基於ZigBee技術的嵌入式無線網路平台的研究

摘要：ZigBee技術是今後無線網路和嵌入式系統的一個重要發展方向，本文研究其協議棧及技術特徵，以ZigBee協議為基礎，搭建嵌入式ARM處理囂及嵌入式Linux相結合的應用環境，從自組網方式、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線網路平台.該平台具有低成本、低功耗、自組網路、高安全性、多節點等特徵，可廣泛應用於工業、家庭以及醫學等多種領域.

0 引言
    無線網路系統源自美國軍方的“電子塵埃(eMote)”技術，是目前國內、外研究的熱點技術之一.該系統基於IEEE802.15.4規範的無線技術，工作在2.4 GHz或868／928 MHz，用於個人區域網和對等網狀網路.ZigBee是一種新興的近距離、低複雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網路技術。它是一種介於紅外無線技術和藍牙之間的技術提案.主要用於近距離無線連接.它依據802.15.4標準。在數千個微小的感測器之間相互協調實現通信.這些感測器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個感測器傳到另一個感測器，所以它們的通信效率非常高.相對於現有的各種無線通信技術，無線ZigBee網路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、民用方向推廣和發展，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，本文介紹的基於ZigBee技術的嵌入式無線網路平台，這一無線網路平台可應用於工業控制、信息家電、安保系統、環境監測、港務運輸、煤礦安全、農業自動化和醫療監護設備等許多行業和設備。具有廣泛的適應性。並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 應用環境的確定
    基於ZigBee技術的無線網路平台是構建於採用ARM技術和嵌入式Linux技術相結合的應用環境中.
1.1無線標準的比較
    隨著通信距離的增大，設備的複雜度、功耗以及系統成本都在增加.相對於現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.同時由於ZigBee技術的低數據速率和通信範圍較小的特點，也決定了ZigBee技術適合於承載數據流量較小的業務.所以ZigBee聯盟預測的主要應用領域包括工業控制、消費性電子設備、汽車自動化、農業自動化和醫用設備控制等.

1.2 ZigBee協議棧模型
    ZigBee協議棧採用分層結構，包括：物理層(PHY Layer)、媒體接入控制層(MAC Layer)、網路層(NWK Layer)和應用層，如圖1所示.
 
    相對於常見的無線通信標準，ZigBee協議棧緊湊簡單，具體實現要求很低.只要8位處理器再配上4kB ROM和64kB RAM等，就可以滿足其最低需要.從而大大降低了晶元的成本.ZigBee技術主要應用於距離短、數據傳輸速率不高的各種電子設備之間，典型的傳輸數據類型有周期性數據、間歇性數據和重複性低響應時間數據.

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Linux支持ARM技術的CPU.Linux提供ARM微處理器的編譯環境，ARM的彙編指令和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點，為研究、開發和使用帶來了極大的方便.本文提出以ZigBee協議為基礎，利用ARM微處理器和嵌入式Linux操作系統，將它們有機結合，構建出針對無線網路的控制平台，這將為今後的研究和開發建立良好的環境.

2 基於ZigBee技術的嵌入式無線網路平台
    本文主要針對ZigBee技術的主要特徵及其協議棧，最後給出一種基於ZigBee技術的無線網路平台的實現.研究內容包括：可應用於嵌入式信息系統平台的無線網路的拓撲結構、網路層協議、路由演算法、應用層介面及協議、低功耗系統設計方法、無線網路與標準平台的互連方式；安全機制；嵌入式軟體設計與優化等.基於ZigBee的嵌入式無線網路平台的研究要考慮以下因素：
1)網路拓撲結構：ZigBee標準實際上支持多種網路拓撲，包括星型、簇樹型(cluster tree)或星／網路混合型網路.因此，網路的選型需從數據的可靠性、網路的擴展工作範圍等多方面考慮.
2)互操作性：ZigBee設備採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與其它設備的通信，因此要考慮利用ZigBee應用編程介面(API)來設計專有的應用類.此外，ZigBee沒有定義傳輸層，所以是自己創建傳輸機制，還是使用一個帶有內置傳輸層的ZigBee晶元來創建實際的應用也成為了關鍵問題.
3)安全性；ZigBee提供了一套基於128位AES演算法的安全類和軟體，並集成了802.15.4的安全元素.ZigBee協議棧類為MAC、網路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.在MAC層和網路層的安全性實質上服務於相同的目的：確保單跳傳輸的安全.
4)平台因素：ZigBee提供了一個標準化的網路和應用框架，可以在此基礎上建立應用而無須擔憂聯網和RF問題的煩擾.然而，單靠其自身，ZigBee標準化框架不能保證產品的順利開發.必須選擇一個集成硬 軟體平台來建立自己的應用.必須仔細考慮所選平台的集成深度、網路協議棧的深度和合適的開發工具.
5)基於ZigBee技術的嵌入式無線網路平台評測的主要技術指標有：①無線感測網路節點功耗小於75mw(激活工作狀態).②無線感測網路動態路由，有效數據載荷大於20kbps.③無線(GPRS)嵌入式廣域網協議棧小於64KB RAM、128KB Flash.

3 平台安全性
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，主要用於前導同步，分組定界1byte，標誌了分組的開始，物理層頭1byate，指示了數據單元的長度，數據單元則用來承載所有傳輸的數據.)
    兩個物理層都基於DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻)使用相同的物理層數據包格式，區別在於工作頻率、調製技術、擴頻碼片長度和傳輸速率.2.4GHz的物理層通過採用高階調製技術，有助於獲得更高的吞吐量、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，歐洲還採用868MHz頻段，美國採用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體，從而降低生產成本.由於這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域.2.4GHz頻段(2.4—83GHz)被劃分成l6個通道，數據傳輸速率為250kbifs，碼元速率為62.5kbaud，採用了l6進位正交調製，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個通道.數據傳輸速率為40kb／s.868MHz頻段(868.3MHz)有1個通道，數據傳輸速率為20kb／s，碼元速率為20Kbaud.后2個頻段均採用了差分編碼的二進位移相鍵控(BPSK)調製，用碼片長度為15的M序列直接擴頻.

3.2無線網路平台數據安全性
    根據ZigBee網路的特點，在無線網路平台中採用許可證技術對保證數據傳輸的安全性較為適合.許可證是一個數據結構，它包括設備的信息、許可權、等級、密鑰等信息，用於確定設備的身份信息、操作許可權和提供必要的密鑰.如表2所示.
表2 許可證結構定義
 
    採用許可證技術后，平台中信息傳遞的過程如下：
①發送方向接收方發送信息，並附加本設備信息.
②接收方收到信息后，先將信息和發送方設備信息存儲在一個緩衝區中，然後將發送方的設備信息與本地存儲器中的訪問許可權表相比較，確定發送方設備是否有許可權向本設備發送信息.
③如果發送方是有許可權的發送設備，那麼接收方接收發送方的信息，並向發送方發送“正確接收”的反饋信息.如果發送方是非授權的發送設備，則接收方拒絕接收信息，清空緩衝區.

4 無線網路平台的自組網方式
    ZigBee主要採用了3種組網方式：星型網、網狀網和叢集樹狀網.如圖2所示在星型網中，一個功能強大的主器件位於網路的中心，作為網路協調者，其它的主器件或從器件分佈在其覆蓋範圍內.由於網路協調者定義了整個網路的時分復用和多址接人方式，因此星型網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，網狀網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.星型網和網狀網相結合則形成了叢集樹狀網，如圖4所示.各個子網內部都以星型網連接.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內的主節點.通過網關節點達到更高層的子網，隨後繼續上傳，直至到達中心採集設備.中心採集設備與普通的WPAN設備相比具有更強的處理能力.叢集樹狀網可以用於覆蓋範圍較大的區域，在上述網路拓撲結構中，網路的形成和維護通過設備間的通信自動實現，不需要人32干預網路的建立、擴展或者減小.ZigBee網路中的所有設備都被動態分配到IEEE地址.圖中，個人區域網路協調者(PAN Coordinator)表示網路主節點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星型網路                                                                   圖4網狀網路
 
圖5叢集樹狀網路

5 結束語
    低功耗、低成本的ZigBee無線網路標準將在家庭和樓宇自動化、節能甚至國土安全領域開拓豐富的新市場.但該協議不是能以一種規格適應
所有應用的“萬能葯”.在其最基礎層，ZigBee確保了與其它符合標準的產品的互操作性.而與ZigBee的潛在應用非常之廣一樣，對其進行開發必須權衡的問題也非常之多，包括更深層的應用、架構和平台等.
    ZigBee標準提供了網路、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.它採用了一整套技術來實現可擴展、自組織、自恢復的網路，這種網路可以管理各種各樣的數據傳輸模式.