基于ZigBee技术的嵌入式无线网络平台的研究

摘要：ZigBee技术是今后无线网络和嵌入式系统的一个重要发展方向，本文研究其协议栈及技术特征，以ZigBee协议为基础，搭建嵌入式ARM处理嚣及嵌入式Linux相结合的应用环境，从自组网方式、数据安全性、抗干扰性、性能评测等方面详细论述了如何设计此无线网络平台.该平台具有低成本、低功耗、自组网络、高安全性、多节点等特征，可广泛应用于工业、家庭以及医学等多种领域.

0 引言
    无线网络系统源自美国军方的“电子尘埃(eMote)”技术，是目前国内、外研究的热点技术之一.该系统基于IEEE802.15.4规范的无线技术，工作在2.4 GHz或868／928 MHz，用于个人区域网和对等网状网络.ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。它是一种介于红外无线技术和蓝牙之间的技术提案.主要用于近距离无线连接.它依据802.15.4标准。在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信.这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高.相对于现有的各种无线通信技术，无线ZigBee网络技术将是近距离通信最低功耗和成本的技术.这一技术目前正向工业、民用方向推广和发展，市场前景广阔.包括国家863计划等项目都在进行相关的研究工作.因此，本文介绍的基于ZigBee技术的嵌入式无线网络平台，这一无线网络平台可应用于工业控制、信息家电、安保系统、环境监测、港务运输、煤矿安全、农业自动化和医疗监护设备等许多行业和设备。具有广泛的适应性。并能弥补其他无线通信技术的不足，保证其安全性，降低服务成本.

1 应用环境的确定
    基于ZigBee技术的无线网络平台是构建于采用ARM技术和嵌入式Linux技术相结合的应用环境中.
1.1无线标准的比较
    随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加.相对于现有的各种无线通信技术。ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术.同时由于ZigBee技术的低数据速率和通信范围较小的特点，也决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务.所以ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等.

1.2 ZigBee协议栈模型
    ZigBee协议栈采用分层结构，包括：物理层(PHY Layer)、媒体接入控制层(MAC Layer)、网络层(NWK Layer)和应用层，如图1所示.

 
    相对于常见的无线通信标准，ZigBee协议栈紧凑简单，具体实现要求很低.只要8位处理器再配上4kB ROM和64kB RAM等，就可以满足其最低需要.从而大大降低了芯片的成本.ZigBee技术主要应用于距离短、数据传输速率不高的各种电子设备之间，典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和重复性低响应时间数据.

1.3 ARM 微处理器结构与嵌入式Linux的结合
    ARM微处理器支持多种操作系统，同时Linux支持ARM技术的CPU.Linux提供ARM微处理器的编译环境，ARM的汇编指令和C语言可以进行交叉编程.标准C语言写的程序可以直接在ARM技术的CPU上运行.嵌入式Linux和ARM技术结合具有许多优点，为研究、开发和使用带来了极大的方便.本文提出以ZigBee协议为基础，利用ARM微处理器和嵌入式Linux操作系统，将它们有机结合，构建出针对无线网络的控制平台，这将为今后的研究和开发建立良好的环境.

2 基于ZigBee技术的嵌入式无线网络平台
    本文主要针对ZigBee技术的主要特征及其协议栈，最后给出一种基于ZigBee技术的无线网络平台的实现.研究内容包括：可应用于嵌入式信息系统平台的无线网络的拓扑结构、网络层协议、路由算法、应用层接口及协议、低功耗系统设计方法、无线网络与标准平台的互连方式；安全机制；嵌入式软件设计与优化等.基于ZigBee的嵌入式无线网络平台的研究要考虑以下因素：
1)网络拓扑结构：ZigBee标准实际上支持多种网络拓扑，包括星型、簇树型(cluster tree)或星／网络混合型网络.因此，网络的选型需从数据的可靠性、网络的扩展工作范围等多方面考虑.
2)互操作性：ZigBee设备采用应用对象进行建模，这些应用对象通过交换类对象和它们的属性实现与其它设备的通信，因此要考虑利用ZigBee应用编程接口(API)来设计专有的应用类.此外，ZigBee没有定义传输层，所以是自己创建传输机制，还是使用一个带有内置传输层的ZigBee芯片来创建实际的应用也成为了关键问题.
3)安全性；ZigBee提供了一套基于128位AES算法的安全类和软件，并集成了802.15.4的安全元素.ZigBee协议栈类为MAC、网络和应用层定义了安全性.它的安全服务包括针对关键进程建立和传输、设备管理和框架保护的方法.必须决定在哪个层上施加安全机制，应用层的安全机制需要更多的存储器来实现.在MAC层和网络层的安全性实质上服务于相同的目的：确保单跳传输的安全.
4)平台因素：ZigBee提供了一个标准化的网络和应用框架，可以在此基础上建立应用而无须担忧联网和RF问题的烦扰.然而，单靠其自身，ZigBee标准化框架不能保证产品的顺利开发.必须选择一个集成硬 软件平台来建立自己的应用.必须仔细考虑所选平台的集成深度、网络协议栈的深度和合适的开发工具.
5)基于ZigBee技术的嵌入式无线网络平台评测的主要技术指标有：①无线传感网络节点功耗小于75mw(激活工作状态).②无线传感网络动态路由，有效数据载荷大于20kbps.③无线(GPRS)嵌入式广域网协议栈小于64KB RAM、128KB Flash.

3 平台安全性
3.1 ZigBee的抗干扰性
    IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868／915MHz物理层.ZigBee物理层分组结构如图2所示.

 
图2 物理层分组结构
(其中前导码4byte，主要用于前导同步，分组定界1byte，标志了分组的开始，物理层头1byate，指示了数据单元的长度，数据单元则用来承载所有传输的数据.)
    两个物理层都基于DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频)使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率.2.4GHz的物理层通过采用高阶调制技术，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电.为了避免干扰，除了2.4GISM频段外，欧洲还采用868MHz频段，美国采用915MHz频段作为ZigBee的工作频段.这些频段都比较近，对信号合成器的程序稍微改动，就可以使用相似的硬件，从而降低生产成本.由于这2个频段上无线信号传播损耗较小，可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖较大的区域.2.4GHz频段(2.4—83GHz)被划分成l6个信道，数据传输速率为250kbifs，码元速率为62.5kbaud，采用了l6进制正交调制，用码片长度为8的伪随机码直接扩频.915MHz频段(902—928MHz)被划分为10个信道.数据传输速率为40kb／s.868MHz频段(868.3MHz)有1个信道，数据传输速率为20kb／s，码元速率为20Kbaud.后2个频段均采用了差分编码的二进制移相键控(BPSK)调制，用码片长度为15的M序列直接扩频.

3.2无线网络平台数据安全性
    根据ZigBee网络的特点，在无线网络平台中采用许可证技术对保证数据传输的安全性较为适合.许可证是一个数据结构，它包括设备的信息、权限、等级、密钥等信息，用于确定设备的身份信息、操作权限和提供必要的密钥.如表2所示.
表2 许可证结构定义

 
    采用许可证技术后，平台中信息传递的过程如下：
①发送方向接收方发送信息，并附加本设备信息.
②接收方收到信息后，先将信息和发送方设备信息存储在一个缓冲区中，然后将发送方的设备信息与本地存储器中的访问权限表相比较，确定发送方设备是否有权限向本设备发送信息.
③如果发送方是有权限的发送设备，那么接收方接收发送方的信息，并向发送方发送“正确接收”的反馈信息.如果发送方是非授权的发送设备，则接收方拒绝接收信息，清空缓冲区.

4 无线网络平台的自组网方式
    ZigBee主要采用了3种组网方式：星型网、网状网和丛集树状网.如图2所示在星型网中，一个功能强大的主器件位于网络的中心，作为网络协调者，其它的主器件或从器件分布在其覆盖范围内.由于网络协调者定义了整个网络的时分复用和多址接人方式，因此星型网的控制和同步都比较简单，通常用在设备薯莨比较少的场合.如图3所示，网状网是由主器件连接在一起形成的，又可分成为点对点和簇树2种结构.星型网和网状网相结合则形成了丛集树状网，如图4所示.各个子网内部都以星型网连接.其主器件又以对等的方式连接在一起.信息流首先传到同一个子网内的主节点.通过网关节点达到更高层的子网，随后继续上传，直至到达中心采集设备.中心采集设备与普通的WPAN设备相比具有更强的处理能力.丛集树状网可以用于覆盖范围较大的区域，在上述网络拓扑结构中，网络的形成和维护通过设备间的通信自动实现，不需要人32干预网络的建立、扩展或者减小.ZigBee网络中的所有设备都被动态分配到IEEE地址.图中，个人区域网络协调者(PAN Coordinator)表示网络主节点Mesh Network，全功能设备有32KB存储器，而简化(精简)功能设备只有4—8KB存储器.

 

图3星型网络                                                                   图4网状网络

 
图5丛集树状网络

5 结束语
    低功耗、低成本的ZigBee无线网络标准将在家庭和楼宇自动化、节能甚至国土安全领域开拓丰富的新市场.但该协议不是能以一种规格适应
所有应用的“万能药”.在其最基础层，ZigBee确保了与其它符合标准的产品的互操作性.而与ZigBee的潜在应用非常之广一样，对其进行开发必须权衡的问题也非常之多，包括更深层的应用、架构和平台等.
    ZigBee标准提供了网络、安全和应用支持服务，这些服务工作在IEEE 802.15.4媒体存取控制(MAC)和物理层(PHY)无线标准之上.它采用了一整套技术来实现可扩展、自组织、自恢复的网络，这种网络可以管理各种各样的数据传输模式.