采集和顯示等功能。在使用過程中,監(jiān)護(hù)基站設(shè)備通過無線信道 向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令來啟動傳感器節(jié)點(diǎn),傳感器節(jié)點(diǎn)接收到命令后進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù) 采集動作,采集人體生理指標(biāo)數(shù)據(jù),采集結(jié)束后通過無線通信的方式將數(shù)據(jù)返回到監(jiān)護(hù)基 站,由監(jiān)護(hù)基站進(jìn)行進(jìn)一步的顯示、存儲等操作。必要時,監(jiān)護(hù)基站設(shè)備可以通過網(wǎng)絡(luò)將 數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器端。醫(yī)療監(jiān)護(hù)基站設(shè)備主要包括 :處理器、存儲器、人機(jī)交互模塊、通信模塊接口等幾個 部分。醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備的主處理器可以采用 TI 公司的 MSP430系列的低功耗處理

34、器,該系列 處理器具有超低功耗、處理速度高、接口豐富等特點(diǎn),非常適合用于需要超低功耗以及高 速的嵌入式設(shè)備。人機(jī)交互接口包括用戶輸入指令的鍵盤以及顯示數(shù)據(jù)結(jié)果和操作過程的 LCD 顯示屏兩個部分。 為了增強(qiáng)系統(tǒng)的適用性和兼容性,監(jiān)護(hù)基站設(shè)備上設(shè)計了多種通信模塊接口,其中 包括 RS-232接口、 modem 接口模塊、 GSM 短消息接口模塊和射頻接口模塊。其中射頻接口 模塊用于和系統(tǒng)內(nèi)無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行近距離通信,其他通信接口用于和主機(jī)服務(wù)器進(jìn)行 通信。例如,在家中沒有 Internet 網(wǎng)絡(luò)接入的情況下,用戶可以使用 modem 模塊接入電 話線進(jìn)行撥號,將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器端。在戶外沒有其

35、他連接方式的情況下,用戶可以使 用 GSM 短消息的方式,將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器端。當(dāng)處于醫(yī)院或者社區(qū)醫(yī)療中心的服務(wù)器端 接收到監(jiān)護(hù)基站設(shè)備所發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息的時候,則可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲以及必要的分 析,醫(yī)生則可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的判斷和處理。對于在家中使用的醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備, 用戶還可以根據(jù)需要,通過 RS-232接口,將設(shè)備連接在家中的 PC 機(jī)上,這樣,就可以將 監(jiān)護(hù)基站設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸至計算機(jī)中,進(jìn)行更靈活的管理,家庭成員可以根據(jù)數(shù)據(jù)自己判 斷被監(jiān)護(hù)人員的身體狀況, 同時也可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鞣?wù)器上, 由專業(yè)醫(yī)療人員析管理。 監(jiān)護(hù)基站設(shè)備在正常工作狀態(tài)下使用電池進(jìn)行供電,因此在設(shè)計過程中尤其

36、注意了 低功耗的管理與控制。 在不工作的時刻, 系統(tǒng)會進(jìn)入低功耗以及休眠狀態(tài)來節(jié)省系統(tǒng)能量。 4 監(jiān)護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 Zigbee 技術(shù)的主要特點(diǎn)*數(shù)據(jù)傳輸速率低 :只有 10k 字節(jié) /秒到 250k 字節(jié) /秒,專注于低傳輸應(yīng)用 ;*功耗低 :在低耗電待機(jī)模式下,兩節(jié)普通 5號干電池可使用 6個月到 2年,免去了充電 或者頻繁更換電池的麻煩。這也是 Zigbee 的支持者所一直引以為豪的獨(dú)特優(yōu)勢 ;*成本低 :因?yàn)?Zigbee 數(shù)據(jù)傳輸速率低,協(xié)議簡單,所以大大降低了成本。且 Zigbee 協(xié) 議免收專利費(fèi)。*時延短 :通常時延都在 15毫秒至 30毫秒之間 ;*安全 :Zigbee

37、提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能,加密算法采用 AES-128,同時可以靈 活確定其安全屬性 ;*網(wǎng)絡(luò)容量大 :每個 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)最多可支持 255個設(shè)備,也就是說,每個 Zigbee 設(shè)備可 以與另外 254臺設(shè)備相連接 ;*優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芰?:ZigBee具有星、樹和叢網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的能力。 ZigBee 設(shè)備實(shí)際上具有 無線網(wǎng)路自愈能力 , 能簡單地覆蓋廣闊圍 ;*有效范圍小 :有效覆蓋范圍 1075米之間,具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的 應(yīng)用模式而定,基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境 ;*工作頻段靈活 :使用的頻段分別為 2.4GHz(全球 、 868MHz(歐洲 及 91

38、5MHz(美國 ,均為 免執(zhí)照頻段。目前市場有數(shù)款基于 Zigbee 技術(shù)的平臺,其各有特點(diǎn),主要有以下幾種 : Chipcon 公司推出的 CC2420,它是一款符合 IEEE 802.15.4規(guī)范的 2.4GHz 射頻芯 片, 用來開發(fā)下代無線傳感及家庭組網(wǎng)等 PAN 網(wǎng)絡(luò)的 Zigbee 設(shè)備和產(chǎn)品。 它基于 Chipcon 公司的 SmartRF03技術(shù),以 0.18pmCMOS 工藝制成,只需極少外部元器件,性能穩(wěn)定且功 耗極低。美國 Helicomm 公司 Zigbee 無線收發(fā)模塊 IP-L1nkl000o IPLink1000是集成了射頻 收發(fā)器,微控制器,數(shù)字和模擬 I/O,

39、多點(diǎn)多拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)層功能于一身的半雙工無線通訊系 列模塊。 IP-Link1000系列模塊內(nèi)嵌的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議, 完整體現(xiàn)世界上最新的 Zigbee v1.0網(wǎng)絡(luò)層的強(qiáng)大功能。飛思卡爾 Zigbee-Ready 芯片 MC 13192, MC 13192是一款適用于 Zigbee 產(chǎn)品的 RF 器件。 MC13192只需極少外部元器件,性能穩(wěn)定且功耗極低, MC13192的選擇性和敏感性 指數(shù)超過了 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求,可確保短距離通信的有效性和可靠性。模塊大小 僅占 1平方英寸,可以靈活的嵌入到既有的產(chǎn)品中,輕而易舉實(shí)現(xiàn)無線感測和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的功能。4.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)IEEE 80

40、2.15.4協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三種類型:星形結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)和族狀結(jié) 構(gòu).如圖 4-1所示。其中網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)和族狀結(jié)構(gòu)屬于點(diǎn)對點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。在 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中, 根據(jù)設(shè)備所具有的通信能力可以分為全功能設(shè)備 (FFD和精簡功能設(shè)備 (FIFD。 FFD 設(shè)備之 間以及 FFB 設(shè)備與 RFD 設(shè)備之間可以直接通信。 RFD 之間不能直接通信。 在 IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中,有一個稱為 PAN 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的 FFD 設(shè)備,是傳感器網(wǎng)絡(luò)中的主控制器。每個網(wǎng)絡(luò) 僅有一個主控制器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器除了直接參與應(yīng)用以外,還要完成成員的身份管理、鏈路 狀態(tài)信息管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等功能。 圖 4-1 IE

41、EE802.15.4的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愋托切尉W(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,中心節(jié)點(diǎn)的能量 消耗大。適合于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較少、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、小范圍的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。而點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中只要 通信雙方都在其輻射范圍之內(nèi),任何兩個設(shè)備之間都可以通信。點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器主 要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)管理鏈路狀態(tài)信息,認(rèn)證設(shè)備身份等功能。在家庭監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中,被監(jiān)護(hù)對象可能在多個房間內(nèi)活動,為了能隨時擴(kuò)大覆蓋范圍, 且方便以后功能擴(kuò)展,選用族狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在與互聯(lián)網(wǎng)的連接方面,建立 Zigbee 無 線網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)的網(wǎng)橋,將監(jiān)護(hù)信息傳送到監(jiān)控服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)信息的共享。4.3 無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Zigbee 協(xié)議

42、棧由一系列分層結(jié)構(gòu)組成,每一層為上一層提供服務(wù)。數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù) 據(jù)傳輸服務(wù),管理實(shí)體提供其他功能服務(wù)。每種服務(wù)實(shí)體通過服務(wù)接入點(diǎn) (SAP為上層提 供接口。基于 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)軟件分層結(jié)構(gòu)如圖 4-2所示。PHY 層和 MAC 層由 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)組制定。 物理層定義了物理無線信道和 MAC 子層之間的接口,提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無線信道上 收發(fā)數(shù)據(jù)。物理管理層維護(hù)一個由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。Zigbee 聯(lián)盟基于 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用支持層及應(yīng)用層框架。 Zigbee 網(wǎng)絡(luò) 層提供加入和離開網(wǎng)絡(luò)機(jī)制、對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密以及幀路由等功能。路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分 組從源節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn),主要完成兩個功能:(1尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的優(yōu)化路徑 ;(2將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑轉(zhuǎn)發(fā)。為了能夠高效利用能量,減少通信量, Zigbee 網(wǎng)絡(luò)允許樹形路由選擇,即樹形結(jié)構(gòu)選 址。有了樹形路由選擇,設(shè)備不必保存占有龐大內(nèi)存的路由表或者進(jìn)行額外的空中下載操 作來發(fā)現(xiàn)路徑,從而減小了網(wǎng)絡(luò)流量。為避免錯誤信息超過一定長度的過渡路由而產(chǎn)