ZigBee在生命子系統(tǒng)中的應(yīng)用

引言

　　Zigbee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。

　　ZigBee 是一種新興的短距離、低速率、低功耗無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，他是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。他此前被稱作“HomeRF Lite”或“FireFly”無線技術(shù)，主要用于近距離無線連接。其基本技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

1 　單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)

　　單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)是以單兵為基本單元，人機(jī)環(huán)境統(tǒng)籌考慮，應(yīng)用多種先進(jìn)技術(shù)的高技術(shù)士兵裝備系統(tǒng)，他使士兵、武器、裝備間形成了一個有機(jī)的整體，從而全面增強(qiáng)單兵的火力、機(jī)動、通信、觀瞄和防護(hù)能力，使每一個士兵都成為有效的火力攻擊單位，既能獨立作戰(zhàn)，又能協(xié)調(diào)行動，全面提高單兵作戰(zhàn)效能，使士兵有條件在未來信息化戰(zhàn)場上贏得優(yōu)勢。

　　單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)一般分為5 個子系統(tǒng)： 武器子系統(tǒng)、通訊子系統(tǒng)、觀瞄子系統(tǒng)、生命子系統(tǒng)、防護(hù)子系統(tǒng)。

　?。?） 武器子系統(tǒng)

　　必須做到系統(tǒng)重量輕、持續(xù)作戰(zhàn)能力強(qiáng)、能對付多種目標(biāo)，可安裝一系列的附件，如光學(xué)瞄具、激光瞄具、激光測距儀等。

　?。?） 通訊裝備子系統(tǒng)

　　主要是提高單兵的全天候作戰(zhàn)能力及單兵之間、分隊之間、單兵與后方指揮員之間的聯(lián)系及情報交換能力。

　?。?） 觀瞄子系統(tǒng)

　　主要為士兵提供觀察敵情，瞄準(zhǔn)射擊的裝備。他主要由夜視、夜瞄以及長距離瞄準(zhǔn)裝置組成，并為消除帶頭盔后給士兵瞄準(zhǔn)帶來的不方便，可設(shè)計武器瞄準(zhǔn)具與頭盔正前方的顯示屏相連，士兵平視就能實施瞄準(zhǔn)及觀察。

　?。?） 生命子系統(tǒng)

　　主要是利用各種傳感器對士兵各種生命體征以及周圍環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，由單兵穿戴式計算機(jī)對傳感器的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，得出一個數(shù)值代碼并將其發(fā)送到后方指揮部，指揮員就可判斷出前線作戰(zhàn)士兵的生理狀態(tài)：是否受傷，傷情如何；是否處于疲勞、寒冷、疾病、恐懼等不良狀態(tài)等。

　?。?） 防護(hù)子系統(tǒng)

　　主要采用各種新材料以達(dá)到防襲擊、防激光致盲、防噪聲及防水、防潮和防寒等全環(huán)境防護(hù)能力，他包括多功能頭盔和防護(hù)服。

2 　ZigBee 在生命子系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　ZigBee 在生命子系統(tǒng)中的應(yīng)用工作流程如圖1 所示。

2. 1 　工作原理

　　在一個單兵小分隊中，每個分隊成員佩戴一個ZigBee生物傳感器節(jié)點，他是集ZigBee 無線網(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(shù)據(jù)采集，并通過ZigBee 方式無線傳輸至主協(xié)調(diào)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(zhuǎn)換器、電平比較器、信號存儲器和ZigBee 無線收發(fā)器及相關(guān)軟件組成。每個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)都必須包括一臺主協(xié)調(diào)器，在本應(yīng)用中，由于小分隊成員的活動范圍非常接近，所以無需中繼設(shè)備，可以直接將終端無線接入主協(xié)調(diào)器。

　　網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備都擁有一個64 位的IEEE 地址，也可以使用16 位短地址來減少數(shù)據(jù)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(rèn)時使用樹形路由選擇，即在做路由選擇策略時利用樹形結(jié)構(gòu)選址。穿戴式計算機(jī)內(nèi)部軟件要具備3 種功能：ZigBee 網(wǎng)絡(luò)控制功能、數(shù)據(jù)分析處理轉(zhuǎn)換功能、衛(wèi)星通信設(shè)備管理功能。

　　ZigBee 網(wǎng)絡(luò)控制主要包括系統(tǒng)啟動關(guān)閉、終端地址分配、差錯控制、各種參數(shù)設(shè)定等。數(shù)據(jù)分析處理轉(zhuǎn)換主要是將終端收集來的各種參數(shù)進(jìn)行波形分析、頻率分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等，得出士兵所處狀態(tài)結(jié)論，將之轉(zhuǎn)換成特殊編碼格式，加載到衛(wèi)星上傳回后方指揮中心。

　　衛(wèi)星通信設(shè)備管理功能包括系統(tǒng)啟動與否、接口控制、數(shù)據(jù)格式選擇等。

　　單兵衛(wèi)星系統(tǒng)由輕型便攜式無線電臺加衛(wèi)星天線組成。電臺用金屬包裝，經(jīng)久耐用，能夠抗得住野戰(zhàn)暴露或在機(jī)動部隊使用時所處的惡劣環(huán)境。背負(fù)式電臺易于攜帶，包括天線和電池組在內(nèi)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(tǒng)安全性可靠性

　　本應(yīng)用中的安全可靠性分為3 步分：ZigBee傳輸?shù)陌踩煽啃?，穿戴式計算機(jī)數(shù)據(jù)處理的安全可靠性，衛(wèi)星傳輸?shù)陌踩煽啃?。其中后兩方面在其他文獻(xiàn)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：無安全性、接入控制表、32 b AES 和128 b AES。如果對系統(tǒng)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(tǒng)成本和功耗的降低；反之，在安全性要求較高時，可以選擇較高的安全級別。由于本例應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，所以應(yīng)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(shù)據(jù)經(jīng)過一跳就到達(dá)目的地時，ZigBee 只用MAC 層提供的安全機(jī)制；當(dāng)在多跳的情況下，ZigBee 就要依賴高層來保證安全。

　　MAC 層安全套件基于以下3 種操作模式：計數(shù)器模式的AES 加密、密碼塊鏈接模式的數(shù)據(jù)完整性、二者相結(jié)合的加密和完整性（CCM 模式） 。MAC 層的AES 加密算法可以保護(hù)MAC 命令、信標(biāo)、信息幀和應(yīng)答幀的秘密性、完整性和真實性。MAC 幀的頭部有一個比特用來指示MAC 幀是否加密。同時，在每個MAC 幀頭也都有一個幀編號，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程的控制則由高層來負(fù)責(zé)。

　　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，同時提供只加密和只保證完整性的功能。使用CCM 3 允許單個密鑰用于不同的安全套件。因此一個密鑰并不只屬于單個安全套件，一個高層應(yīng)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(fù)責(zé)安全處理，但對處理過程的控制則由高層通過建立密鑰和決定使用哪一種CCM 3 安全套件來實現(xiàn)。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(kuò)頻和頻率捷變FA技術(shù)。為了保證幀的正確傳輸，ZigBee 在MAC 層采用了兩個措施：自動請求重傳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(jié)　語

　　ZigBee 所具有的短距離、低成本、低功耗、易實現(xiàn)、安全可靠的特點非常適合作為單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)中生命子系統(tǒng)的組成部件。不僅能對士兵生命體征數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，后續(xù)的技術(shù)開發(fā)還可以對敵核、生、化武器污染監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。當(dāng)傳感器的檢測信號表明敵方施放了核、生、化武器，就會自動發(fā)出報警信號，同時將檢測結(jié)果通過ZigBee發(fā)送裝置傳輸?shù)街笓]部，為己方贏得較長的預(yù)警時間ZigBee 的應(yīng)用為指揮人員提供了準(zhǔn)確評價部隊?wèi)?zhàn)斗力的客觀依據(jù)，提高了部隊裝備的信息化含量，從而使我軍在未來信息化戰(zhàn)爭中處于有利地位。