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初紬孔
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1 正修科技大學九十六年度補助教師提昇產業技術研究計畫成果報告無線感測網路集蜂通訊協定之研究 The Study of Zigbee Communication Protocol in Wireless Sensor Networks 委託單位 : 康和資訊股份有限公司執行單位 : 正修科技大學計畫主持人 : 劉建源共同主持人 : 計畫參與學生 : 葉嘉欣林威仁計畫主持人所屬單位 : 資訊工程系計畫編號 : 正研產學字 (96) 第 06 號執行期限 :96 年 11 月 1 日至 97 年 6 月 0 日

2 一摘要隨著無線通訊技術的發展, 生活逐漸走入了數位時代為了因應科技之流通, 無線感測網路的應用範圍也隨之廣大無線感測網路是可以偵測周邊環境資訊為主的無線通訊技術之一, 它可以收集終端裝置感測資料並做為各種控制之應用雖然無線感測網路仍有許多技術上的問題須克服, 這些技術問題在研究人員的共同努力之下, 已使得無線感測網路相關軟硬體的技術得以應用擴大發展本篇報告是針對無線感測網路之 Zigbee 無線通訊協定標準來研製控制模組和感測裝置, 例如作為心跳感測應用與溫度感測應用之電路模組我們的實作中採用 Pixie/Pixie Lite 實驗模組元件來實現 Zigbee 協調者和終端裝置, 並利用 Visual Basic 005 之圖形介面來整合軟硬體系統, 並且進一步的資料分析關鍵詞 :Zigbee, IEEE80.15., 無線感測網路 1 / 15

3 二背景介紹 Zigbee 是一種低功率無線通訊技術, 它使用簡易通訊協定和有限的功能性來完成低成本的網路架構 Zigbee 的底層是使用 IEEE 所定義的 PHY 和 MAC 層, 這些通訊協定層是被用以作為在.GHz 頻帶上的短距離無線通訊標準 Zigbee 包含平台規格和聯盟所定義的基本規範 [10][1][0] 本項研究是應用 Zigbee 無線通訊技術並結合環境資訊之感測, 將生理訊號和溫度感測元件所量測之資料, 利用無線網路傳輸到 PC 端, 以進行即時資料之紀錄與分析 Zigbee 的命名乃源於蜜蜂, 因為蜜蜂會隨意飄逸跳舞, 實際把花和蜂蜜的位置等資訊, 正確傳達給其他蜜蜂, 而 Zigbee 也用這種通訊方式來傳遞資料 Zigbee 技術擁有短距離低成本低耗電雙向傳輸, 感應網路功能等特性, 可以結合其他設備作為無線感測之應用 Zigbee 技術採邁向開放的發展方向, 其標準規範之制定, 主要是由 IEEE [1] 小組與 Zigbee Alliance[] 來推動, 這兩個組織分別制定 Zigbee 的硬體與軟體標準 Zigbee 主要是基於 IEEE 標準,IEEE 定義了 MAC 層和 PHY 層, 而 Zigbee 則增加實體層 MAC 層以上的網路層應用層以及安全服務機制 [] Zigbee 堆疊架構如圖 1 所示 : / 15

4 圖 1 Zigbee 堆疊架構圖 Zigbee 實體層可使用的頻帶為 868MHz 915MHz 50MHz, 此三個頻帶上, 共有 7 個頻道, 分別是在 868 MHz 頻帶有 1 個頻道, 資料傳輸速率為 0 kbps 在 915 MHz 頻帶有 10 個頻道, 資料傳輸速率為 0 kbps 在 50 GHz ISM 頻帶有 16 個頻道, 資料傳輸速率為 50 kbps 其中 868MHz 與 915 MHz 分別適用歐洲與美國地區,50 GHz ISM 頻帶則適用於全球 Zigbee 分配使用的頻帶和相關參數以及使用調變技術整理如表 1: / 15

5 表 1 Zigbee 使用頻帶與參數頻帶頻率範圍 (MHz) 使用地區資料速率 (bps) 頻道調變機制 ~868.6 MHz 歐洲 0 1 BPSK ~98 MHz 美國 0 10 BPSK 50 00~8.5 MHz 全球 Q-QPSK 實體層負責的工作是要啟動和關閉無線傳輸收發器選擇頻道傳輸與接收資料評估頻道空閒 (Clear Channel Assessment, CCA) 針對接收的封包執行鏈路品質指標 (Link Quality Indication, LQI) 之檢查, 以及偵測目前頻道上的能量等功能應用層的工作主要有三個部份 : 分別為應用支援附屬層 (Application Support Sublayer, APS) Zigbee 裝置物件 (Zigbee Device Object,ZDO) 以及裝置應用,Zigbee 的應用架構涵蓋了服務功能的觀念如圖所示 ZigBee 的網路層支援三種網路拓樸類型, 包括星型網路 (star network) 叢集樹網路(Cluster Tree Network), 以及網狀網路 (Mesh Network) 在星型網路拓樸中, 由一個全功能裝置 (Full Function Device, FFD) 擔任網路協調者 (PAN coordinator) 的角色, 負責啟動和維護網路上的裝置, 其他所有設備都是終端裝置, 終端裝置需直接與協調者通訊 ; 在網狀拓撲環境中,ZigBee / 15

6 協調器負責啟動網路以及選擇頻道, 網路透過 ZigBee 路由器來擴大網路範圍 [][5] 圖 Zigbee 網路拓樸 IEEE 實體層是採用直接序列展頻 (DSSS) 技術 [17], 使用此技術的目的, 在於可降低類比電路在研發上的複雜度與成本, 其傳輸速率最高為 50Kbps, 實際速率需視為所有可用頻段而定 IEEE 媒體存取控制層主要採用 CSMA-CA 方式 [11][18], 以提高網路系統相容性, 所謂 CSMA-CA 是指在傳輸之前先檢查頻道是否有資料在進行傳輸, 若頻道是閒置的, 就可以開始執行資料傳輸動作, 資料進行傳輸之後, 如發生碰撞, 則必須等待一段時間後重新傳輸 5 / 15

7 三方法及步驟本項研究所設計之硬體架構為兩塊 Zigbee 無線感測模板, 首先利用 Pixie 微控制模組來設計之 Zigbee 實驗板, 實作 PCB 之前先使用麵包板來測試所設計之電路, 實驗電路透過 MAX IC 元件與 RS 介面相連接, 並利用電腦終端機來測試連線狀態 MAX IC 上的接上的 COM 埠的 RXD,TXD 來傳送與接收相關感測資訊 [1] 如圖所示為系統架構圖圖 Zigbee 系統架構圖如上圖說明當信號由感測器輸入透過心跳感測器模組後, 將感測的訊號傳輸到所開發的 Zigbee 無線感測網路模組 (DARC- 感測控制器 ), 而在接收端部分也是使用 Zigbee 無線感測網路模組 (Gateway- 閘道控制器 ), 再將所收集的感測訊號利用 RS- 傳送至電腦, 最後再使用 VB005 圖形介面軟體 [19] 顯示出感測資料首先我們在開發 Zigbee 無線模組 ( 圖 ) 的 UART 跟電腦連接時, 發現有電位 6 / 15

8 差的問題, 解決的方法是使用 MAX 來處理電壓之轉換,Zigbee 模組上的微控制器是採用 Pixie[7] 模組元件, 來進行無線傳輸之控制,Zigbee 模組與 MAX 元件電路如圖 5 圖 Zigbee 無線模組圖 6 所示為心跳量測模組流程圖, 在感測電路中所使用的光感測器元件為 CNY70( 圖 7)[15], 此元件裝在受測者的手指, 經由量測電路模組的放大和濾波之訊號處理, 再將感測訊號在經由數位類比轉換, 透過 Zigbee 模組以無線方式傳輸到電腦並由電腦上的 VB 程式顯示所感測生理訊號數據 [6][8][1] 7 / 15

9 U NC SCL SDI RA0 RB RB5 RA RA1 RA RA RE ZEGBEE NC Vdd SDO RxD RE0 TxD RB7 NMCLR RB6 Vunreg RE Vdd SDO RxD RE0 TxD RB7 MCLR RB6 Vunreg RE1 R5 10K R 10K VCC VCC VCC ZEGBEE Vdd VCC VCC C5.u C.u C.u.u C U C1+ V+ C1- C+ C- V- Tx out Rx in max VCC TX1 out RX1 in Rx1 out Tx1 in Tx in Rx out VCC TxD RxD RS_IN1 RTX TXD DB9 圖 5 Zigbee 模組元件與 MAX 的連接電路圖 8 / 15

10 圖 6 心跳電路製作流程圖圖 7 CNY70 光感測器內部結構圖 8 為本研究中使用的心跳量測電路模組方塊圖, 由於心跳變化時感測器所測量到的訊號, 包含有直流偏壓以及心跳變化的訊號, 因此設計電路中採用前置濾波電路加以處理前置濾波電路的主要特點是可以減輕軟體進行數位信號處理所需的運算量及時間, 避免造成訊號處理過程中延遲情形 [6] 9 / 15

11 非反向放大電路是利用 LF51 之 JFET 的運算放大器 IC 所設計, 圖 9 為 LF51 之接腳圖 [0] 這種電路用來控制增益的回授, 是加在反向輸入端, 但輸入電壓是加在非反向輸入端, 輸出電壓是輸入電壓相同, 可得到 (1+Rf/R1) 倍的輸出, 將心跳感測器所測量得之血流訊號波形變化的交流訊號成分再做一次適當的放大圖 8 心跳量測電路模組方塊圖圖 9 LF51 接腳圖 10 / 15

12 濾波器是為了選取所需要的信號, 並排除其它不必要的雜訊, 因此本實驗針對不同需求設計了帶拒濾波器和低通濾波器 [16][18] 帶拒濾波器( 又稱陷波凹形 ) 是用來衰減訊號的某個特定頻率的電路放大微弱生理訊號時, 極可能將一些外界的干擾訊號或 60Hz 的電源雜訊一併放大, 並帶入系統, 所以在生理訊號放大電路設計時, 常需要設計 60Hz 的帶拒濾波器, 濾除 60Hz 電源干擾, 故設計濾除 60Hz 雜訊低通濾波器的功能是使低頻訊號通過, 高頻訊號衰減, 適用於高頻雜訊之過濾圖 10 為心跳感測電路 R0 10K R1 100K 0.1uf +1V +1V -1V 7-1V U1 6 OP07 C10 0.1uf R5 1.5M 7-1V U 6 LF51 R 7K C11 0.1uf R 7K C1 0.1uf 7 +1V U 6 LF51 R6 7K R7 7K R8 10K R9 10K -1V J 1 CON +1V R8 500 R7 k 1 J CNY70 R0 6.8K R1 6.8K C15 0.1uf C9 0.1uf -1V 7 +1V U 6 LF51 R 5.6K C1 0.1uf R5 100K -1V U5 6 7 LF51 +1V C1 0.1uf Port R 10K R 51K 圖 10 心跳感測電路 11 / 15

13 四成果與討論此研發與實驗過程中, 使用光感測器元件 (CNY70) 心跳感測電路以及自製的 Zigbee 無線模組來量測心跳之速率, 所量測的訊號證明可以成功地經由 PIC 微控制器處理後經 RS 連線傳送到 PC, 並在 PC 端 VB005 圖形化介面上顯示 Zigbee 連線狀態和感測器結果後續發展仍必須要改進的問題, 包括如何將自製無線模組更縮小化, 以攜帶方便, 將心跳感測電路做成貼片方式, 以方便量測出不同數據五結論集蜂技術的特點是 : 低成本低耗電小體積容易佈建, 並具備可程式化可動態組成等, 最近集蜂技術已成為無線感測網路中的主流, 廣泛散佈的集蜂感測節點可自動形成隨意無線網路感測節點所偵測到的環境物理變化資料, 可經由無線網路之中間節點轉送至資料收集點, 以進行後續的資料處理和分析, 再據以做出適切的因應動作集蜂感測模組的開發需要整合許多相關技術包括 : 嵌入式系統能源管理軔體發展射頻無線通訊及網路協定堆疊等, 其中軟硬體整合設計是技術關鍵之所在軟體主要是實現網路協定堆疊和整體模組運作之管理, 硬體方面則須選擇功能與耗電都適合的嵌入式系統元件微控制器和無線傳收控制器, 將 1 / 15

14 研發的軟體燒入硬體成為軔體最後進行集蜂感測模組的通訊測試和無線感測網路整合測試本計畫之研究重點除了探究集蜂無線感測網路協定堆疊運作原理之外並嘗試以實作方式建立集蜂感測模組設計實作成果包括 :Zigbee 無線模組心跳感測電路, 以及 PC 上的 VB 主控軟體, 並將全部軟硬體整合成為可運作之無線感測網路應用系統未來希望可進一步研發更精確的與不同感測應用之模組, 另外也可嘗試將一般通用的微控制器和無線傳收控制器設計至集蜂感測模組, 以掌握技術之自主性 1 / 15

15 六參考文獻 [1] IEEE 80 Working Group, Standard for Part 15.:Wireless Medium Access Control (MAC)and Physical Layer (PHY) Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks(LR-WPANs), ANSI/IEEE , Oct. 00. [] ZigBee Alliance, [] Hsiao-Fon Chen, Context-Aware Services Based on ZigBee Wireless Sensor Network, Proceedings of NCKU, July 007 [] Safaric, S.; Malaric, K.; ZigBee wireless standard, Proceedings of Multimedia Signal Processing and Communications, 8th International Symposium ELMAR-006 focused on June 006 Page(s):59 6. [5] Yung-shun Chuang, Zigbee Research and Implementation in the Wireless Sensor Network, Proceedings of NTUST, July 00 [6] Si-Fong Wang, Ming-Shing Young, The Measurement of Peripheral Blood Flow and Eyebrow Electromyogram and Design of the Anxiety Evaluation system, Proceedings of National Cheng Kung University, 1 June 00. [7] [8] Chi tang Liang Zigbee-based IPv6 homecare networks for ECG signal processing, Proceedings of Asia University, July 005. [9] Shiann-Tsong Sheu, Hung-Hsiang, The Implementation and Design of Frequency Hopping Mechanism for IEEE ZigBee Wireless Personal Area Networks, Proceedings of National Central University, July 007. [10] Yueh-Feng Lee, Design and Implementation of a ZigBee-based Over-the-air Programming Platform, Proceedings of CCL Technical Journal, PP. 9-5, March 007. [11] Armholt.M, Junnila.S, Defee.I, A Non-beaconing ZigBee Network Implementation and Performance Study, Proceedings of Communications, 007. ICC '07. June 007 [1] Wei-kou Li, Chih-Hung Chou, Zhi-Feng Lin, Design and Implementation of a Zigbee-based Communication Substrate for Wireless Sensor Networks, Proceedings of NCS, Oct 006. [1] Jo-Yu Chang, The Collision Analysis of CSMA/CA for IEEE Low-Rate Wireless Personal Area Network, Proceedings of Feng Chia University, June / 15

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OSI OSI 15% 20% OSI OSI ISO International Standard Organization 1984 OSI Open-data System Interface Reference Model OSI OSI OSI OSI ISO Prototype Prot

OSI OSI OSI 15% 20% OSI OSI ISO International Standard Organization 1984 OSI Open-data System Interface Reference Model OSI OSI OSI OSI ISO Prototype Protocol OSI OSI OSI OSI OSI O S I 2-1 Application