基于ZigBee技術的嵌入式無線網(wǎng)絡平臺的研究

摘要：ZigBee技術是今后無線網(wǎng)絡和嵌入式系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向，本文研究其協(xié)議棧及技術特征，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(shù)據(jù)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線網(wǎng)絡平臺.該平臺具有低成本、低功耗、自組網(wǎng)絡、高安全性、多節(jié)點等特征，可廣泛應用于工業(yè)、家庭以及醫(yī)學等多種領域.

0 引言
    無線網(wǎng)絡系統(tǒng)源自美國軍方的“電子塵埃(eMote)”技術，是目前國內、外研究的熱點技術之一.該系統(tǒng)基于IEEE802.15.4規(guī)范的無線技術，工作在2.4 GHz或868／928 MHz，用于個人區(qū)域網(wǎng)和對等網(wǎng)狀網(wǎng)絡.ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡技術。它是一種介于紅外無線技術和藍牙之間的技術提案.主要用于近距離無線連接.它依據(jù)802.15.4標準。在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現(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)從一個傳感器傳到另一個傳感器，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，無線ZigBee網(wǎng)絡技術將是近距離通信最低功耗和成本的技術.這一技術目前正向工業(yè)、民用方向推廣和發(fā)展，市場前景廣闊.包括國家863計劃等項目都在進行相關的研究工作.因此，本文介紹的基于ZigBee技術的嵌入式無線網(wǎng)絡平臺，這一無線網(wǎng)絡平臺可應用于工業(yè)控制、信息家電、安保系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測、港務運輸、煤礦安全、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)療監(jiān)護設備等許多行業(yè)和設備。具有廣泛的適應性。并能彌補其他無線通信技術的不足，保證其安全性，降低服務成本.

1 應用環(huán)境的確定
    基于ZigBee技術的無線網(wǎng)絡平臺是構建于采用ARM技術和嵌入式Linux技術相結合的應用環(huán)境中.
1.1無線標準的比較
    隨著通信距離的增大，設備的復雜度、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。ZigBee技術將是最低功耗和成本的技術.同時由于ZigBee技術的低數(shù)據(jù)速率和通信范圍較小的特點，也決定了ZigBee技術適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務.所以ZigBee聯(lián)盟預測的主要應用領域包括工業(yè)控制、消費性電子設備、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)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)絡層(NWK Layer)和應用層，如圖1所示.
 
    相對于常見的無線通信標準，ZigBee協(xié)議棧緊湊簡單，具體實現(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技術主要應用于距離短、數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設備之間，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)和重復性低響應時間數(shù)據(jù).

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(tǒng)，同時Linux支持ARM技術的CPU.Linux提供ARM微處理器的編譯環(huán)境，ARM的匯編指令和C語言可以進行交叉編程.標準C語言寫的程序可以直接在ARM技術的CPU上運行.嵌入式Linux和ARM技術結合具有許多優(yōu)點，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，利用ARM微處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)，將它們有機結合，構建出針對無線網(wǎng)絡的控制平臺，這將為今后的研究和開發(fā)建立良好的環(huán)境.

2 基于ZigBee技術的嵌入式無線網(wǎng)絡平臺
    本文主要針對ZigBee技術的主要特征及其協(xié)議棧，最后給出一種基于ZigBee技術的無線網(wǎng)絡平臺的實現(xiàn).研究內容包括：可應用于嵌入式信息系統(tǒng)平臺的無線網(wǎng)絡的拓撲結構、網(wǎng)絡層協(xié)議、路由算法、應用層接口及協(xié)議、低功耗系統(tǒng)設計方法、無線網(wǎng)絡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的嵌入式無線網(wǎng)絡平臺的研究要考慮以下因素：
1)網(wǎng)絡拓撲結構：ZigBee標準實際上支持多種網(wǎng)絡拓撲，包括星型、簇樹型(cluster tree)或星／網(wǎng)絡混合型網(wǎng)絡.因此，網(wǎng)絡的選型需從數(shù)據(jù)的可靠性、網(wǎng)絡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行建模，這些應用對象通過交換類對象和它們的屬性實現(xiàn)與其它設備的通信，因此要考慮利用ZigBee應用編程接口(API)來設計專有的應用類.此外，ZigBee沒有定義傳輸層，所以是自己創(chuàng)建傳輸機制，還是使用一個帶有內置傳輸層的ZigBee芯片來創(chuàng)建實際的應用也成為了關鍵問題.
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)絡和應用層定義了安全性.它的安全服務包括針對關鍵進程建立和傳輸、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實現(xiàn).在MAC層和網(wǎng)絡層的安全性實質上服務于相同的目的：確保單跳傳輸?shù)陌踩?
4)平臺因素：ZigBee提供了一個標準化的網(wǎng)絡和應用框架，可以在此基礎上建立應用而無須擔憂聯(lián)網(wǎng)和RF問題的煩擾.然而，單靠其自身，ZigBee標準化框架不能保證產(chǎn)品的順利開發(fā).必須選擇一個集成硬 軟件平臺來建立自己的應用.必須仔細考慮所選平臺的集成深度、網(wǎng)絡協(xié)議棧的深度和合適的開發(fā)工具.
5)基于ZigBee技術的嵌入式無線網(wǎng)絡平臺評測的主要技術指標有：①無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點功耗小于75mw(激活工作狀態(tài)).②無線傳感網(wǎng)絡動態(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，標志了分組的開始，物理層頭1byate，指示了數(shù)據(jù)單元的長度，數(shù)據(jù)單元則用來承載所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù).)
    兩個物理層都基于DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻)使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調制技術、擴頻碼片長度和傳輸速率.2.4GHz的物理層通過采用高階調制技術，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時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，就可以使用相似的硬件，從而降低生產(chǎn)成本.由于這2個頻段上無線信號傳播損耗較小，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(qū)域.2.4GHz頻段(2.4—83GHz)被劃分成l6個信道，數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbifs，碼元速率為62.5kbaud，采用了l6進制正交調制，用碼片長度為8的偽隨機碼直接擴頻.915MHz頻段(902—928MHz)被劃分為10個信道.數(shù)據(jù)傳輸速率為40kb／s.868MHz頻段(868.3MHz)有1個信道，數(shù)據(jù)傳輸速率為20kb／s，碼元速率為20Kbaud.后2個頻段均采用了差分編碼的二進制移相鍵控(BPSK)調制，用碼片長度為15的M序列直接擴頻.

3.2無線網(wǎng)絡平臺數(shù)據(jù)安全性
    根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡的特點，在無線網(wǎng)絡平臺中采用許可證技術對保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩暂^為適合.許可證是一個數(shù)據(jù)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緩沖區(qū)中，然后將發(fā)送方的設備信息與本地存儲器中的訪問權限表相比較，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(qū).

4 無線網(wǎng)絡平臺的自組網(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，一個功能強大的主器件位于網(wǎng)絡的中心，作為網(wǎng)絡協(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)絡協(xié)調者定義了整個網(wǎng)絡的時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單，通常用在設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，又可分成為點對點和簇樹2種結構.星型網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)相結合則形成了叢集樹狀網(wǎng)，如圖4所示.各個子網(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子網(wǎng)內的主節(jié)點.通過網(wǎng)關節(jié)點達到更高層的子網(wǎng)，隨后繼續(xù)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.叢集樹狀網(wǎng)可以用于覆蓋范圍較大的區(qū)域，在上述網(wǎng)絡拓撲結構中，網(wǎng)絡的形成和維護通過設備間的通信自動實現(xiàn)，不需要人32干預網(wǎng)絡的建立、擴展或者減小.ZigBee網(wǎng)絡中的所有設備都被動態(tài)分配到IEEE地址.圖中，個人區(qū)域網(wǎng)絡協(xié)調者(PAN Coordinator)表示網(wǎng)絡主節(jié)點Mesh Network，全功能設備有32KB存儲器，而簡化(精簡)功能設備只有4—8KB存儲器.
 
圖3星型網(wǎng)絡                                                                   圖4網(wǎng)狀網(wǎng)絡
 
圖5叢集樹狀網(wǎng)絡

5 結束語
    低功耗、低成本的ZigBee無線網(wǎng)絡標準將在家庭和樓宇自動化、節(jié)能甚至國土安全領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
所有應用的“萬能藥”.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，對其進行開發(fā)必須權衡的問題也非常之多，包括更深層的應用、架構和平臺等.
    ZigBee標準提供了網(wǎng)絡、安全和應用支持服務，這些服務工作在IEEE 802.15.4媒體存取控制(MAC)和物理層(PHY)無線標準之上.它采用了一整套技術來實現(xiàn)可擴展、自組織、自恢復的網(wǎng)絡，這種網(wǎng)絡可以管理各種各樣的數(shù)據(jù)傳輸模式.