ZigBee在生命子系統中的應用

2. 1 　工作原理

　　在一個(gè)單兵小分隊中，每個(gè)分隊成員佩戴一個(gè)ZigBee生物傳感器節點(diǎn)，他是集ZigBee 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )模塊與生物傳感器模塊為一體的，可以對士兵生命體征諸如脈搏、血壓、呼吸、體溫等進(jìn)行數據采集，并通過(guò)ZigBee 方式無(wú)線(xiàn)傳輸至主協(xié)調器。他主要由脈搏傳感器、溫度傳感器、狀態(tài)傳感器、模擬信號放大器、A/ D 轉換器、電平比較器、信號存儲器和ZigBee 無(wú)線(xiàn)收發(fā)器及相關(guān)軟件組成。每個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò )都必須包括一臺主協(xié)調器，在本應用中，由于小分隊成員的活動(dòng)范圍非常接近，所以無(wú)需中繼設備，可以直接將終端無(wú)線(xiàn)接入主協(xié)調器。

　　網(wǎng)絡(luò )中的所有設備都擁有一個(gè)64 位的IEEE 地址，也可以使用16 位短地址來(lái)減少數據包大小，這樣只要記錄下終端地址就可以很容易確定士兵身份。路由選擇在默認時(shí)使用樹(shù)形路由選擇，即在做路由選擇策略時(shí)利用樹(shù)形結構選址。穿戴式計算機內部軟件要具備3 種功能：ZigBee 網(wǎng)絡(luò )控制功能、數據分析處理轉換功能、衛星通信設備管理功能。

　　ZigBee 網(wǎng)絡(luò )控制主要包括系統啟動(dòng)關(guān)閉、終端地址分配、差錯控制、各種參數設定等。數據分析處理轉換主要是將終端收集來(lái)的各種參數進(jìn)行波形分析、頻率分析、數據統計等，得出士兵所處狀態(tài)結論，將之轉換成特殊編碼格式，加載到衛星上傳回后方指揮中心。

　　衛星通信設備管理功能包括系統啟動(dòng)與否、接口控制、數據格式選擇等。

　　單兵衛星系統由輕型便攜式無(wú)線(xiàn)電臺加衛星天線(xiàn)組成。電臺用金屬包裝，經(jīng)久耐用，能夠抗得住野戰暴露或在機動(dòng)部隊使用時(shí)所處的惡劣環(huán)境。背負式電臺易于攜帶，包括天線(xiàn)和電池組在內僅十幾kg ,體積不到0102 m3 ,可以在任何天氣條件下使用。

2. 2 　系統安全性可靠性

　　本應用中的安全可靠性分為3 步分：ZigBee傳輸的安全可靠性，穿戴式計算機數據處理的安全可靠性，衛星傳輸的安全可靠性。其中后兩方面在其他文獻中已有大量論述，本文不再討論。

　　ZigBee 采用了分級的安全性策略：無(wú)安全性、接入控制表、32 b AES 和128 b AES。如果對系統安全性要求不高，可以選擇級別較低的安全措施，從而換取系統成本和功耗的降低；反之，在安全性要求較高時(shí)，可以選擇較高的安全級別。由于本例應用于軍事領(lǐng)域，所以應采用較高的安全級別。

　　ZigBee 分別在MAC 層和網(wǎng)絡(luò )層采取了安全策略。在數據經(jīng)過(guò)一跳就到達目的地時(shí)，ZigBee 只用MAC 層提供的安全機制；當在多跳的情況下，ZigBee 就要依賴(lài)高層來(lái)保證安全。

　　MAC 層安全套件基于以下3 種操作模式：計數器模式的AES 加密、密碼塊鏈接模式的數據完整性、二者相結合的加密和完整性（CCM 模式） 。MAC 層的AES 加密算法可以保護MAC 命令、信標、信息幀和應答幀的秘密性、完整性和真實(shí)性。MAC 幀的頭部有一個(gè)比特用來(lái)指示MAC 幀是否加密。同時(shí)，在每個(gè)MAC 幀頭也都有一個(gè)幀編號，用于防止幀丟失和幀重傳。密鑰的建立、安全操作模式的選擇和對處理過(guò)程的控制則由高層來(lái)負責。

　　網(wǎng)絡(luò )層也使用AES ,他的安全套件是基于CCM 3 操作模式。CCM 3 包括所有CCM 的功能，同時(shí)提供只加密和只保證完整性的功能。使用CCM 3 允許單個(gè)密鑰用于不同的安全套件。因此一個(gè)密鑰并不只屬于單個(gè)安全套件，一個(gè)高層應用可以靈活地指定網(wǎng)絡(luò )層所用的安全套件。網(wǎng)絡(luò )層負責安全處理，但對處理過(guò)程的控制則由高層通過(guò)建立密鑰和決定使用哪一種CCM 3 安全套件來(lái)實(shí)現。此外，幀序號和消息完整碼也可以加在網(wǎng)絡(luò )層幀中。

　　ZigBee 的信道接入方式采用CSMA/ CA（載波偵聽(tīng)多址/ 沖突避免） ,能有效地減少幀的沖突。為抗干擾和多徑衰落，ZigBee 在物理層采用直接序列擴頻和頻率捷變FA技術(shù)。為了保證幀的正確傳輸，ZigBee 在MAC 層采用了兩個(gè)措施：自動(dòng)請求重傳ARQ 和幀緩存。在網(wǎng)絡(luò )層，ZigBee 支持網(wǎng)狀網(wǎng)，存在冗余路由，保證了網(wǎng)絡(luò )的健壯性。

3 　結　語(yǔ)

　　ZigBee 所具有的短距離、低成本、低功耗、易實(shí)現、安全可靠的特點(diǎn)非常適合作為單兵作戰系統中生命子系統的組成部件。不僅能對士兵生命體征數據進(jìn)行傳輸，后續的技術(shù)開(kāi)發(fā)還可以對敵核、生、化武器污染監測數據進(jìn)行傳輸。當傳感器的檢測信號表明敵方施放了核、生、化武器，就會(huì )自動(dòng)發(fā)出報警信號，同時(shí)將檢測結果通過(guò)ZigBee發(fā)送裝置傳輸到指揮部，為己方贏(yíng)得較長(cháng)的預警時(shí)間ZigBee 的應用為指揮人員提供了準確評價(jià)部隊戰斗力的客觀(guān)依據，提高了部隊裝備的信息化含量，從而使我軍在未來(lái)信息化戰爭中處于有利地位。