【文章內容簡介】 dio Serviee)的英文簡稱，是在 GSM 系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè) 務，目的是為 GSM 用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務。 GPRS 采用與 GSM 同樣的無線調制標準、同樣的頻帶、同樣的突發(fā)結構、同樣的跳頻規(guī)則以及同樣的 TDMA 幀結構。 GPRS 允許用戶在端到端分組轉移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網絡資源。從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務。 11 GSM 終端設備之間能夠通過 SMS 進行數(shù)據(jù)傳輸。利用該功能，將 SMS 服務功能加入到每一只表具終端中，即可以實現(xiàn)無線抄表。該方法技術成熟，利用現(xiàn)有的 GSM 網，不需要昂貴的系統(tǒng)設備，抄表不受距離和空間的限制。 由于單個模塊成 本較高，目前 GMS/GRPS 技術還不能用于民用用戶，主要 用于 4 對總表的抄收上?；蛎裼糜脩羰覂缺砭咭云渌统杀镜姆绞郊胁杉?，管理單位以此方式與小區(qū)集中器間交換信息。 ZIGBEE 技術： ZigBee 技術是一種近距離、低功耗、低成本、低傳輸速率的具有統(tǒng)一技術標準的短距離無線通信技術 .它有自己的標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現(xiàn)通信，只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以之間的通信效率比較高。其主要適用于工業(yè)、家庭自動控制以及遠程控制領域，目的是 為了滿足小型廉價設備的無線聯(lián)網和控制 ZigBee 技術并不是完全獨有、全新的標準。它的物理層、 MAc 層采用了 (無線個人區(qū)域網 )協(xié)議標準，并在此基礎上進行了完善和擴展。其網絡層、應用會聚層和高層應用規(guī)范 (APD 由 zigBee 聯(lián)盟進行了制定的。 根據(jù) 協(xié)議標準， ZigBee 的工作頻段分為 3 個頻段，這 3 個工作頻段相距較大，而且在各頻段上的信道數(shù)目不同，因而，在該項技術標準中，各頻段上的調制方式和傳輸速率不同。它們分別為 868MHz、 915MHZ 和 ，其中 頻段上，分為 16 個信道，該頻段為全球通用的工業(yè)、科學、醫(yī)學 (ISM:Industrial， seientice candMediea)頻段，且該頻段為免付款、免申請的無線電頻段，在該頻段上，數(shù)據(jù)傳輸速率為 250kbPs，另外兩個頻段為 868/9l5MHZ，其相應的信道數(shù)分別為 10 個信道和 1個信道，傳輸速率分別為 40kbPs 和 20kbPs。 ZigBee 是一個由可得多到 65000 個無線數(shù)傳模塊組成的無線數(shù)傳網絡平臺，類似與現(xiàn)有的移動通信的 CDMA 網或 GSM 網。每一個 ZigBee 網絡相當與移動網絡的一個 基站，他們之間可以在整個網絡范圍內進行互相的通信；每一個網絡節(jié)點間的距離可以從標準的 75m 到擴展后的幾百米甚至幾千米；另外整個 ZigBee 網絡還可以與現(xiàn)有的其他各種標網絡連接。同時每一個 ZigBee 網絡節(jié)點不僅本身可以與監(jiān)控對象連接直接進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，它還可以自動中轉別的網絡節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料，此外每個 ZigBee 網絡節(jié)點（ FFD）還可以在自己的信號覆蓋的范圍內，與多個不承擔我網絡信息中轉任務的孤立的子節(jié)點（ RFD）無線連接。在無線通信技術上，采用免沖突多載波信道接入(CsM/cA)方式，有效地避免了 無線電載波之間的沖突，此外，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕⒘送暾膽鹜ㄐ艆f(xié)議。 ZigBee 設備為低功耗設備，其發(fā)射功率為 0 一 ，通信距離為 30 一 70m，具有能量檢測和鏈路質量指示能力，根據(jù)這些檢測結果，設備可自動調整發(fā)射功率，在保 12 證通信鏈路質量的條件下，最小地消耗設備能量。為保證 ZigBee 設備之間通信數(shù)據(jù)的安全保密性， zigBee 技術采用了密鑰長度為 128 位的加密算法，對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進行加密處理。 對于我們的系統(tǒng)要求滿足低功耗和擁有適合心電、脈搏、溫度等的傳輸速率的無線網絡技術，相比較之下 ，我們選擇 ZigBee 技術 標準以及協(xié)議棧的研究 ： 基于 ZIGBEE 協(xié)議棧的概述： ZigBee 是由 ZigBee 聯(lián)盟所主導開發(fā)的技術標準， 技術標準是 zigBee 技術的基礎，該標準定義了物理層 (PHYLayer)及媒體訪問層 (MediaAccess Control Layer)， zigBee 聯(lián)盟在此基礎上開發(fā)了網絡層 (Network Layer)、安全層 (Security Layer)、應用層 (Application Layer)、以及各種應用設備 的資料 (Profile)或行規(guī)，對其網絡層協(xié)議和應用編程接口 (API)進行了標準化。 完整的 ZigBee 協(xié)議棧的架構如圖 圖 ZigBee 協(xié)議棧的架構 Figure． ZigBee stack architecture 13 ZigBee 協(xié)議棧由高層應用規(guī)范、應用匯聚層、網絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成，其中網絡層以上的協(xié)議由 ZigBee 聯(lián)盟負責， IEEE 負責制定物理層和鏈路層標準。應用匯聚層把不同的應用映射到 ZigBee 網絡，主要包括安全屬性的設置和多個業(yè)務數(shù)據(jù)流的匯聚等功能。網絡曾將采 用基于 Ad Hoc 技術的路由協(xié)議，除了包含通用的網絡層功能外，還應與底層 標準同樣省電。另外，還要實現(xiàn)網絡的自組織和自維護，以最大程度的方便消費者的使用，降低網絡的維護成本。 ZigBee 協(xié)議棧由一層子層構成。每一層為其上層提供一組特定的服務：一個數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務，一個管理實體提供全部其他服務。每一個服務實體通過一個服務接入點（ SAP）為其上層提供服務接口，并且每一個 SAP 提供了一系列的基本服務指令來完成相應的功能。 ZigBee 協(xié)議棧的體系結構是基于標準的 7 層開放式系統(tǒng)互聯(lián)（ OSI）模型，但僅對那些涉及 ZigBee 的層予以定義 標準定義了最下面的兩層：物理層（ PHY）和介質接入控制子層（ MAC）。 ZigBee 聯(lián)盟提供了網絡層和應用層（ APL）框架的設計。其中，應用層的框架包括了應用支持子層（ APS）、 ZigBee 設備對象（ ZDO）及制造商制定的應用對象。 相比于常見的無線通信標準， ZigBee 協(xié)議棧套件緊湊而簡單，具體實現(xiàn)的要求很低。對于 ZigBee 協(xié)議棧套件的最低要求是 :硬件需要 8 位處理器， 32kbytes 的 ROM。最小協(xié)議套件軟件大約 4kbytes 的 ROM。網絡協(xié)調器節(jié)要更多的 RAM，以容納網絡內所有節(jié)點的設備信息、數(shù)據(jù)包轉發(fā)表、設備聯(lián)表及與安全有關的密鑰存儲等。 ZigBee 提供了一套基于 128 位 AES 算法的全類和軟件，并集成了 的安全元素。 ZigBee 協(xié)議棧類為 MAC、網絡應用層定義了安全性。它的安全服務包括針對關鍵進程的建立和傳輸、設備理和框架保護的方法等。 協(xié)議棧標準 ： ZigBee 技術的物理層、 MAC 層采用了 (無線個人區(qū)域網 )協(xié)議標準， ZigBee在 的基礎上進行了完善和擴展，定義了系統(tǒng)的高層。 工作在工業(yè)、科學、醫(yī)療（ ISM）頻段，定義了兩個工作頻段，即 頻段和 868/915MHz 頻段。在 中，總共分配了 27 個具有 3 種速率的信道， 頻段有 16 個速率為 250Kb/s 信道， 915MHz 頻段有 10 個 40kb/s 的信道， 868MHz頻段有 1 個 20kb/s 的信道。 這些信道的中心頻率為按如下定義（ k 為信道數(shù)）： FC=(k=0) FC=906MHz+2(k1)MHz (k=1,2,…,10) FC=2405MHz+5(k11)MHz (K=11,12,…,26) 14 一個 可以根據(jù)頻段，可用性、擁擠狀態(tài)和數(shù)據(jù)數(shù)率在 27 個信道中選擇1 個工作信道。從能量和成本效率來看，不同的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率為不同的應用提供較好的選擇。 在物理層定義了兩個標準，分別是 868/915MHz 物理層和 物理層。兩個物理層使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，都是基于 DSSS(直接序列擴頻 )，信道接入方式都采用 CSMA 一 CA。不同的是它們的工作頻率、調制技術、擴 頻碼片長度和傳輸速率。 868MHz(歐洲 ISM)頻段只有一個信道，傳輸速率為 20kbps。9l6MHz(美國 ISM)頻段有 10 個信道， DSSS 采用每符號 32 個碼片，傳輸速率為 40kbPs。 868/9l5MHz 頻段均采用 BPSK 調制， 是全球統(tǒng)一的無須申請的 ISM 頻段，有 16 個信道，提供250kbPs 的傳輸速率， DSSS 采用了每符號 32 個碼片，物理層采用。 O 一 QPSK 調制。表 概括 的一些特點。 的數(shù)據(jù)鏈路層分成邏輯鏈路控制 (LLC)和媒介訪問控制 (MAC)兩個子層。 的 MAC 層采用了簡單靈活的協(xié)議，以保證低成本、易實現(xiàn)、低功耗等特點。 的 MAC 子層支持多種邏輯鏈路層 (LLC)標準，通過 SSSCS(serviee 一SpeeifieeonvergeneeSublayer 業(yè)務相關的會聚子層 )協(xié)議承載 類型的 LLC 標準，同時也允許其他 LLC 標準直接使用 的 MAC 層的服務， MAC 層與硬件聯(lián)系緊密，依賴于不同的物理層而實現(xiàn)。其中 LLC 在 標準中定義，為 IEEE802標準所共用。 的 MAC 層為了增加靈活性，支持 64bit 的 IEEE 地址和 16bit 的短地址兩類地址。 ZigBee 網絡中所有設備都被分配以唯一的 64bit 的 IEEE 地址，此地址的分配是動態(tài)的。 16bits 的局部地址處理起來更方便，節(jié)約功耗。一旦網絡建立，可以使用短地址使網絡可以支持超過 65000 個節(jié)點。 表 主要技術特征 Main technical characteristics of 復雜程度 比現(xiàn)有的標準低 通信時延 大于等于 15ms 目的 只支持數(shù)據(jù)通信 信道接入方式 CSMACA 頻段、速率及信道數(shù) 868MHz:20kbps,1 915MHz:40kbps,10 2..4GHZ:250kbps,16 MAC 控制方式 星型，對等網絡 支持節(jié)點數(shù) 65000 尋址方式 64bitIEEE 地址 8bit 網絡地址 15 連接層結構 開放式 溫度 40~85 攝氏度 傳輸范圍及速率 室內： 10m,250kbps 室外： 30~75m,40kbps 300m,20kbps 應用 傳感器、控制領域等 在 LLC 和 MAC 兩層主要完成設備間無線鏈路的建立、維護和結束，信道接入控制，幀校驗，傳輸可靠性保證和控制，數(shù)據(jù)的分段與重組等功能。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕? 采用了載波偵聽多址 /沖突避免 (CSMA/CA)的信道接入方式和完全握手協(xié)議。分組傳送的最大尺寸為 128 字節(jié)，其中允許最大凈負荷為 104 字節(jié)，這足以解決低速的數(shù)據(jù)傳送。為了節(jié)約功耗，提高電源使用效率， MAC 層的訪問方式還支持信標 (beacon)訪問。由主節(jié)點每隔一段時間群發(fā)一個 Beacon 幀，而子節(jié)點首先保持在“睡眠”狀態(tài)，每隔同樣一段時間醒 來一次，查看這個 Beacon 幀內是否有其地址，有則可以發(fā)送數(shù)據(jù)，否則仍然進入“睡眠”，這個間隔時間可以從 7 毫秒至 252 秒不等。避免了節(jié)點一直“蘇醒”狀態(tài)下功耗的浪費。表 列出了 的 PLL 層和 MAC層主要功能 表 的 LLC層和 MAC層的主要功能 Tab ． the LLC layer and MAC layer of the main functions LCC 子層的主要功能 的 MAC 協(xié)議主要功 能 傳輸可靠保障和控制 設備間 無線鏈路的建立、維護和結束 數(shù)據(jù)包的分段與重組 確認模式的幀傳送與接收 數(shù)據(jù)包的順序傳輸 信道接入控制 幀校驗 預留時隙管理 廣播信息管理 系統(tǒng)的架構： 醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)對網絡的要求 ： 病人監(jiān)護網絡需要考慮能耗、覆蓋面、傳輸速率和局域網通信等因素。本研究采用基于 Zigbee 技術的無線網絡實現(xiàn)在室內對生理信號的采集，通過無線模塊 將生理數(shù)據(jù)傳輸?shù)?中央服務器，中央服務器通過 WIFI 或者 Inter 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測系統(tǒng) 。人體攜帶可移動生理信號傳感 器終端，在 網 絡的可覆蓋范圍內活動，通過網絡內的路由節(jié)點接 16 入網絡。 Zighee 網絡具有組織、動態(tài)路由、網絡節(jié)點少等特點。同時 Zigbee 網絡考慮了節(jié)點的能量節(jié)約減少節(jié)點處理器的計算負擔等問題。醫(yī)院的醫(yī)生可以查看到患者的生理信息可以對生理傳感器的采集方式進行控制。 網絡拓撲結構的選擇 在我們的系統(tǒng)中使用的是 ZigBee 技術， ZigBee 網絡支持 3 種形式的網絡結構 :星形結構、簇樹結構和網狀 (Mesh)結構。 如下圖 : 圖 三種網絡拓撲機構 THREE NETWORK TOPOLOGY INSTITUTIONS 星形結構由一個 PAN 主協(xié)調器設備 (FFD)和多個從設備 (FFD 或 RFD)組成。 PAN 主協(xié)調器啟動后，先選定一個 PAN 標識符確保網絡的唯一性，再允許其它的設備加入到它的網絡，其它的設備只能和主協(xié)調器通信而不能相互通信。星形網絡適合小型網絡，固定設備的管理。醫(yī)院病房的無線呼叫系統(tǒng)最適合使用星形結構，病人的呼叫終端在