基于ZigBee技術(shù)的嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)平臺的研究

摘要：ZigBee技術(shù)是今后無線網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)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(chǔ)，搭建嵌入式ARM處理囂及嵌入式Linux相結(jié)合的應(yīng)用環(huán)境，從自組網(wǎng)方式、數(shù)據(jù)安全性、抗干擾性、性能評測等方面詳細(xì)論述了如何設(shè)計(jì)此無線網(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(jié)點(diǎn)等特征，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、家庭以及醫(yī)學(xué)等多種領(lǐng)域.

0 引言
    無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)源自美國軍方的“電子塵埃(eMote)”技術(shù)，是目前國內(nèi)、外研究的熱點(diǎn)技術(shù)之一.該系統(tǒng)基于IEEE802.15.4規(guī)范的無線技術(shù)，工作在2.4 GHz或868／928 MHz，用于個(gè)人區(qū)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(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它是一種介于紅外無線技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案.主要用于近距離無線連接.它依據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信.這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(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(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，無線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，市場前景廣闊.包括國家863計(jì)劃等項(xiàng)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)的嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)平臺，這一無線網(wǎng)絡(luò)平臺可應(yīng)用于工業(yè)控制、信息家電、安保系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測、港務(wù)運(yùn)輸、煤礦安全、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備等許多行業(yè)和設(shè)備。具有廣泛的適應(yīng)性。并能彌補(bǔ)其他無線通信技術(shù)的不足，保證其安全性，降低服務(wù)成本.

1 應(yīng)用環(huán)境的確定
    基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)平臺是構(gòu)建于采用ARM技術(shù)和嵌入式Linux技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用環(huán)境中.
1.1無線標(biāo)準(zhǔn)的比較
    隨著通信距離的增大，設(shè)備的復(fù)雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加.相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù).所以ZigBee聯(lián)盟預(yù)測的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、汽車自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)用設(shè)備控制等.

1.2 ZigBee協(xié)議棧模型
    ZigBee協(xié)議棧采用分層結(jié)構(gòu)，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(yīng)用層，如圖1所示.
 
    相對于常見的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee協(xié)議棧緊湊簡單，具體實(shí)現(xiàn)要求很低.只要8位處理器再配上4kB ROM和64kB RAM等，就可以滿足其最低需要.從而大大降低了芯片的成本.ZigBee技術(shù)主要應(yīng)用于距離短、數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間，典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和重復(fù)性低響應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù).

1.3 ARM 微處理器結(jié)構(gòu)與嵌入式Linux的結(jié)合
    ARM微處理器支持多種操作系統(tǒng)，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語言可以進(jìn)行交叉編程.標(biāo)準(zhǔn)C語言寫的程序可以直接在ARM技術(shù)的CPU上運(yùn)行.嵌入式Linux和ARM技術(shù)結(jié)合具有許多優(yōu)點(diǎn)，為研究、開發(fā)和使用帶來了極大的方便.本文提出以ZigBee協(xié)議為基礎(chǔ)，利用ARM微處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)，將它們有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建出針對無線網(wǎng)絡(luò)的控制平臺，這將為今后的研究和開發(fā)建立良好的環(huán)境.

2 基于ZigBee技術(shù)的嵌入式無線網(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)的無線網(wǎng)絡(luò)平臺的實(shí)現(xiàn).研究內(nèi)容包括：可應(yīng)用于嵌入式信息系統(tǒng)平臺的無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議、路由算法、應(yīng)用層接口及協(xié)議、低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、無線網(wǎng)絡(luò)與標(biāo)準(zhǔn)平臺的互連方式；安全機(jī)制；嵌入式軟件設(shè)計(jì)與優(yōu)化等.基于ZigBee的嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)平臺的研究要考慮以下因素：
1)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：ZigBee標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，包括星型、簇樹?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(shù)據(jù)的可靠性、網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展工作范圍等多方面考慮.
2)互操作性：ZigBee設(shè)備采用應(yīng)用對象進(jìn)行建模，這些應(yīng)用對象通過交換類對象和它們的屬性實(shí)現(xiàn)與其它設(shè)備的通信，因此要考慮利用ZigBee應(yīng)用編程接口(API)來設(shè)計(jì)專有的應(yīng)用類.此外，ZigBee沒有定義傳輸層，所以是自己創(chuàng)建傳輸機(jī)制，還是使用一個(gè)帶有內(nèi)置傳輸層的ZigBee芯片來創(chuàng)建實(shí)際的應(yīng)用也成為了關(guān)鍵問題.
3)安全性；ZigBee提供了一套基于128位AES算法的安全類和軟件，并集成了802.15.4的安全元素.ZigBee協(xié)議棧類為MAC、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)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(shè)備管理和框架保護(hù)的方法.必須決定在哪個(gè)層上施加安全機(jī)制，應(yīng)用層的安全機(jī)制需要更多的存儲器來實(shí)現(xiàn).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?shù)陌踩?
4)平臺因素：ZigBee提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用框架，可以在此基礎(chǔ)上建立應(yīng)用而無須擔(dān)憂聯(lián)網(wǎng)和RF問題的煩擾.然而，單靠其自身，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)化框架不能保證產(chǎn)品的順利開發(fā).必須選擇一個(gè)集成硬 軟件平臺來建立自己的應(yīng)用.必須仔細(xì)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發(fā)工具.
5)基于ZigBee技術(shù)的嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)平臺評測的主要技術(shù)指標(biāo)有：①無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功耗小于75mw(激活工作狀態(tài)).②無線傳感網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)路由，有效數(shù)據(jù)載荷大于20kbps.③無線(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(biāo)準(zhǔn)，分別是2.4GHz物理層和868／915MHz物理層.ZigBee物理層分組結(jié)構(gòu)如圖2所示.
 
圖2 物理層分組結(jié)構(gòu)
(其中前導(dǎo)碼4byte，主要用于前導(dǎo)同步，分組定界1byte，標(biāo)志了分組的開始，物理層頭1byate，指示了數(shù)據(jù)單元的長度，數(shù)據(jù)單元?jiǎng)t用來承載所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù).)
    兩個(gè)物理層都基于DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴(kuò)頻)使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長度和傳輸速率.2.4GHz的物理層通過采用高階調(diào)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)頻段上無線信號傳播損耗較小，可以降低對接收機(jī)靈敏度的要求，獲得較遠(yuǎn)的有效通信距離，從而可以用較少的設(shè)備覆蓋較大的區(qū)域.2.4GHz頻段(2.4—83GHz)被劃分成l6個(gè)信道，數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbifs，碼元速率為62.5kbaud，采用了l6進(jìn)制正交調(diào)制，用碼片長度為8的偽隨機(jī)碼直接擴(kuò)頻.915MHz頻段(902—928MHz)被劃分為10個(gè)信道.數(shù)據(jù)傳輸速率為40kb／s.868MHz頻段(868.3MHz)有1個(gè)信道，數(shù)據(jù)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(diào)制，用碼片長度為15的M序列直接擴(kuò)頻.

3.2無線網(wǎng)絡(luò)平臺數(shù)據(jù)安全性
    根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，在無線網(wǎng)絡(luò)平臺中采用許可證技術(shù)對保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩暂^為適合.許可證是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它包括設(shè)備的信息、權(quán)限、等級、密鑰等信息，用于確定設(shè)備的身份信息、操作權(quán)限和提供必要的密鑰.如表2所示.
表2 許可證結(jié)構(gòu)定義
 
    采用許可證技術(shù)后，平臺中信息傳遞的過程如下：
①發(fā)送方向接收方發(fā)送信息，并附加本設(shè)備信息.
②接收方收到信息后，先將信息和發(fā)送方設(shè)備信息存儲在一個(gè)緩沖區(qū)中，然后將發(fā)送方的設(shè)備信息與本地存儲器中的訪問權(quán)限表相比較，確定發(fā)送方設(shè)備是否有權(quán)限向本設(shè)備發(fā)送信息.
③如果發(fā)送方是有權(quán)限的發(fā)送設(shè)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(quán)的發(fā)送設(shè)備，則接收方拒絕接收信息，清空緩沖區(qū).

4 無線網(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)和叢集樹狀網(wǎng).如圖2所示在星型網(wǎng)中，一個(gè)功能強(qiáng)大的主器件位于網(wǎng)絡(luò)的中心，作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，其它的主器件或從器件分布在其覆蓋范圍內(nèi).由于網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者定義了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)分復(fù)用和多址接人方式，因此星型網(wǎng)的控制和同步都比較簡單，通常用在設(shè)備薯莨比較少的場合.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2種結(jié)構(gòu).星型網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)相結(jié)合則形成了叢集樹狀網(wǎng)，如圖4所示.各個(gè)子網(wǎng)內(nèi)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(nèi)的主節(jié)點(diǎn).通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)達(dá)到更高層的子網(wǎng)，隨后繼續(xù)上傳，直至到達(dá)中心采集設(shè)備.中心采集設(shè)備與普通的WPAN設(shè)備相比具有更強(qiáng)的處理能力.叢集樹狀網(wǎng)可以用于覆蓋范圍較大的區(qū)域，在上述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)的形成和維護(hù)通過設(shè)備間的通信自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，不需要人32干預(yù)網(wǎng)絡(luò)的建立、擴(kuò)展或者減小.ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備都被動(dòng)態(tài)分配到IEEE地址.圖中，個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者(PAN Coordinator)表示網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)Mesh Network，全功能設(shè)備有32KB存儲器，而簡化(精簡)功能設(shè)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叢集樹狀網(wǎng)絡(luò)

5 結(jié)束語
    低功耗、低成本的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)將在家庭和樓宇自動(dòng)化、節(jié)能甚至國土安全領(lǐng)域開拓豐富的新市場.但該協(xié)議不是能以一種規(guī)格適應(yīng)
所有應(yīng)用的“萬能藥”.在其最基礎(chǔ)層，ZigBee確保了與其它符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品的互操作性.而與ZigBee的潛在應(yīng)用非常之廣一樣，對其進(jìn)行開發(fā)必須權(quán)衡的問題也非常之多，包括更深層的應(yīng)用、架構(gòu)和平臺等.
    ZigBee標(biāo)準(zhǔn)提供了網(wǎng)絡(luò)、安全和應(yīng)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)無線標(biāo)準(zhǔn)之上.它采用了一整套技術(shù)來實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展、自組織、自恢復(fù)的網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)可以管理各種各樣的數(shù)據(jù)傳輸模式.