基于ZigBee技術(shù)的嵌入式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )平臺的研究

摘要：ZigBee技術(shù)是今后無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和嵌入式系統的一個(gè)重要發(fā)展方向，本文研究其協(xié)議棧及技術(shù)特征，以ZigBee協(xié)議為基礎，搭建嵌入式ARM處理囂及嵌入式Linux相結合的應用環(huán)境，從自組網(wǎng)方式、數據安全性、抗干擾性、性能評測等方面詳細論述了如何設計此無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )平臺.該平臺具有低成本、低功耗、自組網(wǎng)絡(luò )、高安全性、多節點(diǎn)等特征，可廣泛應用于工業(yè)、家庭以及醫學(xué)等多種領(lǐng)域.

0 引言
無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統源自美國軍方的“電子塵埃(eMote)”技術(shù)，是目前國內、外研究的熱點(diǎn)技術(shù)之一.該系統基于IEEE802.15.4規范的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，工作在2.4 GHz或868／928 MHz，用于個(gè)人區域網(wǎng)和對等網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò ).ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。它是一種介于紅外無(wú)線(xiàn)技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)提案.主要用于近距離無(wú)線(xiàn)連接.它依據802.15.4標準。在數千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調實(shí)現通信.這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波將數據從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們的通信效率非常高.相對于現有的各種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，無(wú)線(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò )技術(shù)將是近距離通信最低功耗和成本的技術(shù).這一技術(shù)目前正向工業(yè)、民用方向推廣和發(fā)展，市場(chǎng)前景廣闊.包括國家863計劃等項目都在進(jìn)行相關(guān)的研究工作.因此，本文介紹的基于ZigBee技術(shù)的嵌入式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )平臺，這一無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )平臺可應用于工業(yè)控制、信息家電、安保系統、環(huán)境監測、港務(wù)運輸、煤礦安全、農業(yè)自動(dòng)化和醫療監護設備等許多行業(yè)和設備。具有廣泛的適應性。并能彌補其他無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的不足，保證其安全性，降低服務(wù)成本.

1 應用環(huán)境的確定
基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )平臺是構建于采用ARM技術(shù)和嵌入式Linux技術(shù)相結合的應用環(huán)境中.
1.1無(wú)線(xiàn)標準的比較
隨著(zhù)通信距離的增大，設備的復雜度、功耗以及系統成本都在增加.相對于現有的各種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。ZigBee技術(shù)將是最低功耗和成本的技術(shù).同時(shí)由于ZigBee技術(shù)的低數據速率和通信范圍較小的特點(diǎn)，也決定了ZigBee技術(shù)適合于承載數據流量較小的業(yè)務(wù).所以ZigBee聯(lián)盟預測的主要應用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費性電子設備、汽車(chē)自動(dòng)化、農業(yè)自動(dòng)化和醫用設備控制等.

1.2 ZigBee協(xié)議棧模型
ZigBee協(xié)議棧采用分層結構，包括：物理層(PHY Layer)、媒體接入控制層(MAC Layer)、網(wǎng)絡(luò )層(NWK Layer)和應用層，如圖1所示.

相對于常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)通信標準，ZigBee協(xié)議棧緊湊簡(jiǎn)單，具體實(shí)現要求很低.只要8位處理器再配上4kB ROM和64kB RAM等，就可以滿(mǎn)足其最低需要.從而大大降低了芯片的成本.ZigBee技術(shù)主要應用于距離短、數據傳輸速率不高的各種電子設備之間，典型的傳輸數據類(lèi)型有周期性數據、間歇性數據和重復性低響應時(shí)間數據.

1.3 ARM 微處理器結構與嵌入式Linux的結合
ARM微處理器支持多種操作系統，同時(shí)Linux支持ARM技術(shù)的CPU.Linux提供ARM微處理器的編譯環(huán)境，ARM的匯編指令和C語(yǔ)言可以進(jìn)行交叉編程.標準C語(yǔ)言寫(xiě)的程序可以直接在A(yíng)RM技術(shù)的CPU上運行.嵌入式Linux和ARM技術(shù)結合具有許多優(yōu)點(diǎn)，為研究、開(kāi)發(fā)和使用帶來(lái)了極大的方便.本文提出以ZigBee協(xié)議為基礎，利用ARM微處理器和嵌入式Linux操作系統，將它們有機結合，構建出針對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的控制平臺，這將為今后的研究和開(kāi)發(fā)建立良好的環(huán)境.

2 基于ZigBee技術(shù)的嵌入式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )平臺
本文主要針對ZigBee技術(shù)的主要特征及其協(xié)議棧，最后給出一種基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )平臺的實(shí)現.研究?jì)热莅ǎ嚎蓱糜谇度胧叫畔⑾到y平臺的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構、網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議、路由算法、應用層接口及協(xié)議、低功耗系統設計方法、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與標準平臺的互連方式；安全機制；嵌入式軟件設計與優(yōu)化等.基于ZigBee的嵌入式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )平臺的研究要考慮以下因素：
1)網(wǎng)絡(luò )拓撲結構：ZigBee標準實(shí)際上支持多種網(wǎng)絡(luò )拓撲，包括星型、簇樹(shù)型(cluster tree)或星／網(wǎng)絡(luò )混合型網(wǎng)絡(luò ).因此，網(wǎng)絡(luò )的選型需從數據的可靠性、網(wǎng)絡(luò )的擴展工作范圍等多方面考慮.
2)互操作性：ZigBee設備采用應用對象進(jìn)行建模，這些應用對象通過(guò)交換類(lèi)對象和它們的屬性實(shí)現與其它設備的通信，因此要考慮利用ZigBee應用編程接口(API)來(lái)設計專(zhuān)有的應用類(lèi).此外，ZigBee沒(méi)有定義傳輸層，所以是自己創(chuàng )建傳輸機制，還是使用一個(gè)帶有內置傳輸層的ZigBee芯片來(lái)創(chuàng )建實(shí)際的應用也成為了關(guān)鍵問(wèn)題.
3)安全性；ZigBee提供了一套基于128位AES算法的安全類(lèi)和軟件，并集成了802.15.4的安全元素.ZigBee協(xié)議棧類(lèi)為MAC、網(wǎng)絡(luò )和應用層定義了安全性.它的安全服務(wù)包括針對關(guān)鍵進(jìn)程建立和傳輸、設備管理和框架保護的方法.必須決定在哪個(gè)層上施加安全機制，應用層的安全機制需要更多的存儲器來(lái)實(shí)現.在MAC層和網(wǎng)絡(luò )層的安全性實(shí)質(zhì)上服務(wù)于相同的目的：確保單跳傳輸的安全.
4)平臺因素：ZigBee提供了一個(gè)標準化的網(wǎng)絡(luò )和應用框架，可以在此基礎上建立應用而無(wú)須擔憂(yōu)聯(lián)網(wǎng)和RF問(wèn)題的煩擾.然而，單靠其自身，ZigBee標準化框架不能保證產(chǎn)品的順利開(kāi)發(fā).必須選擇一個(gè)集成硬 軟件平臺來(lái)建立自己的應用.必須仔細考慮所選平臺的集成深度、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧的深度和合適的開(kāi)發(fā)工具.
5)基于ZigBee技術(shù)的嵌入式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )平臺評測的主要技術(shù)指標有：①無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)功耗小于75mw(激活工作狀態(tài)).②無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )動(dòng)態(tài)路由，有效數據載荷大于20kbps.③無(wú)線(xiàn)(GPRS)嵌入式廣域網(wǎng)協(xié)議棧小于64KB RAM、128KB Flash.

3 平臺安全性
3.1 ZigBee的抗干擾性
IEEE802.15.4定義了兩個(gè)物理層標準，分別是2.4GHz物理層和868／915MHz物理層.ZigBee物理層分組結構如圖2所示.

圖2 物理層分組結構
(其中前導碼4byte，主要用于前導同步，分組定界1byte，標志了分組的開(kāi)始，物理層頭1byate，指示了數據單元的長(cháng)度，數據單元則用來(lái)承載所有傳輸的數據.)
兩個(gè)物理層都基于DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻)使用相同的物理層數據包格式，區別在于工作頻率、調制技術(shù)、擴頻碼片長(cháng)度和傳輸速率.2.4GHz的物理層通過(guò)采用高階調制技術(shù)，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時(shí)延和更短的工作周期，從而更加省電.為了避免干擾，除了2.4GISM頻段外，歐洲還采用868MHz頻段，美國采用915MHz頻段作為ZigBee的工作頻段.這些頻段都比較近，對信號合成器的程序稍微改動(dòng)，就可以使用相似的硬件，從而降低生產(chǎn)成本.由于這2個(gè)頻段上無(wú)線(xiàn)信號傳播損耗較小，可以降低對接收機靈敏度的要求，獲得較遠的有效通信距離，從而可以用較少的設備覆蓋較大的區域.2.4GHz頻段(2.4―83GHz)被劃分成l6個(gè)信道，數據傳輸速率為250kbifs，碼元速率為62.5kbaud，采用了l6進(jìn)制正交調制，用碼片長(cháng)度為8的偽隨機碼直接擴頻.915MHz頻段(902―928MHz)被劃分為10個(gè)信道.數據傳輸速率為40kb／s.868MHz頻段(868.3MHz)有1個(gè)信道，數據傳輸速率為20kb／s，碼元速率為20Kbaud.后2個(gè)頻段均采用了差分編碼的二進(jìn)制移相鍵控(BPSK)調制，用碼片長(cháng)度為15的M序列直接擴頻.

3.2無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )平臺數據安全性
根據ZigBee網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)，在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )平臺中采用許可證技術(shù)對保證數據傳輸的安全性較為適合.許可證是一個(gè)數據結構，它包括設備的信息、權限、等級、密鑰等信息，用于確定設備的身份信息、操作權限和提供必要的密鑰.如表2所示.
表2 許可證結構定義

采用許可證技術(shù)后，平臺中信息傳遞的過(guò)程如下：
①發(fā)送方向接收方發(fā)送信息，并附加本設備信息.
②接收方收到信息后，先將信息和發(fā)送方設備信息存儲在一個(gè)緩沖區中，然后將發(fā)送方的設備信息與本地存儲器中的訪(fǎng)問(wèn)權限表相比較，確定發(fā)送方設備是否有權限向本設備發(fā)送信息.
③如果發(fā)送方是有權限的發(fā)送設備，那么接收方接收發(fā)送方的信息，并向發(fā)送方發(fā)送“正確接收”的反饋信息.如果發(fā)送方是非授權的發(fā)送設備，則接收方拒絕接收信息，清空緩沖區.

4 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )平臺的自組網(wǎng)方式
ZigBee主要采用了3種組網(wǎng)方式：星型網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)和叢集樹(shù)狀網(wǎng).如圖2所示在星型網(wǎng)中，一個(gè)功能強大的主器件位于網(wǎng)絡(luò )的中心，作為網(wǎng)絡(luò )協(xié)調者，其它的主器件或從器件分布在其覆蓋范圍內.由于網(wǎng)絡(luò )協(xié)調者定義了整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的時(shí)分復用和多址接人方式，因此星型網(wǎng)的控制和同步都比較簡(jiǎn)單，通常用在設備薯莨比較少的場(chǎng)合.如圖3所示，網(wǎng)狀網(wǎng)是由主器件連接在一起形成的，又可分成為點(diǎn)對點(diǎn)和簇樹(shù)2種結構.星型網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)相結合則形成了叢集樹(shù)狀網(wǎng)，如圖4所示.各個(gè)子網(wǎng)內部都以星型網(wǎng)連接.其主器件又以對等的方式連接在一起.信息流首先傳到同一個(gè)子網(wǎng)內的主節點(diǎn).通過(guò)網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)達到更高層的子網(wǎng)，隨后繼續上傳，直至到達中心采集設備.中心采集設備與普通的WPAN設備相比具有更強的處理能力.叢集樹(shù)狀網(wǎng)可以用于覆蓋范圍較大的區域，在上述網(wǎng)絡(luò )拓撲結構中，網(wǎng)絡(luò )的形成和維護通過(guò)設備間的通信自動(dòng)實(shí)現，不需要人32干預網(wǎng)絡(luò )的建立、擴展或者減小.ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的所有設備都被動(dòng)態(tài)分配到IEEE地址.圖中，個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )協(xié)調者(PAN Coordinator)表示網(wǎng)絡(luò )主節點(diǎn)Mesh Network，全功能設備有32KB存儲器，而簡(jiǎn)化(精簡(jiǎn))功能設備只有4―8KB存儲器.

圖3星型網(wǎng)絡(luò ) 圖4網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )

圖5叢集樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )

5 結束語(yǔ)
低功耗、低成本的ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準將在家庭和樓宇自動(dòng)化、節能甚至國土安全領(lǐng)域開(kāi)拓豐富的新市場(chǎng).但該協(xié)議不是能以一種規格適應
所有應用的“萬(wàn)能藥”.在其最基礎層，ZigBee確保了與其它符合標準的產(chǎn)品的互操作性.而與ZigBee的潛在應用非常之廣一樣，對其進(jìn)行開(kāi)發(fā)必須權衡的問(wèn)題也非常之多，包括更深層的應用、架構和平臺等.
ZigBee標準提供了網(wǎng)絡(luò )、安全和應用支持服務(wù)，這些服務(wù)工作在IEEE 802.15.4媒體存取控制(MAC)和物理層(PHY)無(wú)線(xiàn)標準之上.它采用了一整套技術(shù)來(lái)實(shí)現可擴展、自組織、自恢復的網(wǎng)絡(luò )，這種網(wǎng)絡(luò )可以管理各種各樣的數據傳輸模式.