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研究生:凃亞辰
研究生(外文):Ya-Chen Tu
論文名稱:基於ZigBee/Ethernet異質網路之居家監護系統
論文名稱(外文):Home Care System Based on ZigBee/Ethernet Heterogenous Network
指導教授:蔡育秀蔡育秀引用關係
指導教授(外文):Yuh-Show Tsai
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:生物醫學工程研究所
學門:工程學門
學類:生醫工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:84
中文關鍵詞:ZigBee異質網路EthernetTCP/IP居家監護系統
外文關鍵詞:EthernetTCP / IPhome care systemheterogeneous networksZigBee
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居家監護系統早已行之有年,而以往系統的建置與監測節點是以有線的方式佈建而成,對於新設與後續的維修都相當的不方便。近年來因科技的進步,無線通訊結合居家監護系統的實踐也被廣泛的提出討論與應用,但無線通訊於室內居家環境建置上最大的問題就是無線訊號往往難以克服建築物本身空間設計與使用建材所造成的屏蔽效應,因此至今仍未能普及應用。基於此點,本論文研究採用以ZigBee無線感測網路為主要的居家空間環境監測系統與受照護者的生理參數傳輸方式,並設計一橋接裝置完成ZigBee to Ethernet的異質網路傳輸機制,在無線感測節點無法佈建的區域,透過橋接裝置轉由乙太網路完成資料傳輸。
本研究所提出的異質網路居家監護系統可分為前端的訊號擷取平台與後端的資料管理顯示,前端的訊號擷取平台為生理參數擷取裝置與環境因子感測暨路由裝置所組成,生理參數擷取裝置以操作簡易為考量,用於擷取受照護者的血壓、心率與血糖等生理參數,環境因子感測暨路由裝置用於居家環境因子如溫度與濕度數值的監測。上述訊號經無線感測網路橋接裝置由乙太網路送至後端伺服器,伺服器將資料儲存於資料庫並編譯為PHP網頁內容,受照護者或家屬與負責的醫事人員可透過網路瀏覽器在網頁上查詢並檢視記錄與趨勢變化。
經實際測試,裝置之間最遠有效傳輸距離為100公尺(室內空間),生理參數擷取裝置因有資料保存與重發機制,封包傳輸遺失率為零;環境因子感測暨路由裝置的環境因子量測部分,誤差值與市售儀器測得比較:溫度差約±1℃,而濕度差則在±5%;無線感測網路橋接裝置在接收封包的遺失率統計最大為2.3%,最小為1.7%,而在乙太網路的封包傳輸遺失率為0,PHP網頁顯示在市占率較高的網路瀏覽器(如Internet Explorer、Firefox與Chrome等)皆能正常開啟。




Homecare system has been in use for several years. The previous system implementation and monitoring node makes use of wires. The same is used for the maintenance of new and follow-up are quite convenient. In recent years due to advances in technology, combined with wireless communications the practice of home care systems have been widely discussed and applied. But the biggest problem in wireless communications in indoor home environment to build is that wireless signals are often difficult to overcome the building itself, space design and use of building materials caused by the shielding effect, it is still not generalizable. For this reason, this thesis uses the ZigBee wireless sensor network for the main environmental monitoring system in the living space and by the caregivers of the transmission of physiological parameters. The design is a complete ZigBee to Ethernet bridge device of the heterogeneous network conversion mechanism. Wireless sensor nodes can’t be provisioned areas, through bridge devices to switch from the Ethernet cable to complete data transmission.
The research about the heterogeneous network in homecare systems can be divided into two parts. The signal acquisition front-end and data management and display system back-end. First is the Signal acquisition platform front-end by the environmental factors sensing with routing device and the bio-signal capture device are composed, The environmental factors sensing with routing device such as temperature and humidity value of monitoring and transmission. In based on design user friendly, designed the bio-signal capture device to capturing blood pressure, heart rate and blood glucose. The signal through the wireless sensor network bridge device to bridged Ethernet, and send that to the back-end server and the server will store these data in the database. The signal through the wireless sensor network bridge device to bridged Ethernet, and send that to the back-end server and the server will store these data in the database, and set up the PHP Web pages. The patient or family members and medical personnel can via the web browser to search and view the records and change in trends.
By the actual test, the device farthest effective transmission distance is 100 meters (indoor space). Because possess of the data storage and resend mechanism, the physiological parameters capture device's transmission data packet loss rate is zero. The environmental factors sensing with routing device function for measurement environmental factors, the measured values compare with commercially available Equipment's measured values : the temperature error value about ± 1 ℃,and the humidity error value about ± 5%. The Wireless sensor network bridge device receives the packet loss rate by the statistical, maximum of 2.3%, minimum of 1.7% ,and the Ethernet transmission packet loss rate was 0. By test in the more popular web browsers (e.g. Internet Explorer, Firefox and Chrome, etc.), the PHP web pages can be running normally.




目錄
摘要 i
Abstract ii
目錄 iii
圖目錄 v
表目錄 ix
第 1 章 序論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 2
1.3 文獻回顧 4
1.4 研究目的 9
第 2 章 研究背景知識與開發平台 11
2.1 ZigBee 無線感測網路協定 11
2.2 Ethernet 乙太網路通訊技術 13
2.3 嵌入式TCP/IP 通訊技術 15
2.4 CC2430/2431 ZigBee 無線感測網路系統晶片 20
2.5 CS8900A 乙太網路控制晶片 22
2.6 SHT11 溫、濕度感測器 23
2.7 TD3250 血壓血糖機 24
2.8 Z-Stack 24
2.9 XAMPP 27
第 3 章 研究方法 29
3.1 系統硬體架構與裝置運作流程 30
3.1.1 生理參數擷取裝置 30
3.1.2 環境因子感測暨網路路由裝置 34
3.1.3 無線感測網路橋接裝置 36
3.2 系統軟體及網頁架構與運作流程 41
第 4 章 結果與討論 45
4.1 實體系統硬體裝置 45
4.2 測試環境建構 47
4.3 生理參數擷取裝置功能驗證 48
4.3.1 血壓量測功能驗證 49
4.3.2 血糖量測功能驗證 50
4.4 環境因子感測暨路由裝置功能驗證 51
4.4.1 溫、濕度量測 51
4.4.2 無線感測網路資料傳輸 52
4.5 無線感測網路橋接裝置乙太網路傳輸功能驗證 53
4.5.1 ARP Request 54
4.5.2 連線請求三向交握 56
4.5.3 資料連續發送 60
4.5.4 乙太網路可靠度驗證 63
4.5.5 無線感測網路資料接收 64
4.6 伺服端電子郵件通報機制 66
4.7 PHP網頁顯示功能 67
4.8 討論 71
第 5 章 結論與未來展望 72
參考文獻 73

圖目錄
圖 1 1 1999年至2001年各個季節的血壓平均值變化 4
圖 1 2 高齡長者相關生理資料與各季節平均統計 5
圖 1 3 多功能居家控制系統設計方塊圖 6
圖 1 4 生理訊號監測系統方塊圖 7
圖 1 5 運作模式功耗比較示意圖 7
圖 1 6 ZigBee橋接裝置架構圖 8
圖 1 7 ZigBee/Ethernet Gateway Hardware Architecture 8
圖 1 8 ZigBee/Ethernet protocol converter function modules 9
圖 2 1 Zigbee Stack架構圖 12
圖 2 2 Zigbee 網路拓樸 13
圖 2 3 OSI七層示意圖 16
圖 2 4 TCP/IP四層架構 16
圖 2 5 OSI七層與TCP/IP四層關係示意圖 17
圖 2 6 TCP/IP封包格式解析(1) 19
圖 2 7 TCP/IP封包格式解析(2) 19
圖 2 8 CC2430/2431 功能區塊 21
圖 2 9 CC2430/2431基本驅動電路 22
圖 2 10 CS8900A功能區塊圖 23
圖 2 11 SHT11外觀示意圖 23
圖 2 12 典型控制電路圖 23
圖 2 13 TD–3250B二合一上臂式血壓血糖機 24
圖 2 14 Z-Stack 任務優先權示意圖 25
圖 2 15 Z-Stack系統工作流程圖 26
圖 2 16 XAMPP控制介面 28
圖 2 17 MySQL圖形化編輯介面 28
圖 3 1 系統架構圖 29
圖 3 2 生理參數擷取裝置方塊圖 30
圖 3 3 生理參數擷取裝置血壓數值擷取運作流程圖 31
圖 3 4 生理參數擷取裝置與血壓計通訊交握流程圖 31
圖 3 5 無線感測網路橋接裝置與生理參數擷取裝置資料傳輸確認流程圖 33
圖 3 6 環境因子感測暨網路路由裝置方塊圖 34
圖 3 7 環境因子感測暨網路路由裝置運作流程圖 35
圖 3 8 無線感測網路橋接裝置方塊圖 36
圖 3 9 無線感測網路橋接裝置運作流程圖 37
圖 3 10 本地端對伺服端連線請求流程圖 39
圖 3 11 CC2430控制CS8900傳送流程圖 40
圖 3 12 本地端對伺服端資料傳送流程圖 41
圖 3 13 系統軟體方塊圖 42
圖 3 14 軟體端運作流程圖 43
圖 3 15 網頁內容架構圖 43
圖 3 16 PHP網頁文字顯示流程圖 44
圖 3 17 PHP網頁建立圖表流程圖 44
圖 4 1 無線感測網路橋接裝置實體與功能區塊示意圖 45
圖 4 2 環境因子感測暨網路路由裝置外觀實體圖 46
圖 4 3 環境因子感測暨網路路由裝置內部硬體功能區塊示意圖 46
圖 4 4 生理參數擷取裝置實體與功能區塊示意圖 46
圖 4 5 硬體系統架構示意圖 46
圖 4 6 無線感測網路節點架設示意圖 48
圖 4 7 環境因子感測暨網路路由裝置(R-4) 48
圖 4 8 環境因子感測暨網路路由裝置(R-6) 48
圖 4 9 TD3250控制電路設計 49
圖 4 10 轉換電路實體圖 49
圖 4 11 血壓量測結果 49
圖 4 12 伺服端接收程式數值顯示 50
圖 4 13 伺服端資料庫數值存入 50
圖 4 14 血糖量測結果 51
圖 4 15 伺服端接收程式數值顯示 51
圖 4 16 伺服端資料庫數值存入 51
圖 4 17 伺服端接收程式顯示各節點溫、濕度資訊 53
圖 4 18 伺服端程式等待連線請求 53
圖 4 19 無線感測網路橋接裝置發送ARP Request 54
圖 4 20 伺服端回傳ARP Respond 55
圖 4 21 無線感測網路橋接裝置發送連線請求封包 56
圖 4 22 伺服端回覆允許連線請求封包 57
圖 4 23 無線感測網路橋接裝置回傳確認封包 59
圖 4 24 伺服端程式顯示連線已建立 60
圖 4 25 資料傳輸封包(A#3) 60
圖 4 26 伺服端回覆確認封包(B#3) 62
圖 4 27 COM Port接收程式畫面 63
圖 4 28 封包遺失率改善趨勢圖 66
圖 4 29 伺服端接收程式介面設定 66
圖 4 30 電子郵件通報血壓結果 67
圖 4 31 電子郵件通報血糖結果 67
圖 4 32 網頁地圖架構設計 68
圖 4 33 PHP網頁首頁 68
圖 4 34 節點1資料顯示網頁 69
圖 4 35 生理參數資訊顯示網頁 69
圖 4 36 一週的血壓、心率變化趨勢圖 70
圖 4 37 一週的血糖變化趨勢圖 70


參考文獻
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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