導(dǎo)語：如何才能寫好一篇zigbee協(xié)議，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關(guān)鍵詞:zigbee;簇樹協(xié)議;路由

1 引言

Zigbee是一種短距離、低速率的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),其PHY層和MAC層協(xié)議為IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),主要特性是低速率、近距離、低功耗、低復(fù)雜度和低成本。

目前,Zigbee技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于智能家居、工業(yè)控制、手機(jī)移動終端等領(lǐng)域,但主要還是限于Zigbee技術(shù)的無線個域網(wǎng)(WPN)應(yīng)用,每個接入點(diǎn)所能接納的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于協(xié)議所稱的255個。為了達(dá)到傳感器網(wǎng)絡(luò)密集覆蓋的目的,必須進(jìn)行復(fù)雜的組網(wǎng),這不僅增加了傳感器網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性,還增加了網(wǎng)絡(luò)整體的功耗,傳感器節(jié)點(diǎn)的壽命大大降低。本文描述了簇樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的Zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程,并給出在簇樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的簇樹協(xié)議的詳細(xì)分析。

2 Zigbee的簇樹結(jié)構(gòu)

IEEE802.15.4無線個域網(wǎng)定義了三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):星形、網(wǎng)狀和簇樹拓?fù)洹Ｔ赯igbee的個域網(wǎng)里,必須有一個PAN協(xié)調(diào)器(PNC)。每個獨(dú)立的PAN有一個唯一的標(biāo)識,即PAN id(PID)。臨近區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了一個簇,每個簇有且僅有一個簇頭(CLH),CLH是簇內(nèi)協(xié)調(diào)器,負(fù)責(zé)管理該簇和簇標(biāo)識(CID),CID是簇內(nèi)所有設(shè)備共享的ID號。相鄰的簇頭又循環(huán)構(gòu)成了另一個簇,這樣依次反復(fù),構(gòu)成了一個簇樹形結(jié)構(gòu)的傳感網(wǎng)絡(luò),簇樹拓?fù)涮岣吡薢igbee網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域。BRD是直接連接鄰居簇的簇頭的節(jié)點(diǎn)。Zigbee的簇樹結(jié)構(gòu)如圖1所示

3 簇樹(cluster tree)協(xié)議分析

簇的形成開始于簇頭的選擇。有了簇頭后,簇頭擴(kuò)展連接到其他的成員節(jié)點(diǎn)上就形成了簇,多個簇構(gòu)成了簇樹網(wǎng)絡(luò)。

3.1 Intra Cluster Network

(1)簇頭的形成

一個節(jié)點(diǎn)打開后,它監(jiān)聽并搜索來自其他節(jié)點(diǎn)的HELLO信息。如果在一定時間內(nèi)沒有獲取HELLO信息,它就變成簇頭并向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送HELLO信息。新的簇頭在接下來的時間里等待鄰居的請求,如果它沒收到任何連接請求,則又變成普通節(jié)點(diǎn)繼續(xù)監(jiān)聽。

簇頭也可用其他的方法形成。總之,簇頭的選擇依賴于節(jié)點(diǎn)的存儲/計算參數(shù),如傳輸范圍、功率容量、計算能力或位置信息。

(2) 簇樹路由

單播情況下,當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)向其他的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包時,它在源NID域設(shè)置自己的節(jié)點(diǎn)ID,在目標(biāo)NID域設(shè)置目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ID。如果一個節(jié)點(diǎn)沒有向它的鄰居發(fā)送信息,目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位于樹中源分支的下方,源節(jié)點(diǎn)在接收NID域時設(shè)置其孩子節(jié)點(diǎn)ID,并讓其孩子節(jié)點(diǎn)繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)。

如果源節(jié)點(diǎn)沒有向其鄰居發(fā)送信息,目標(biāo)節(jié)點(diǎn)沒有位于源分支的下方,源節(jié)點(diǎn)必須在接收NID域里設(shè)置其父節(jié)點(diǎn)ID,并向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包。當(dāng)更新接收和發(fā)射NID域時,每個中間節(jié)點(diǎn)應(yīng)該向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。

除了最后一跳,數(shù)據(jù)包沿著簇樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)路由,如果目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位于樹形結(jié)構(gòu)的發(fā)送節(jié)點(diǎn)下方,數(shù)據(jù)包沿著分支達(dá)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。否則,數(shù)據(jù)包沿著樹結(jié)構(gòu)尋找目標(biāo)。如果中間節(jié)點(diǎn)的鄰居表里有目標(biāo)節(jié)點(diǎn),數(shù)據(jù)包被路由繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)。

當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)接收了單播信息,接收的節(jié)點(diǎn)向發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送ACK信號。廣播情況下,在一個簇內(nèi)廣播信息總是由簇頭向其所有成員節(jié)點(diǎn)發(fā)送。接收節(jié)點(diǎn)不用ACK響應(yīng)廣播信息。成員節(jié)點(diǎn)應(yīng)該轉(zhuǎn)發(fā)其雙親節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息,這樣可以避免相同的信息多次轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2 Inter Cluster Network

各簇之間通信是通過路由實(shí)現(xiàn)的,BRD節(jié)點(diǎn)作為路由器,連接簇并轉(zhuǎn)發(fā)簇間通信的數(shù)據(jù)包,如圖2所示。

單播時,因?yàn)槊總€節(jié)點(diǎn)知道其父節(jié)點(diǎn)、孩子節(jié)點(diǎn)和BRD的ID,它們能夠決定是否收發(fā)數(shù)據(jù)包。當(dāng)BRD節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包時,它檢測目標(biāo)地址,然后轉(zhuǎn)發(fā)到相鄰簇的BRD節(jié)點(diǎn),或者轉(zhuǎn)發(fā)到本簇內(nèi)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

廣播時,僅有DD能夠向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包。信息沿著簇的樹路由轉(zhuǎn)發(fā)。BRD節(jié)點(diǎn)從父節(jié)點(diǎn)向孩子節(jié)點(diǎn)廣播數(shù)據(jù)包。

4 結(jié)束語

本文描述了基于Zigbee的樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以及簇樹結(jié)構(gòu)下的簇樹協(xié)議的實(shí)現(xiàn)過程,對Zigbee技術(shù)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)密集覆蓋方面有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1]ZigBee Alliance.ZigBee/IEEE 802.15.4 summary[EB/OL]., 2007-05-10.

[2]Motorola.IEEE P802.15 Working Group for Wireless Personal Area Networks,2001-04-12.

篇2

關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)絡(luò)分析器；ZigBee；802.15.4

短距離無線網(wǎng)絡(luò)市場正呈爆炸性增長。In-Stat稱，通過ZigBee協(xié)議規(guī)范和其他專有協(xié)議，到2009年IEEE 802.15.4無線個人局域網(wǎng)(PAN)的市場可實(shí)現(xiàn)200％的增長，年發(fā)貨量將超過1,5000萬單位。

對于無線設(shè)計人員而言，目前有許多射頻(RF)收發(fā)器和ZigBee協(xié)議棧可用來在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議功能。無論選擇了哪種收發(fā)器和協(xié)議棧，設(shè)計工程師都應(yīng)該查找能夠幫助他們快速評估和開發(fā)ZigBee協(xié)議應(yīng)用的設(shè)備和工具。若已確定ZigBee協(xié)議的復(fù)雜度，那么設(shè)計人員也需要使用合適的開發(fā)工具來幫助他們設(shè)計和調(diào)試應(yīng)用程序。

有多個無線網(wǎng)絡(luò)分析器或“嗅探器”可供使用。在您首次：開始無線開發(fā)時，獲取一個無線網(wǎng)絡(luò)分析器是一項關(guān)鍵性投資，可為您免去許多麻煩。有些分析器具有圖形界面，而有些分析器則具有更為基于文本的界面。請確保選擇的分析器具有易于閱讀的界面。在以下示例中，我們將使用Microchip的ZENA無線網(wǎng)絡(luò)分析器，它采用圖形的格式顯示消息。但是不管您選擇了哪種分析器，能夠快速解密ZigBee協(xié)議消息的密鑰部分將有助于您高效地開發(fā)和調(diào)試系統(tǒng)。

網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

設(shè)備加入ZigBee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)時出現(xiàn)的消息會告訴我們許多關(guān)于網(wǎng)絡(luò)的信息。當(dāng)設(shè)備試圖加入一個網(wǎng)絡(luò)時，它會發(fā)出一個信標(biāo)(beacon)請求。鄰近的協(xié)調(diào)器或路由器通過發(fā)出信標(biāo)作出響應(yīng)。新設(shè)備將選擇一個信標(biāo)，然后向該設(shè)備發(fā)送一個關(guān)聯(lián)請求，請求加入網(wǎng)絡(luò)。在一段短暫延時后，新設(shè)備發(fā)送一個數(shù)據(jù)請求，請求響應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備則發(fā)送一個關(guān)聯(lián)響應(yīng)，指示該新設(shè)備是否已被網(wǎng)絡(luò)接受。這些消息顯示如圖1。

第一條消息來自于新設(shè)備，用于請求信標(biāo)。后兩條消息是信標(biāo)。我們可以從這些信標(biāo)中知道一些關(guān)于設(shè)備的有用信息。首先，我們可以知道第二條信標(biāo)來自于協(xié)調(diào)器，因?yàn)槠湓吹刂窞?x0000且信標(biāo)有效負(fù)載中指定的深度為0。第一條信標(biāo)來自于路由器，因?yàn)槠湓吹刂贩橇恪Ｎ覀円部梢灾来寺酚善鲿ㄟ^該協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樗谕粋€網(wǎng)絡(luò)上(源PAN是相同的)且信標(biāo)有效負(fù)載“深度”為1。我們還可以知道在應(yīng)用層，這兩個設(shè)備都將接受新設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)槌瑤?guī)范“Assoc”位被置1。但是，如果我們查看信標(biāo)有效負(fù)載，我們可以看到協(xié)調(diào)器不能接受任何其他路由器或終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)椤癛trCap”和“DevCap”位均為0。同時，路由器仍然可以接受路由器和終端設(shè)備。

在第四條消息中，新設(shè)備已決定試圖加入網(wǎng)絡(luò)。通過檢查關(guān)聯(lián)請求的目標(biāo)地址，我們可以知道新設(shè)備正試圖加入哪個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備――路由器。關(guān)聯(lián)請求可告訴我們關(guān)于新設(shè)備的許多信息。其關(guān)鍵元素是“Dev”和“RxOn”位。“Dev”位指示設(shè)備正試圖作為終端設(shè)備加入。而且，可以知道此設(shè)備將總是保持其收發(fā)器開啟，因此其父設(shè)備不必為其緩沖消息。此位對于以后的通信很重要。如果“RxOn”設(shè)置：為關(guān)閉，那么其父設(shè)備將認(rèn)為新設(shè)備保持其收發(fā)器關(guān)閉，它將為新設(shè)備緩沖消息。如果新設(shè)備從未請求消息，那么父設(shè)備也從不會發(fā)送消息給它!

最后，我們可以看到關(guān)聯(lián)請求成功。現(xiàn)在我們在網(wǎng)絡(luò)上有了一個新的FFD(全功能設(shè)備)終端設(shè)備，其短地址為0x1AF9。

應(yīng)答的發(fā)送

ZigBee協(xié)議是一個高度應(yīng)答的協(xié)議。有三個應(yīng)答級別：MAC(介質(zhì)訪問控制)、APS(應(yīng)用子層支持)和AF(應(yīng)用框架)。這不但提高了系統(tǒng)的可靠性，也使我們在發(fā)生問題時能夠識別故障所在。在圖2中，設(shè)備0x0001正告知設(shè)備0x0000來使用應(yīng)答的所有三種級別將屬性設(shè)置為指定值。

第一條消息是發(fā)送給設(shè)備0x0000、要求設(shè)置屬性的命令。接下來是一條短MAC應(yīng)答，指示接收設(shè)備的收發(fā)器正確接收消息，通常可由收發(fā)器自動生成。ZigBee協(xié)議指定所有消息必須請求MAC應(yīng)答。在第一條消息的APS幀控制字段中，有一個位指示是否請求了APS應(yīng)答。如果該位置1，那么接收方ZigBee協(xié)議棧的APS層將自動生成一條APS應(yīng)答，如第三條消息所示。此應(yīng)答指示目標(biāo)設(shè)備的協(xié)議棧接收到了消息。APS應(yīng)答還將生成另外一條MAC應(yīng)答，如第四條消息所示。

查看第一條消息的事務(wù)解碼，我們將看到使用了“Set with Acknowledge”命令。這是一條發(fā)送給應(yīng)用層的指示，應(yīng)用層必須使用“Set Response”命令對該命令進(jìn)行應(yīng)答，如第五條消息所示。此應(yīng)答指示應(yīng)用層接收到了消息，而且在將屬性設(shè)置為請求的值時，發(fā)送的錯誤代碼將指示是否存在任何問題。AF應(yīng)答將生成另外一條MAC應(yīng)答，如第六條消息所示。此外，發(fā)送的AF應(yīng)答帶有請求的APS應(yīng)答，這將生成第七和第八條消息。這些多層應(yīng)答會產(chǎn)生相當(dāng)大的數(shù)據(jù)流量；但是如果消息鏈中出現(xiàn)中斷，我們將更容易定位問題，如表1所示。

拓?fù)鋯栴}

當(dāng)開發(fā)了無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之后，無線網(wǎng)絡(luò)分析器可以幫助進(jìn)行安裝和拓?fù)浞治觥Ｒ恍o線網(wǎng)絡(luò)分析器，如ZENA無線網(wǎng)絡(luò)分析器在內(nèi)，當(dāng)消息經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)的時候都能夠以圖形的方式顯示數(shù)據(jù)流量。設(shè)備以圓形節(jié)點(diǎn)表示，而消息則以連接到節(jié)點(diǎn)的線表示若裝載了描述物理布局的位圖，則拓?fù)鋯栴}將清楚得多。

假設(shè)有一個網(wǎng)絡(luò)，它有四個設(shè)備、一個協(xié)調(diào)器、兩個路由器和一個FFD終端設(shè)備。盡管所有設(shè)備都是全功能設(shè)備，還是可以從數(shù)據(jù)包分析中看出，F(xiàn)FD終端設(shè)備和任一路由器之間的消息是通過另一個路由器發(fā)送的。如果打開“NetworkConfiguration Display”(網(wǎng)絡(luò)配置顯示)窗口，裝載描述性位圖，并將節(jié)點(diǎn)拖到描述其物理位置的位圖上的相應(yīng)位置時，那么可以很快地看出發(fā)生了什么。圖3顯示了“Network Configuration Display”窗口，其中網(wǎng)絡(luò)流量有問題。我們可以看到有兩個設(shè)備彼此都不在對方的射頻范圍內(nèi)，很有可能是由于建筑物內(nèi)的隔墻造成的。消息必須經(jīng)過另一個設(shè)備路由才能到達(dá)其目標(biāo)設(shè)備。因此，盡管這種情況一開始有點(diǎn)糟糕，但現(xiàn)在可以看出系統(tǒng)行為與預(yù)期設(shè)想完全一致。

注意，一個“嗅探器”可能無法看到網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點(diǎn)。為了觀測所有網(wǎng)絡(luò)流量，可能需要獲得來自不同位置的多個消息捕獲，或者使用位于不同位置的多個“嗅探器”。

篇3

【關(guān)鍵詞】輸電線路;微氣象;ZigBee技術(shù);IEC-60870-5-101規(guī)約

1.概述

目前，電網(wǎng)輸電網(wǎng)絡(luò)發(fā)展越來越迅猛，分布也日益廣泛，但輸電網(wǎng)絡(luò)受到的威脅也越發(fā)嚴(yán)重，輸電線路的安全維護(hù)成為各個國家關(guān)心的首要問題。在輸電線路安全運(yùn)行上，微氣象因數(shù)因?yàn)榈胤讲町愋源蟆⒆兓?xì)微等特點(diǎn)造成的影響尤其嚴(yán)重。在一些山區(qū)，環(huán)境惡劣，輸電線路的覆冰等現(xiàn)象極易發(fā)生，不及時采取措施，就會出現(xiàn)電氣設(shè)備故障、桿塔倒塌等危害，造成大面積斷電現(xiàn)象，產(chǎn)生巨大的直接或間接經(jīng)濟(jì)損失。現(xiàn)在，世界大部分國家都在研發(fā)和推廣電網(wǎng)輸線路的實(shí)時微氣象無線監(jiān)測技術(shù)。

無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)蓬勃發(fā)展，無線組網(wǎng)通信發(fā)展迅猛，這些技術(shù)滿足了電網(wǎng)工作人員對輸電線路微氣象信息隨時隨地地獲取和交換的迫切要求。在復(fù)雜的電網(wǎng)環(huán)境中，分布廣泛的微氣象傳感器需要通過無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)形成網(wǎng)絡(luò)體系，達(dá)到好的電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測效果。

ZigBee，藍(lán)牙，無線局域網(wǎng)，超寬頻短距離無線傳輸?shù)綗o線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)集成監(jiān)控系統(tǒng)，其中ZigBee無線通訊協(xié)議更加適合輸電線路微氣象無線監(jiān)測，ZigBee技術(shù)低速率和低功耗的特點(diǎn)使監(jiān)測系統(tǒng)的前端數(shù)據(jù)收集部分需要的供電更少，這樣監(jiān)測設(shè)備工作更持久。本文針對ZigBee技術(shù)相關(guān)原理和輸電線路微氣象監(jiān)測系統(tǒng)中ZigBee無線通訊協(xié)議的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究。

2.ZigBee技術(shù)

ZigBee無線組網(wǎng)通信技術(shù)的成本要求低，工作時電量需求不高功耗小能長時間[1]。IEEE802.15.4是ZigBee的基底，這種準(zhǔn)則是IEEE PAN工作組里的一個標(biāo)準(zhǔn)。多信道的無線通訊設(shè)備和微控制器（MCU）是ZigBee的中心裝置，它們在芯片上進(jìn)行集成拼裝。對需要相互溝通，相互交流，不同功能的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，需要確保節(jié)點(diǎn)之間的信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸正常準(zhǔn)確，即網(wǎng)絡(luò)需要的標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee就是依此而來的一種國際標(biāo)準(zhǔn)。

在輸電線路微氣象監(jiān)測中，各個前端傳感器要像一張大網(wǎng)一樣相互連接，任意節(jié)點(diǎn)間可以相互進(jìn)行通信，這種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)管理需要大量軟件代碼，但代碼的ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施是國標(biāo)化機(jī)構(gòu)和ZigBee聯(lián)盟幫助下進(jìn)行的，完整的機(jī)制，并提供源代碼的軟件庫。因此我們使用ZigBee技術(shù)的無線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，安裝方便，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)可以使用便宜的電池就可連續(xù)工作很長時間，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，降低傳感器應(yīng)用的安裝和使用維護(hù)成本。同時，ZigBee分布式系統(tǒng)的幫助下，我們可以獲得更準(zhǔn)確，更具體的信息，信息可以覆蓋到GPRS不到的區(qū)域。在通常的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)無法工作時，ZigBee的系統(tǒng)可以進(jìn)行自我的調(diào)節(jié)并尋找代替方案[2]。在輸電線路網(wǎng)絡(luò)中某個微氣象信息監(jiān)測點(diǎn)出現(xiàn)問題時，無線自組織網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通過避開這個監(jiān)測點(diǎn)，數(shù)據(jù)就能通過其他途徑進(jìn)行繼續(xù)傳遞，保障監(jiān)測系統(tǒng)可以正常工作。

3.ZigBee的協(xié)議體系

輸電線路微氣象無線監(jiān)測系統(tǒng)的通信部分是根據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)及ZigBee協(xié)議構(gòu)建的。無線媒體接入控制層（MAC層）使用沖突避免機(jī)制。在數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制充分證實(shí)，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸要求立即發(fā)送時，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包必須等待接收，如果沒有消息的答復(fù)，表明碰撞發(fā)生需再發(fā)送。這樣提高了微氣象信息傳輸?shù)目煽啃裕ＷC電網(wǎng)工作人員在接收到微氣象信息后可以做出準(zhǔn)確的處理措施[3]。

ZigBee協(xié)議棧構(gòu)造并不復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來很容易，并不需要其他特定的器件來組成，這樣芯片的整個花費(fèi)不高很經(jīng)濟(jì)。ZigBee協(xié)議棧體系基于標(biāo)準(zhǔn)的七層開放式系統(tǒng)互聯(lián)模型，針對涉及ZigBee的層加以定義。

3.1 物理層

啟動和停止能量檢測，無線收發(fā)信器，信道選擇，鏈路質(zhì)量指示，空閑信道評估，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是IEEE802.15.4物理層來做的工作。對IEEE802.15.4三頻帶物理層劃分為27信道。同步頭（SHR）授權(quán)接收裝置同步和位流鎖，物理層幀頭中包含的信息幀的長度，有效負(fù)載部分三部分構(gòu)成的物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU）[4]。

3.2 MAC層

在概念層面上，MAC層還包括其管理實(shí)體和管理服務(wù)的接口;同時，也負(fù)責(zé)MAC和泛信息庫的維護(hù)（MAC PIB）。MAC公共部分子層和MLME-SAP兩個服務(wù)后PD-SAP和PLME-SAP物理層提供了一個連接之間的特定服務(wù)會聚子層和物理層。同時，一個內(nèi)部的連接通道存在于MAC公共部分子層和作為獨(dú)立于MAC層之外的實(shí)體之間，用于后者調(diào)用MAC的數(shù)據(jù)服務(wù)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層包括兩個服務(wù)實(shí)體，分別是網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體和網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體。在NLME中，應(yīng)用程序可以與協(xié)議棧間進(jìn)行交互。通過網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)訪問點(diǎn)（SAP）提供了兩種服務(wù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)管理。目的MAC地址及目的PAN標(biāo)志應(yīng)設(shè)置回路由請求命令幀的第一跳的網(wǎng)絡(luò)地址和泛識別路徑開始，該目的PAN標(biāo)識應(yīng)與相應(yīng)路由請求命令發(fā)起設(shè)備的PAN標(biāo)識相同。源MAC地址和源PAN標(biāo)識應(yīng)分別設(shè)置為發(fā)送路由應(yīng)答命令設(shè)備的地址和PAN標(biāo)識，該發(fā)送設(shè)備不一定是路由應(yīng)答命令的發(fā)起設(shè)備，而只是轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。幀控制字段的設(shè)置應(yīng)制定該幀為MAC數(shù)據(jù)幀并禁止MAC安全處理，因?yàn)镹WK層發(fā)起的任何安全幀都應(yīng)采用NWK層安全處理。在MAC幀的發(fā)送選項中應(yīng)指定該幀要求確認(rèn)。地址模式和PAN內(nèi)標(biāo)識位應(yīng)支持地址字段的相應(yīng)設(shè)置[5]。

3.4 應(yīng)用層

IEC60870-5-101規(guī)約的實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)而不是以往的串口傳遞的傳統(tǒng)方式，這樣就是整個通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)更加的穩(wěn)定可靠，成本也更低。

BZT發(fā)生動作時，動態(tài)信息主動上傳到監(jiān)測中心，此時，101規(guī)約的傳送原因單元數(shù)據(jù)為0x03（突發(fā)信息）;當(dāng)監(jiān)測中心召喚BZT信息時，監(jiān)測中心發(fā)出召喚報文的信息體標(biāo)識被定義為數(shù)據(jù)類別，信息體元素被定義為終端設(shè)備號，這是101規(guī)約在該裝置中的特殊應(yīng)用。例如，監(jiān)測中心召喚02#設(shè)備的遙信量，則召喚報文的信息體單元數(shù)據(jù)為0x90（遙信量）0x00 0x02（2#設(shè)備）。

報文舉例

召喚1#開閉所內(nèi)的1#BZT設(shè)備的遙信量信息報文如下：

68 09 09 68 8B 01 64 01 05 01 90 00 01 88 16

響應(yīng)報文如下：

68 0A 0A 68 28 01 28 8D 14 01 90 01 C0 00 44 16

帶下劃線的數(shù)據(jù)內(nèi)容為信息體元素，召喚報文中代表設(shè)備號，響應(yīng)報文中代表遙信量信息。3個16進(jìn)制數(shù)最多攜帶24個遙信量。

4.微氣象監(jiān)測中心部分

微氣象無線通信部分將前端數(shù)據(jù)采集部分的信息傳遞給終端的監(jiān)測中心，由處理分析數(shù)據(jù)單元，存儲數(shù)據(jù)單元，人機(jī)交互單元組成數(shù)據(jù)分析處理部分。電網(wǎng)工作人員可以通過微氣象主站監(jiān)測軟件提供友好的上位機(jī)界面進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，同時工作人員還隨時獲取任意采集點(diǎn)的微氣象信息，存儲、統(tǒng)計與分析采集到的數(shù)據(jù)，并將所有數(shù)據(jù)通過曲線等方式直觀的顯示出來。其中，為了得到很高的開放性和互連性，上位機(jī)軟件采用SQL SERVER數(shù)據(jù)庫和MFC。為了使監(jiān)測人員能夠防患于未然，通過面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)編寫的查詢和系統(tǒng)監(jiān)控軟件統(tǒng)計，風(fēng)速，風(fēng)向，濕度，溫度和其他相關(guān)的微氣象信息能夠得到及時的處理，確保了輸電網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行。

5.結(jié)語

輸電線路微氣象無線監(jiān)測需要安裝大量的前端微氣象信息收集處理裝置在電網(wǎng)的各個關(guān)鍵部位，這樣就要求監(jiān)測系統(tǒng)裝置的安裝、信息的傳遞等部分需要設(shè)計的十分經(jīng)濟(jì)。以往的信息傳輸通信協(xié)議部分大部分采用通用分組無線服務(wù)技術(shù)GPRS，這種移動通信網(wǎng)不僅是有償使用而且建立的移動基站價值一般都十分昂貴，而ZigBee這種短距離無線通信不需要申請無線頻道，“基站”的建造也很廉價。

相對于其他通信技術(shù)，ZigBee針對特定的用途環(huán)境追求的是低速率、近距離，從而使設(shè)備的價格也十分低昂。輸電線路的微氣象信息并不是很龐大的數(shù)據(jù)，通過ZigBee傳輸?shù)乃俣染鸵呀?jīng)夠用，起到了經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的目的。在監(jiān)測設(shè)施中，通過多跳通信鏈路使短距離的ZigBee通信距離大幅度提高，并避免了因長距離傳輸導(dǎo)致的信息失真，保證了微氣象信息的準(zhǔn)確傳輸。由于由于電網(wǎng)的監(jiān)測點(diǎn)多在野外等環(huán)境條件惡劣處，監(jiān)測系統(tǒng)采用太陽能電池板和蓄電池相結(jié)合的方式，前端設(shè)備的用電需求就要得到控制，對于傳輸速率和數(shù)據(jù)量小的ZigBee節(jié)點(diǎn)，它的功耗非常低，耗電量小，能確保監(jiān)測設(shè)備能夠長時間穩(wěn)定工作。通過ZigBee無線通訊協(xié)議在監(jiān)測系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn)，分布在電網(wǎng)線路上的監(jiān)測點(diǎn)上限可以得到擴(kuò)展，更全面的監(jiān)測輸電線路網(wǎng)絡(luò)各點(diǎn)的微氣象信息，保證電網(wǎng)的運(yùn)行安全。

作者簡介：

篇4

ZigBee Gateway是ZigBee聯(lián)盟推出的第十個應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，是一個溝通IP網(wǎng)絡(luò)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁。介紹了ZigBee Gateway的概念、性能、架構(gòu)、功能等方面的內(nèi)容，最后指出ZigBee Gateway可以幫助開發(fā)商、制造商縮短產(chǎn)品整體開發(fā)時間，并降低開發(fā)風(fēng)險，免去使用定制或?qū)Ｓ媒鉀Q方案的必要，減少開發(fā)和制造成本。

【關(guān)鍵詞】

ZigBee網(wǎng)關(guān) IPHA ZigBee協(xié)議棧 ZGD

中圖分類號：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-1010（2013）-18-0048-06

ZigBee Gateway for Wireless Sensor Networks

LV Ran， CHEN Chuan-hong

（Mobile Communication National Engineering Research Center， Guangzhou 510310， China）

[Abstract]

ZigBee Gateway， the 10th standard announced by the ZigBee Alliance， is a bridge between IP network and Zigbee network. This paper introduce the concept， performance， architecture and function for Zigbee network， and demonstrates that Zigbee shortens the time and the risk of R&D rather than customized or special solution.

[Key words]

ZigBee Gateway IPHA ZigBee protocol stack ZGD

*基金項目：2011年度廣東省中國科學(xué)院全面戰(zhàn)略合作項目-基于物聯(lián)網(wǎng)的中老年關(guān)愛救援系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用（2011A090100025）

收稿日期：2013-08-06

1 引言

隨著寬帶接入的普及和智能家居系統(tǒng)、遠(yuǎn)程健康跟蹤/監(jiān)護(hù)系統(tǒng)等的興起，網(wǎng)關(guān)設(shè)備具有很大的潛在市場空間。

目前許多公司都開發(fā)了各自的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，如家庭網(wǎng)關(guān)等，然而要開發(fā)出更多復(fù)雜的和具有兼容性的網(wǎng)關(guān)，迫切需要制定相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

ZigBee技術(shù)是一個具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)，其物理層（PHY）和介質(zhì)訪問控制層（MAC）協(xié)議基于IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APS）由ZigBee聯(lián)盟來制定。為了更方便地控制ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，讓各無線節(jié)點(diǎn)設(shè)備間有序、高效地工作，有必要將已經(jīng)非常成熟的基于TCP/IP技術(shù)的以太網(wǎng)與ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相連通，從而實(shí)現(xiàn)通過以太網(wǎng)來控制ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2011年7月28日，ZigBee聯(lián)盟宣布推出的第十個標(biāo)準(zhǔn)ZigBee Gateway（簡稱ZigBee網(wǎng)關(guān)），是ZigBee Network Devices（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）這一新類別的首個標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee網(wǎng)關(guān)提供了一種簡單、高性價比的互聯(lián)網(wǎng)連接方式，使服務(wù)提供商、企業(yè)和個人消費(fèi)者可以將各種類型的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連接至互聯(lián)網(wǎng)，同時還提供了面向消費(fèi)者設(shè)計的各種云和智能電話服務(wù)的使用權(quán)。

2 ZigBee Gateway概述

2.1 ZigBee技術(shù)介紹

ZigBee是基于IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的關(guān)于組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件等方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4協(xié)議架構(gòu)，如圖1所示。IEEE802.15.4是IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)（PAN，Personal Area Network）工作組的一項標(biāo)準(zhǔn)，是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率（250kbps），采用直接序列擴(kuò)頻（DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum）技術(shù)，工作在2.4GHz和868MHz（歐洲）/915MHz（北美）的無線短距離技術(shù)，用于個人區(qū)域網(wǎng)和對等網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee聯(lián)盟在IEEE802.15.4物理層、MAC層的基礎(chǔ)上，對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和應(yīng)用程序接口（API）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并對安全層進(jìn)行開發(fā)。完整的ZigBee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成，應(yīng)用匯聚層是把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上。多個ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以構(gòu)成一個無線個人區(qū)域網(wǎng)，在這個網(wǎng)絡(luò)中主協(xié)調(diào)器可以對各個節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行控制。

隨著ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，如何通過現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（如Internet網(wǎng)）對其進(jìn)行遠(yuǎn)程管理、控制，逐漸成為該領(lǐng)域的重要研究課題。

2.2 ZigBee網(wǎng)關(guān)簡介

ZGD（ZigBee Gateway Device，ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)備）作為ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一部分，在整個無線網(wǎng)絡(luò)中具有唯一性，所有無線節(jié)點(diǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)均發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，并由其進(jìn)行地址、協(xié)議轉(zhuǎn)換后發(fā)送給以太網(wǎng)；反之，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)也需由網(wǎng)關(guān)進(jìn)行地址、協(xié)議轉(zhuǎn)換后，才發(fā)送給ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。總的來說，ZigBee網(wǎng)關(guān)是ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換的中轉(zhuǎn)站。

一個連通ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)應(yīng)該解決以下問題：

（1）能與ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行通信，同時控制、協(xié)調(diào)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)間的通信；

（2）能通過以太網(wǎng)接口與計算機(jī)實(shí)現(xiàn)有線通信；

（3）為了實(shí)現(xiàn)ZigBee通信，需要相應(yīng)的底層驅(qū)動程序協(xié)議棧；

（4）具備與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的新節(jié)點(diǎn)建立動態(tài)鏈接的能力。

自2002年ZigBee聯(lián)盟成立以來，多家國際巨頭公司參與到其標(biāo)準(zhǔn)的制定和應(yīng)用推廣，如今在智能家庭、工業(yè)控制、醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)和電信應(yīng)用領(lǐng)域都有大量的應(yīng)用。ZigBee聯(lián)盟為制定Gateway的協(xié)議，于2004年2月成立網(wǎng)關(guān)工作小組，專門負(fù)責(zé)Gateway堆棧協(xié)議的制定與標(biāo)準(zhǔn)化。Gateway的首要目標(biāo)，是建立IP網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用端與ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間的通信管道，整合ZigBee堆棧的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)的存取。

根據(jù)ZigBee聯(lián)盟公布的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范文件，作為一個溝通IP網(wǎng)絡(luò)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁，ZigBee Gateway必須要滿足以下最低限度的要求：

（1）ZCL（ZigBee Cluster Library，ZigBee簇庫）的讀、寫屬性，能夠設(shè)定回報事件；

（2）提供ZDO（ZigBee Device Objects，ZigBee設(shè)備對象）針對網(wǎng)絡(luò)搜尋與服務(wù)發(fā)現(xiàn)的宏操作；

（3）服務(wù)應(yīng)用端點(diǎn)的管理；

（4）Gateway基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（Information Base）的存取；

（5）尋址ZGD's AIB、NIB和PIB屬性；

（6）靈活地啟動和網(wǎng)絡(luò)連接操作；

（7）能夠直接控制ZigBee的安全操作；

（8）ZGD與應(yīng)用服務(wù)端（IPHA）的雙向通信機(jī)制。

ZCL是ZigBee聯(lián)盟根據(jù)各種應(yīng)用制定的功能標(biāo)準(zhǔn)化的集合，可視ZCL為根據(jù)不同的應(yīng)用功能而制定，是屬于ZigBee堆棧應(yīng)用層之上的協(xié)議，提供了傳送各種屬性值改變的一種機(jī)制、配置傳送參數(shù)的命令。所以ZCL相關(guān)的操作，簡單來說，就是支持應(yīng)用層級制定的通信命令的操作，若廠商須自定義一個應(yīng)用層級的溝通接口，就會使用到ZCL相關(guān)的操作。

ZDO則是屬于ZigBee堆棧（ZigBee Stack）的一部分，提供ZigBee相關(guān)的服務(wù)，如裝置與服務(wù)發(fā)現(xiàn)（Device and Service Discovery）、安全管理（Security Manager）、網(wǎng)絡(luò)管理（Network Manager）、綁定管理（Binding Manager）與節(jié)點(diǎn)管理（Node Manager）。

通用的ZigBee網(wǎng)關(guān)部署示意圖如圖2所示：

ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)備利用基于TCP/IP的主機(jī)應(yīng)用程序，提供了一個通信傳輸通道連接到ZigBee個域網(wǎng)（ZigBee PAN）。該機(jī)制能使外部應(yīng)用與單獨(dú)的ZigBee節(jié)點(diǎn)互通，實(shí)現(xiàn)控制或獲取節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，反之，節(jié)點(diǎn)也能與外部應(yīng)用進(jìn)行互相通信。

網(wǎng)關(guān)的一端根據(jù)ZigBee協(xié)議棧和IEEE802.15.4介質(zhì)訪問控制層特性在服務(wù)訪問程序（SAPs）上提供二進(jìn)制編碼遠(yuǎn)程程序調(diào)用API，另一端在UDP（User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）傳輸層，通過特征引擎提供基于個域網(wǎng)的圖形化顯示，用戶能以Web瀏覽器方式與樹狀節(jié)點(diǎn)交互。

ZigBee網(wǎng)關(guān)的基本功能是將基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)與基于ZigBee協(xié)議棧的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在兩個協(xié)議之間的雙向傳輸，從而可以將基于常用的以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，也可以將ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)中，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)之間搭建一條數(shù)據(jù)傳輸通道。

消費(fèi)市場細(xì)分要求提供廉價的ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)備，因此ZigBee網(wǎng)關(guān)規(guī)范要確保最小需求的功能特征集和計算復(fù)雜性，為大多數(shù)家居/消費(fèi)應(yīng)用提供令人信服的功能。但實(shí)現(xiàn)一個最小限度的ZigBee網(wǎng)關(guān)可能會增加主機(jī)應(yīng)用程序的復(fù)雜度。

相比之下，商業(yè)、工業(yè)等企業(yè)應(yīng)用可能要求ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)備具有豐富的功能，可用典型的環(huán)境協(xié)議訪問。因此，ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)備規(guī)范要確保可選特征集和功能，提供一套不以計算復(fù)雜度為限制的功能。但一個功能豐富的ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)備有可能降低主機(jī)應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

3 ZigBee Gateway性能

ZigBee Gateway支持下列性能：

（1）核心IP，兼容IPv4或IPv6連接

1）IP安全域；

2）配置；

3）IP RPC（RemoteProcedureCall，遠(yuǎn)程過程調(diào)用）協(xié)議定義；

4）網(wǎng)絡(luò)地址和端口轉(zhuǎn)換（NAT）/防火墻穿越；

5）兼容IETF、W3C和其他現(xiàn)有的基于IP的標(biāo)準(zhǔn)（SOAP，REST）。

（2）提供廣泛的ZigBee/IP應(yīng)用程序的支持，且支持所有配置要求（通用）

1）公共配置文件的ZigBee網(wǎng)關(guān)能將ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接到IP網(wǎng)絡(luò)；

2）專用配置文件的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)關(guān)設(shè)備將專用的ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接到遠(yuǎn)程應(yīng)用程序。

（3）可升級，可擴(kuò)展

1）分層規(guī)范使其成為低成本、強(qiáng)大的網(wǎng)關(guān)；

2）網(wǎng)關(guān)框架擴(kuò)展。

4 架構(gòu)和功能

4.1 架構(gòu)

網(wǎng)關(guān)的架構(gòu)示意圖如圖3所示。

通過GRIP、SOAP、REST綁定，IPHA或網(wǎng)關(guān)在IP網(wǎng)絡(luò)上通過遠(yuǎn)程過程調(diào)用（RPC）相互通信。其信息交換是請求-響應(yīng)格式，每個設(shè)備都能發(fā)出請求和接收響應(yīng)。IPHA發(fā)出到網(wǎng)關(guān)的請求指令在網(wǎng)關(guān)執(zhí)行，且通過網(wǎng)關(guān)的無線接口尋址ZigBee節(jié)點(diǎn)，在遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行指令。反之，由網(wǎng)關(guān)發(fā)出到IPHA的請求指令由IPHA運(yùn)行，網(wǎng)關(guān)重新定向節(jié)點(diǎn)始發(fā)的信息，通過回叫能力發(fā)送到IPHA。總之，IP網(wǎng)元通過網(wǎng)關(guān)提供的GRIP或REST協(xié)議接口，就可以對ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行各種控制操作，或指定接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)定類型的消息事件。

（1）ZigBee堆棧是在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上建立的，定義了協(xié)議的MAC和PHY層。ZigBee設(shè)備包括IEEE802.15.4（該標(biāo)準(zhǔn)定義了RF射頻以及與相鄰設(shè)備之間的通信）的PHY和MAC層，以及ZigBee堆棧層，包括網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層和安全服務(wù)提供層。ZigBee協(xié)議堆棧分層架構(gòu)如圖4所示。

網(wǎng)關(guān)應(yīng)用提供了到應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對象（ZDO）、ZigBee簇庫（ZCL）和其他通信（COMM）層的接口，如網(wǎng)絡(luò)層和MAC層，以及網(wǎng)關(guān)管理對象（GMO）。所有這些層提供訪問駐留在網(wǎng)關(guān)上的ZigBee協(xié)議棧，執(zhí)行各種功能。

（2）應(yīng)用支持子層（APS）通過網(wǎng)絡(luò)層和安全服務(wù)提供層與端點(diǎn)相接，并為數(shù)據(jù)傳送、安全和綁定提供服務(wù)，因此能夠適配不同但兼容的設(shè)備。

（3）ZigBee設(shè)備對象（ZDO）描述了應(yīng)用框架層中應(yīng)用對象的公用接口以及控制設(shè)備和應(yīng)用對象的網(wǎng)絡(luò)功能。這個功能在應(yīng)用對象、設(shè)備profile和APS之間提供了一個接口。ZDO位于應(yīng)用框架和應(yīng)用支持子層之間。它滿足所有在ZigBee協(xié)議棧中應(yīng)用操作的一般需要。此外ZDO還初始化應(yīng)用支持子層、網(wǎng)絡(luò)層、安全服務(wù)規(guī)范（SSS）以及從終端應(yīng)用集合中配置的信息來確定和執(zhí)行安全管理、發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)管理以及綁定管理。

（4）規(guī)范中詳細(xì)介紹了ZigBee簇庫（ZCL）每個簇的用法，并列出特定簇能夠傳送的屬性，提供了傳送各種屬性值改變的一種機(jī)制、配置傳送參數(shù)的命令。

同時，ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過一個或多個下列PRC協(xié)議（綁定）提供標(biāo)準(zhǔn)的API：

（1）SOAP（Simple Object Access Protocol，簡單對象訪問協(xié)議）是交換數(shù)據(jù)的一種協(xié)議規(guī)范，通過超文本傳輸協(xié)議（HTTP）和擴(kuò)展標(biāo)記語言（XML）請求執(zhí)行遠(yuǎn)程過程調(diào)用規(guī)范。請求的格式由XML文檔（Web服務(wù)描述語言）規(guī)定。

（2）REST（Representational State Transfer，表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移）是一種針對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的設(shè)計和開發(fā)方式，類似于SOAP，通常基于HTTP、URI、XML以及HTML這些流行的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，采用HTTP訪問API的資源庫。應(yīng)用程序和ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)備堆棧的腳本很小，許多操作由Web瀏覽器執(zhí)行。

（3）GRIP是一種二進(jìn)制協(xié)議，在傳輸控制協(xié)議（TCP）連接上原始數(shù)據(jù)格式的ZigBee堆棧結(jié)構(gòu)的交換。是通過TCP封裝實(shí)現(xiàn)基本的API過程，即發(fā)送和接收ZCL/APS/NWKs數(shù)據(jù)包，使得在ZigBee協(xié)議棧最高層網(wǎng)關(guān)配置最小。

4.2 功能

ZigBee網(wǎng)絡(luò)與IP之間的互連是許多應(yīng)用的關(guān)鍵，ZigBee網(wǎng)關(guān)規(guī)范應(yīng)當(dāng)滿足許多不同的需求。因此，ZigBee網(wǎng)關(guān)不只是定義一個單一協(xié)議，而是應(yīng)定義一個兩層的API。

（1）一套概要功能（獨(dú)立于協(xié)議）

1）網(wǎng)關(guān)規(guī)范定義了一個連接ZigBee功能的遠(yuǎn)程過程調(diào)用API和IP網(wǎng)關(guān)的管理：

支持完整的應(yīng)用

支持ZigBee網(wǎng)絡(luò)輸入和輸出的應(yīng)用子層（APS）、ZigBee設(shè)備對象（ZDO）、安全服務(wù)（SEC）

2）允許ZigBee設(shè)備上的IP應(yīng)用程序和配置應(yīng)用程序之間的交互；

3）通過公開的應(yīng)用程序接口以標(biāo)準(zhǔn)的方式使遠(yuǎn)程IP應(yīng)用接口能與多個供應(yīng)商的網(wǎng)關(guān)可以互操作；

4）將強(qiáng)制性的功能減少到最低限度，允許不同層次配置的產(chǎn)品的差異化。

（2）一組可擴(kuò)展的RPC協(xié)議（即綁定），規(guī)定如何使用專用的協(xié)議提供公開的API

1）不同的綁定提供成本與功能權(quán)衡的可擴(kuò)展性；

2）無需重新新發(fā)明每一個系統(tǒng)的接口，因平臺規(guī)范不局限于一個特定的配置文件，但應(yīng)給出到IPHAs的方式，以支持所需的配置文件；

3）網(wǎng)關(guān)規(guī)范版本1具有SOAP、REST和GRIP綁定：

SOAP提供了面向更高層次的Web服務(wù)訪問網(wǎng)關(guān)API

REST提供一個輕量級基于Web的 API

GRIP是最簡單的ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)備精選協(xié)議，占用空間小

為了有效地適用于不同的應(yīng)用，一個合適網(wǎng)關(guān)不需要實(shí)現(xiàn)所有RPC綁定，可僅實(shí)現(xiàn)其中一個，或者按需實(shí)現(xiàn)多個。在通用ZigBee網(wǎng)關(guān)規(guī)范上建立特定應(yīng)用網(wǎng)關(guān)，可根據(jù)特定用例或典型場景實(shí)現(xiàn)某一個綁定。這樣，一個配置可以授權(quán)一個特定用例的綁定或讓供貨商自己確定實(shí)現(xiàn)哪種綁定。

5 結(jié)論

ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)備是獨(dú)立、通用的設(shè)備，能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用對IP連接的需求。

ZigBee Gateway作為一項標(biāo)準(zhǔn)，為開發(fā)商、制造商提供了一種通用的方法，使他們能夠集中精力開發(fā)應(yīng)用產(chǎn)品并縮短產(chǎn)品整體開發(fā)時間。且可以幫助他們降低開發(fā)風(fēng)險，免去使用定制或?qū)Ｓ媒鉀Q方案的必要，還能減少開發(fā)和制造成本。為產(chǎn)品制造商和服務(wù)提供商提供了一種易于使用的智能方法，通過互聯(lián)網(wǎng)拓展設(shè)備功能和帶來ZigBee控制的益處。為消費(fèi)者提供更多監(jiān)控功能的好處，包括方便的智能手機(jī)或成本更低的面向iOS、Android和Windows Phone操作系統(tǒng)的桌面應(yīng)用整合。

ZigBee Gateway使得互聯(lián)網(wǎng)連接整合變得更簡單，尤其是對聯(lián)網(wǎng)經(jīng)驗(yàn)很少的開發(fā)商而言。歸根結(jié)底，這個標(biāo)準(zhǔn)將使采用ZigBee的增值服務(wù)的數(shù)量增加，并為大家?guī)砀喾奖愕目刂七x擇。

ZigBee Gateway可以用于ZigBee樓宇自動化、ZigBee醫(yī)療保健、ZigBee家庭自動化、ZigBee零售服務(wù)、ZigBee智能能源、ZigBee電信服務(wù)公共應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的場景中。

現(xiàn)如今因特網(wǎng)普及全球，如果能把ZigBee網(wǎng)絡(luò)同因特網(wǎng)連接起來，在世界各個角落都可以對某個ZigBee網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行控制，有利于ZigBee技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。為此，網(wǎng)關(guān)在整個傳感器網(wǎng)絡(luò)中起著重要的樞紐作用，就如一座橋梁緊密地聯(lián)系著ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)，以ZigBee網(wǎng)關(guān)和Internet做媒介，使得世界范圍內(nèi)的不同監(jiān)測區(qū)域都可以信息共享，大大縮小了物理世界的時空距離。

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作者簡介

篇5

【關(guān)鍵詞】異構(gòu)WSNs；ZigBee；6LoWPAN；IPv6

Design and Implementation of a Heterogeneous WSNs Communication System

ZHANG Yi-fei LI Xiao-long

（Key Lab of Industrial Wireless Network and Networked Control，Ministry of Education，

Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065，China）

【Abstract】Aimed at the problem that heterogeneous WSNs cannot communicate with each other freely， a communication system is designed to realize point-to-point communication between heterogeneous WSNs， using ZigBee and 6LoWPAN wireless sensor networks as a reference. The hardware platform of the gateway is based on S3C2440 and CC2530. The key technologies involved in the research are expounded， and a test environment is setted up. The experimental results show that the research method is effective for the communication between these two heterogeneous WSNs， moreover it has certain reference value for communications of some other types of heterogeneous WSNs.

【Key words】Heterogeneous WSNs； ZigBee； 6LoWPAN； IPv6

0 引言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，在工業(yè)現(xiàn)場、智能電網(wǎng)、倉儲物流等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。作為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks， WSNs）是信息通信領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包含諸多協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，如ZigBee、6LoWPAN、ISA 100.11a、RFID等，隨著各種技術(shù)的發(fā)展，采用不同傳感網(wǎng)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)實(shí)生活中相互通信成為一個亟待解決的問題。

IEEE 802.15.4[1]是一種低功耗、低速率、短距離無線傳輸協(xié)議，描述了低速率無線個人局域網(wǎng)的物理層和媒體接入控制協(xié)議，具有可擴(kuò)展性，且只規(guī)定了底層，即單一的媒體訪問控制（MAC）層和多樣的物理層，至于MAC以上的協(xié)議，可以采用不同的方案。由此就產(chǎn)生了多種不同的技術(shù)，比如ZigBee、6LoWPAN、ISA100.11a等。基于ZigBee協(xié)議[2]的應(yīng)用已經(jīng)遍布于工業(yè)控制、智能測繪、醫(yī)療、家居等各行各業(yè)，在技術(shù)的成熟度和產(chǎn)品的市場化方面都要比6LoWPAN更有優(yōu)勢，但是6LoWPAN也有其特有的優(yōu)勢，即6LoWPAN[3]網(wǎng)絡(luò)層采用IPv6協(xié)議，使得6LoWPAN設(shè)備能夠擁有IPv6地址，并在網(wǎng)絡(luò)層面上通信，甚至可以接入互聯(lián)網(wǎng)，使互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用擴(kuò)展到物理世界的任意角落。

本文研究了ZigBee網(wǎng)絡(luò)和6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計實(shí)現(xiàn)了ZigBee和6LoWPAN這兩種不同傳感器網(wǎng)絡(luò)之間相互通信的異構(gòu)WSNs網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，在不改變ZigBee與6LoWPAN協(xié)議的基礎(chǔ)上，成功解決了兩種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)間不同協(xié)議互通的問題，對促進(jìn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的無縫融合有積極意義。

1 異構(gòu)傳感網(wǎng)通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

圖1 異構(gòu)WSNs節(jié)點(diǎn)通信應(yīng)用場景

Fig. 1 Heterogeneous WSNs communication scenario

1.1 網(wǎng)關(guān)通信應(yīng)用場景

圖1所示為本文所實(shí)現(xiàn)的ZigBee與6LoWPAN傳感器網(wǎng)絡(luò)中異構(gòu)節(jié)點(diǎn)互通的場景。ZigBee網(wǎng)絡(luò)與6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)通過本文設(shè)計的一個網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間的互通，并可接入IP網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)互通。

1.2 網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換模型

圖2 協(xié)議轉(zhuǎn)換模型

Fig. 2 Protocol conversion model

圖2所示是在圖1的具體應(yīng)用場景中網(wǎng)關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換圖。ZigBee網(wǎng)絡(luò)接入模塊與6LoWPAN接入模塊分別通過串口與ARM處理器相連，一起構(gòu)成網(wǎng)關(guān)的整體。ZigBee節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，即ZigBee網(wǎng)絡(luò)接入模塊，解析出數(shù)據(jù)的有效載荷，通過SLIP協(xié)議發(fā)給ARM處理器，轉(zhuǎn)換成IPv6數(shù)據(jù)，再通過SLIP協(xié)議發(fā)送給6LoWPAN邊界路由器，即6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)接入模塊，繼而轉(zhuǎn)發(fā)給6LoWPAN節(jié)點(diǎn)。

1.3 網(wǎng)關(guān)功能描述

網(wǎng)關(guān)由ARM處理器、ZigBee模塊、6LoWPAN模塊組成，ZigBee模塊與6LoWPAN模塊還分別作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器與6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的邊界路由器。

網(wǎng)關(guān)功能主要有：

（1）基本協(xié)議解析功能，包括ZigBee協(xié)議、6LoWPAN協(xié)議以及IPv6協(xié)議。

（2）服務(wù)查詢功能，主要通過在網(wǎng)關(guān)建立起一個存儲傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)EUI-64地址與所提供服務(wù)的服務(wù)表實(shí)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送服務(wù)查詢請求命令，網(wǎng)關(guān)向節(jié)點(diǎn)返回服務(wù)查詢響應(yīng)。

（3）協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。EUI-64地址要轉(zhuǎn)換成IPv6地址，ZigBee數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成IPv6數(shù)據(jù)包。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 服務(wù)注冊及服務(wù)查詢

2.1.1 服務(wù)注冊

服務(wù)注冊是將兩個傳感網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)的EUI-64地址與其所提供的服務(wù)建立映射關(guān)系，將這些服務(wù)和提供服務(wù)的節(jié)點(diǎn)信息存儲在服務(wù)表中，從而使網(wǎng)關(guān)具有服務(wù)查詢功能[5]。

首先是網(wǎng)關(guān)初始化。ZigBee網(wǎng)絡(luò)和6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)采用動態(tài)組網(wǎng)方式自動組網(wǎng)，之后ZigBee節(jié)點(diǎn)上傳自身信息給ZigBee協(xié)調(diào)器，包括EUI-64地址、提供的服務(wù)類型（溫濕度檢測、設(shè)備控制等），6LoWPAN節(jié)點(diǎn)同樣上傳信息給邊界路由器，最后ARM處理器匯總信息，建立映射并生成服務(wù)表。服務(wù)表如表1所示。

表1 服務(wù)表

Tab. 1 Service table

2.1.2 服務(wù)查詢

服務(wù)查詢是傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)提出服務(wù)查詢請求，網(wǎng)關(guān)向節(jié)點(diǎn)返回服務(wù)查詢響應(yīng)。

為了傳感器節(jié)點(diǎn)能查詢到服務(wù)提供者的EUI-64地址，設(shè)立了服務(wù)代碼表，如表2所示，定義了服務(wù)查詢請求以及服務(wù)查詢響應(yīng)的數(shù)據(jù)包格式，如圖3和圖4所示：

（1）服務(wù)代碼表

把溫度、濕度、一氧化碳濃度等服務(wù)類型分別用以下代碼表示，如表2所示：

表2 服務(wù)代碼表

Tab. 2 Service code table

（2）服務(wù)查詢請求

圖3 服務(wù)查詢請求數(shù)據(jù)包格式

Fig. 3 Service query request frame format

其中，字符“？”為數(shù)據(jù)包的標(biāo)志位，字符“P”為數(shù)據(jù)包的識別符，字符“1”為要查詢的服務(wù)――濕度。

（3）服務(wù)查詢響應(yīng)

圖4 服務(wù)查詢響應(yīng)數(shù)據(jù)包格式

Fig. 4 Service query response frame format

其中，字符“！”為數(shù)據(jù)包的標(biāo)志位，字符“P”為數(shù)據(jù)包的識別符，字符“1”為要查詢的服務(wù)――濕度，EUI-64為濕度服務(wù)提供者的EUI-64地址。

節(jié)點(diǎn)查詢到服務(wù)提供者的EUI-64地址后，就可以構(gòu)造報文發(fā)送到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)了。

2.2 應(yīng)用層通信協(xié)議設(shè)計

ZigBee節(jié)點(diǎn)與6LoWPAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時候要把自身的EUI-64地址、查詢得到的6LoWPAN的EUI-64地址以及真正要發(fā)送的數(shù)據(jù)打包放在應(yīng)用層負(fù)載中，因此，應(yīng)用層數(shù)據(jù)通信協(xié)議就需要包含這些必要信息數(shù)據(jù)。在傳輸過程中統(tǒng)一的數(shù)據(jù)報文格式[6]如圖5所示。

圖5 應(yīng)用層數(shù)據(jù)格式

Fig. 5 Application layer data format

2.3 SLIP封裝與解封裝

ZigBee無線模塊與6LoWPAN無線模塊都通過串口與ARM處理器相連，數(shù)據(jù)的傳輸通過串口進(jìn)行。為了增加Linux主控單元和WSN子網(wǎng)接入模塊之間通信的安全性，在報文傳輸過程中采用SLIP協(xié)議封裝[7]，接收數(shù)據(jù)時可以通過SLIP的標(biāo)志位判斷數(shù)據(jù)是否完整來決定接收或者丟棄，SLIP作為鏈路層協(xié)議直接承載IP數(shù)據(jù)包。SLIP協(xié)議封裝具體格式如圖6所示，將原報文中的字符0xC0替換為0XDB、0xDC，將字符0xDB替換為0xDB、0xDD，解封裝是反之即可，這里不再贅述。

圖6 SLIP的封裝過程

Fig. 6 Encapsulation process of SLIP

2.4 UDP/IPv6數(shù)據(jù)包的封裝與解封裝

ZigBee數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換成IPv6數(shù)據(jù)來與6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)通信，且6LoWPAN傳輸層采用UDP協(xié)議，因此UDP/IPv6數(shù)據(jù)包封裝與解封裝必不可少。

當(dāng)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)產(chǎn)生后，首先要在傳輸層添加UDP首部，然后在網(wǎng)絡(luò)層添加IPv6首部，最后在數(shù)據(jù)鏈路層添加SLIP首部，生成UDP/IPv6數(shù)據(jù)包的過程如圖7所示。

ARM板串口接收到ZigBee模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)包，SLIP解封裝后得到應(yīng)用層數(shù)據(jù)，依次取出報文中的各個變量，即ZigBee節(jié)點(diǎn)EUI-64地址、6LoWPAN節(jié)點(diǎn)的EUI-64地址、數(shù)據(jù)包長度、純數(shù)據(jù)。按照IPv6首部、UDP首部、UDP偽首部、UDP校驗(yàn)和的規(guī)定依次填充各個變量，最終構(gòu)造出UDP/IPv6數(shù)據(jù)包[8]。然后添加SLIP首部后通過串口發(fā)送給6LoWPAN邊界路由器，邊界路由器將IPv6報文壓縮到只含必要內(nèi)容，且能在以IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為底層協(xié)議的WSN內(nèi)傳輸?shù)男?shù)據(jù)包，之后發(fā)送給目的6LoWPAN節(jié)點(diǎn)。

6LoWPAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)到ZigBee節(jié)點(diǎn)時，要進(jìn)行UDP/IPv6數(shù)據(jù)包的解封裝，過程與前面所述相反。

圖7 UDP/IPv6數(shù)據(jù)包封裝過程

Fig. 7 Encapsulation process of UDP/IPv6 data packets

2.5 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)交互流程

節(jié)點(diǎn)交互過程主要分為3個階段：網(wǎng)關(guān)初始化階段、服務(wù)查詢階段以及數(shù)據(jù)傳輸階段。圖8所示為ZigBee節(jié)點(diǎn)（A）、異構(gòu)WSNs網(wǎng)關(guān)（B）、6LoWPAN節(jié)點(diǎn)（C）之間的交互流程[9]。主要描述了3個階段中網(wǎng)關(guān)初始化生成服務(wù)表后，由ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)起服務(wù)查詢請求，網(wǎng)關(guān)返回服務(wù)查詢響應(yīng)，ZigBee節(jié)點(diǎn)得到目的6LoWPAN節(jié)點(diǎn)地址后，發(fā)送數(shù)據(jù)到6LoWPAN節(jié)點(diǎn)，6LoWPAN節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)的整個過程。

（1）網(wǎng)關(guān)初始化

網(wǎng)關(guān)初始化包括網(wǎng)絡(luò)初始化和服務(wù)注冊。網(wǎng)關(guān)啟動后，ZigBee節(jié)點(diǎn)和6LoWPAN節(jié)點(diǎn)分別自動組網(wǎng)，建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)和6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)，之后節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)上傳自己的EUI-64地址和所提供的服務(wù)，完成服務(wù)注冊，由此網(wǎng)關(guān)建立起節(jié)點(diǎn)EUI-64地址與所提供服務(wù)的一一映射，存儲ZigBee節(jié)點(diǎn)和6LoWPAN節(jié)點(diǎn)的EUI-64地址及節(jié)點(diǎn)提供的服務(wù)。

圖8 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)交互流程

Fig. 8 Interaction flow of gateway nodes

圖9 網(wǎng)關(guān)測試系統(tǒng)示意圖

Fig. 9 Gateway test system schematic diagram

（2）服務(wù)查詢

節(jié)點(diǎn)A向網(wǎng)關(guān)B發(fā)起服務(wù)查詢請求，B收到請求后在服務(wù)表中查詢此服務(wù)由哪個6LoWPAN節(jié)點(diǎn)提供，查詢到是節(jié)點(diǎn)C后，把節(jié)點(diǎn)C的EUI-64地址回復(fù)給節(jié)點(diǎn)A，于是節(jié)點(diǎn)A就知道了節(jié)點(diǎn)C的EUI-64地址。

（3）數(shù)據(jù)傳輸

經(jīng)過上面兩步網(wǎng)絡(luò)初始化和服務(wù)查詢之后，節(jié)點(diǎn)A知道了提供所需服務(wù)的節(jié)點(diǎn)的EUI-64地址，然后構(gòu)造這樣的報文，即把ZigBee的EUI-64地址、6LoWPAN的EUI-64地址加上要發(fā)送的數(shù)據(jù)打包按照ZigBee協(xié)議發(fā)給網(wǎng)關(guān)，在網(wǎng)關(guān)處進(jìn)行如下處理：ARM處理器接收到數(shù)據(jù)包后依次取出ZigBee的EUI-64地址、6LoWPAN的EUI-64地址以及數(shù)據(jù)，再調(diào)用UDP/IPv6封裝程序封裝成一個IPv6數(shù)據(jù)包。然后通過串口發(fā)到6LoWPAN邊界路由器的網(wǎng)絡(luò)層，再往下傳送到適配層進(jìn)行分片、壓縮等處理，傳給MAC層及物理層，通過無線發(fā)送到目的6LoWPAN節(jié)點(diǎn)，至此完成了數(shù)據(jù)從ZigBee節(jié)點(diǎn)到6LoWPAN節(jié)點(diǎn)的全過程。

3 網(wǎng)關(guān)測試系統(tǒng)搭建

網(wǎng)關(guān)測試系統(tǒng)示意圖如圖9所示：包括ARM處理器、ZigBee無線通信模塊、6LoWPAN無線通信模塊、ZigBee與6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。ARM處理器采用三星公司的ARM9處理器芯片S3C2440，ZigBee模塊采用CC2530芯片，6LoWPAN模塊也采用CC2530芯片。ARM處理器與兩個無線通信模塊都采用串口相連。ZigBee模塊同時作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，6LoWPAN模塊也同時作為6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的邊界路由器。兩個傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通過無線方式發(fā)送數(shù)據(jù)給ZigBee模塊和6LoWPAN模塊。

3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計

本文的ZigBee網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計采用TI免費(fèi)協(xié)議棧ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0，工具軟件采用IAR Embedded Workbench for 8051 7.60。在TI免費(fèi)協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，通過修改其應(yīng)用層來實(shí)現(xiàn)不同的功能。

3.2 6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計

在本文的6LoWPAN傳感網(wǎng)中，我們采用本實(shí)驗(yàn)室獨(dú)立開發(fā)的6LoWPAN協(xié)議棧6lowsn_stack_v0.55，本協(xié)議棧已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了6LoWPAN的基本功能如報頭壓縮、分片等。工具軟件采用IAR Embedded Workbench for 8051 7.60。用于6LoWPAN協(xié)議棧的芯片解決方案采用單芯片方案，即此協(xié)議棧可以單獨(dú)運(yùn)行在一塊CC2530芯片上，成本和復(fù)雜性都比較低。

4 測試結(jié)果與分析

網(wǎng)關(guān)啟動后，ZigBee節(jié)點(diǎn)與6LoWPAN節(jié)點(diǎn)分別各自組網(wǎng)，并在網(wǎng)關(guān)處建立起服務(wù)表。ZigBee節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送服務(wù)查詢請求，網(wǎng)關(guān)向ZigBee節(jié)點(diǎn)返回服務(wù)查詢響應(yīng)。之后ZigBee節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)經(jīng)過處理后發(fā)送給目的6LoWPAN節(jié)點(diǎn)，完成了服務(wù)查詢與數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜^程，使用Chipcon Packet sniffer軟件對整個過程進(jìn)行抓包，抓包結(jié)果如下：

圖10是服務(wù)查詢抓包結(jié)果。可以看出網(wǎng)關(guān)啟動后，ZigBee節(jié)點(diǎn)與6LoWPAN節(jié)點(diǎn)分別各自組網(wǎng)，之后ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)送服務(wù)查詢請求命令“？P1”，網(wǎng)關(guān)查詢服務(wù)表后得到服務(wù)“1”提供者6LoWPAN節(jié)點(diǎn)的EUI-64地址，于是向ZigBee節(jié)點(diǎn)返回服務(wù)查詢響應(yīng)“！P1”加上6LoWPAN節(jié)點(diǎn)的EUI-64地址，服務(wù)查詢階段結(jié)束。

圖11是數(shù)據(jù)傳輸抓包結(jié)果。ZigBee節(jié)點(diǎn)把自身EUI-64地址、查詢到的6LoWPAN的EUI-64地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)“am”打包作為應(yīng)用層數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)包后經(jīng)過解析、封裝IPv6包，發(fā)送給6LoWPAN邊界路由器，最后轉(zhuǎn)發(fā)給目的6LoWPAN節(jié)點(diǎn)，抓包顯示收到ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)包“am”。

5 結(jié)束語

本文對ZigBee和6LoWPAN這兩種不同協(xié)議類型的傳感網(wǎng)之間的通信進(jìn)行了研究，并給出了實(shí)現(xiàn)方案，詳細(xì)闡述了實(shí)現(xiàn)異構(gòu)傳感網(wǎng)通信的關(guān)鍵技術(shù)，并搭建了測試平臺進(jìn)行軟硬件結(jié)合的測試，達(dá)到了設(shè)計的初衷，滿足了異構(gòu)傳感網(wǎng)通信的需求，實(shí)現(xiàn)了兩者之間的點(diǎn)對點(diǎn)通信。在不更改協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進(jìn)行的網(wǎng)關(guān)設(shè)計具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可擴(kuò)展性，方便接入IPv6網(wǎng)絡(luò)以及更多不同協(xié)議的傳感網(wǎng)進(jìn)行自由通信。

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篇6

低功耗射頻技術(shù)雖然傳輸距離不長，數(shù)據(jù)傳輸率也不大，但它能使無線設(shè)備小巧靈活，在很多場合充分發(fā)揮作用。

ZigBee的興起

提起低功耗射頻技術(shù)，最知名的就是藍(lán)牙(Bluetooth)和ZigBee技術(shù)。其中，藍(lán)牙技術(shù)推廣較早，已經(jīng)有了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)，很多消費(fèi)電子設(shè)備上都有藍(lán)牙收發(fā)裝置。zigBee技術(shù)則興起得較晚，但是發(fā)展速度很快，大有趕超藍(lán)牙之勢。特別是家電和工業(yè)自動化領(lǐng)域，ZigBee的應(yīng)用正有聲有色地展開。

這里，先簡單介紹一下zigBee技術(shù)。ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要通信協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，其底層是采用IEEE802.L5.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的媒體存取層與實(shí)體層。總結(jié)起來，ZigBee技術(shù)有下面幾個優(yōu)點(diǎn)：

1　低功耗：zigBee的傳輸速率較低，傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號的收發(fā)時間很短。在待機(jī)模式下，ZigBee節(jié)點(diǎn)會進(jìn)入休眠模式。這一切使得zigee設(shè)備非常節(jié)電，使用普通5號堿性電池對的zigBee節(jié)點(diǎn)可工作達(dá)6個月到2年左右。

2　數(shù)據(jù)傳輸可靠性強(qiáng)：ZigBee的MA C層采用talk when-ready的碰撞避免機(jī)制。

3　網(wǎng)絡(luò)容量大：一個zigBee的網(wǎng)絡(luò)最多可配置255個ZigBee網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)，包括一個主控(Master)設(shè)備和其他從屬(Slave)設(shè)備。若是通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Network Coordinator)，整個網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超過64000個的ZigBee網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)，再加上各NetworkCoordinator可互相連接，整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目將十分可觀。

4　高安全性：ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)，以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES 128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

5　短時延：ZigBee節(jié)電從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms。

6　低成本：通信協(xié)議的簡化，降低了對設(shè)備的要求。

說到zigBee，就不得不提到zigBee RF4CE(Radio Frequency forConsumer Electronics)標(biāo)準(zhǔn)。這是一個由眾多家電巨頭和半導(dǎo)體器件供應(yīng)商結(jié)成的聯(lián)盟所制定的標(biāo)準(zhǔn)。它的起因是因?yàn)橛耙艏译娫O(shè)備的智能化、網(wǎng)絡(luò)化和顯示設(shè)備的大型化趨勢越來越明顯，以前占據(jù)家電遙控器主導(dǎo)地位的紅外傳輸技術(shù)已經(jīng)跟不上時代的步伐，其接收角度狹小，無法雙向傳輸信息的缺點(diǎn)愈加明顯。為此，必須有新的無線技術(shù)取而代之。事實(shí)上，很多廠商都在開發(fā)相應(yīng)的替代無線技術(shù)，但因?yàn)槿狈y(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使得局面極為混亂。為了扭轉(zhuǎn)這些不利的狀況，全球家電業(yè)巨頭松下、索尼、三星、飛利浦等決定攜手推動射頻遙控器軟件協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，并決定以IEEE 802.15.4作為射頻遙控器所采用的無線電平臺。隨后，德州儀器、飛思卡爾、Ember等芯片供應(yīng)商也加入，RF4CE產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟亦宣告成立。在今年4月，第一批ZigBee RF4CE參考平臺正式通過了驗(yàn)證。這也就意味著，ZigBee進(jìn)入家電遙控器市場的時間很快就要到來了。

另外，近年來發(fā)展很快的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也在大量使用ZigBee技術(shù)。這也為zjgBee的發(fā)展提供了另一個空間。

半導(dǎo)體器件商的高集成度解決方案

RF4CE產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟中的半導(dǎo)體廠商代表，如德州儀器、飛思卡爾等，都在不斷推出自己的ZigBee產(chǎn)品，以期能迅速占領(lǐng)市場。

飛思卡爾公司在今年年初推出了其第二代芯片組M C1321x系列，其在第一代的基礎(chǔ)上集成發(fā)射/接收開關(guān)，減少了所需的外部組件數(shù)量。

而德州儀器公司也在近日推出了自己的新產(chǎn)品――C C2530。該產(chǎn)品不僅支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，而且還支持包括ZigBee PRO網(wǎng)絡(luò)、ZigBee RF4CE遠(yuǎn)程控制、智能能源、家庭與樓宇自動化、環(huán)境監(jiān)控以及無線醫(yī)療等在內(nèi)的一系列豐富應(yīng)用。與同類解決方案不同，CC2530可提供達(dá)高達(dá)256K的閃存。其輸出功率，也從前代產(chǎn)品C C2480的94dB增加到現(xiàn)在的10ldB。同時。該產(chǎn)品支持49dB的相鄰?fù)ǖ酪种疲@也是業(yè)界里一個非常高的指標(biāo)。c C2530的Flash存儲器可以支持多種應(yīng)用，其集成了高級RF收發(fā)器、業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型805l McU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8KBRAM，可減少多種元件(DMA、GPIO、USART、ADC以及定時器)。對于ZigBee器件來說，開發(fā)工具也非常重要。C C2530也有多種開發(fā)套件，包括了基礎(chǔ)開發(fā)套件(C C2530DK)、zigBee開發(fā)套件(cC2530ZDK)以及zigBee RF4CE開發(fā)套件(RemoTI-C C2530DK)。同時，還有免費(fèi)的協(xié)議軟件棧，包括適用于符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的Z-Stack軟件(ZigBee PRO)，適用于ZigBee RF4CE遙控應(yīng)用的Remo TI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及適用于專用網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的SimpileiTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

需要解釋一下Rem0 TI協(xié)議，這是面向ZigBee RF4CE規(guī)范的同時包含軟件與硬件的完整網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，包含了CC2530 IEEE/802.15.4片上系統(tǒng)與軟件協(xié)議棧。

篇7

【關(guān)鍵詞】ZigBee 多因子 安全認(rèn)證

1 引言

ZigBee是具有功耗低、成本低、r延短、抗干擾性強(qiáng)的短距離無線通信技術(shù)，廣泛應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。但由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，數(shù)據(jù)通信量小，環(huán)境安全難于控制。因此，出現(xiàn)了一系列針對ZigBee入網(wǎng)及通信安全的研究，如針對網(wǎng)絡(luò)安全威脅與攻擊、信任機(jī)制、節(jié)點(diǎn)身份認(rèn)證[1]等。文獻(xiàn)[2]提出的基于信任中心的認(rèn)證方案，能夠解決移動節(jié)點(diǎn)問題，但加重了協(xié)調(diào)器的負(fù)擔(dān)。文獻(xiàn)[3]指出適合ZigBee節(jié)點(diǎn)身份認(rèn)證的技術(shù)，但其僅適合單播通信節(jié)點(diǎn)的認(rèn)證，在多播通信節(jié)點(diǎn)中會使組密鑰信息泄露，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不安全；當(dāng)密鑰因子泄露時會導(dǎo)致系統(tǒng)處于不安全狀態(tài)。

綜上所述結(jié)合非對稱密碼體制認(rèn)證方案以及MAC層協(xié)議，提出一種適用于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的“新鮮因子+配置信息+密鑰”多因子安全認(rèn)證方案，設(shè)計簇頭與控制中心、終端的雙向認(rèn)證流程，保證入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的合法性，抵御中間人攻擊以及有效降低了協(xié)調(diào)器的負(fù)載，提高了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的綜合性能。

2 多因子安全認(rèn)證機(jī)制設(shè)計

方案中采用橢圓曲線密碼機(jī)制。簇頭發(fā)送入網(wǎng)請求幀，控制中心經(jīng)認(rèn)證通過后與簇頭建立網(wǎng)絡(luò)連接。然后，終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送入請求幀，經(jīng)簇頭認(rèn)證通過后建立整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其具體的認(rèn)證入網(wǎng)流程如下。

CHj在獲取到NC的公鑰PuKNC后將初始對稱密鑰keyic、IEEE地址、初始配置時間和網(wǎng)絡(luò)ID加密發(fā)送給NC并且C=（keyic||Ad||Tdata||PANID）。NC計算DeECCk（c）得到keyic、Ad、Tdata和PANID后生成index（i）及Ti將該索引項信息存入控制中心合法節(jié)點(diǎn)庫中。NC構(gòu)造m=將發(fā)送給CHj。NC生成初始D并將含有該隨機(jī)數(shù)的信標(biāo)幀M以周期T0廣播發(fā)送到各節(jié)點(diǎn)。CHj接收到NC發(fā)送的包含有D的信標(biāo)幀后利用單向函數(shù)變換得到自身硬件信息因子H并保存。NC接收到消息m1檢測T3到是否新鮮，檢測通過后驗(yàn)證簽名的有效性隨后查找索引項index（j），利用當(dāng)前的D計算硬件信息因子H并提取TLi和Tdata與消息m1中的字段匹配，匹配成功時NC獲取當(dāng)前時間戳T4并構(gòu)造消息m2=向CHj發(fā)送消息m3=。CHj提取m3的簽名驗(yàn)證字段，驗(yàn)證通過時檢測T3T4的合理性然后確定m2來自于NC并更新兩者之間的對密鑰keyid從而完成CHj與NC的雙向認(rèn)證。

3 測試與分析

為了驗(yàn)證本方案設(shè)計的三種協(xié)議對入網(wǎng)性能的影響，設(shè)置兩組對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)組一協(xié)調(diào)器與終端里的協(xié)議設(shè)置為基于Zigbee自身的協(xié)議；實(shí)驗(yàn)組二協(xié)調(diào)器與終端的協(xié)議設(shè)置為本方案設(shè)計的通信協(xié)議協(xié)議。將兩組設(shè)備分別接入可信路由節(jié)點(diǎn)，記錄設(shè)備入網(wǎng)成功所用的時間。

實(shí)驗(yàn)組2認(rèn)證入網(wǎng)成功所用的平均時間略高于實(shí)驗(yàn)組1（相差5ms以內(nèi)），在用戶體驗(yàn)時，時延可以忽略，達(dá)到了協(xié)調(diào)器負(fù)載均衡的要求。因此本方案設(shè)計的安全協(xié)議性能達(dá)到了預(yù)期要求。可知本方案基于多因子安全認(rèn)證機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器負(fù)載率明顯降低，免疫力更強(qiáng)，擴(kuò)展性更好，具有更高的優(yōu)越性，相比原有的Zigbee規(guī)范中的認(rèn)證方案，本方案在實(shí)現(xiàn)Zigbee節(jié)點(diǎn)的認(rèn)證通信開銷很小，同時有效的減小了協(xié)調(diào)器負(fù)載，提高了綜合性能。既能在安全方面實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的安全身份認(rèn)證，又能在性能上滿足用戶的響應(yīng)時間需要。

4 結(jié)語

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)以其低功耗、高安全性、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量大、低成本等特點(diǎn)必定將受到社會的青睞，本方案針對ZigBee網(wǎng)絡(luò)缺乏身份認(rèn)證以及協(xié)調(diào)器負(fù)載過大，從ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議方面入手，結(jié)合分簇路由協(xié)議，并在深入把握ZigBee協(xié)議規(guī)范和組網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種多因子的ZigBee安全認(rèn)證機(jī)制，對簇頭與控制中心、簇頭與終端節(jié)點(diǎn)的雙向認(rèn)證進(jìn)行了設(shè)計。有效解決了ZigBee節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)認(rèn)證存在的安全問題，實(shí)驗(yàn)測試與分析結(jié)果表明系統(tǒng)設(shè)計達(dá)到預(yù)期要求，有效降低了通信開銷，使協(xié)調(diào)器達(dá)到負(fù)載均衡，同時增強(qiáng)了ZigBee節(jié)點(diǎn)安全入網(wǎng)認(rèn)證的性能。

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篇8

關(guān)鍵詞ZigBee協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)；IEEE802.15.4；路由算法；Tree路由；Z-AODV路由

1概述

ZigBee技術(shù)是由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦等公司在2002年10月共同提出設(shè)計研究開發(fā)的具有低成本、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的無線通信技術(shù)。

2000年12月，IEEE802無線個域網(wǎng)（WPAN，WirelessPersonalAreaNetwork）小組成立，致力于WPAN無線傳輸協(xié)議的建立。2003年12月，IEEE正式了該技術(shù)物理層和MAC層所采用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，即IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，作為ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層和媒體接入層的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。2004年12月，ZigBee聯(lián)盟在IEEE802.15.4定義的物理層（PHY）和媒體接入層（MAC）的基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，正式了基于IEEE802.15.4的ZigBee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

2網(wǎng)絡(luò)層的研究

ZigBee技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)主要由物理層（PHY）、媒體接入層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)/安全層以及應(yīng)用框架層組成，各層之間的分布如圖1所示。

圖1ZigBee技術(shù)協(xié)議組成

PHY層的特征是啟動和關(guān)閉無線收發(fā)器、能量檢測、鏈路質(zhì)量、信道選擇、清除信道評估（CCA）以及通過物理媒體對數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送和接收。MAC層可以實(shí)現(xiàn)信標(biāo)管理、信道接入、時隙管理、發(fā)送確認(rèn)幀、發(fā)送連接及斷開連接請求，還為應(yīng)用合適的安全機(jī)制提供一些方法。它包含具有時間同步信標(biāo)的可選超幀結(jié)構(gòu)，采用免碰撞的載波偵聽多址訪問（CSMA-CA）。安全層主要實(shí)現(xiàn)密鑰管理、存取等功能。網(wǎng)絡(luò)層主要用于ZigBee的LR-WPAN網(wǎng)的組網(wǎng)連接、數(shù)據(jù)管理等。應(yīng)用框架層主要負(fù)責(zé)向用戶提供簡單的應(yīng)用軟件接口（API），包括應(yīng)用子層支持APS（ApplicationSub-layerSupport）、ZigBee設(shè)備對象ZDO（ZigBeeDeviceObject）等，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層對設(shè)備的管理，為ZigBee技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供一些應(yīng)用框架模型等，以便對ZigBee技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用。

網(wǎng)絡(luò)層的定義包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒕W(wǎng)絡(luò)建立、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、路由及路由的維護(hù)。

2.1ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee定義了三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（Star），主要為一個節(jié)點(diǎn)與多個節(jié)點(diǎn)的簡單通信設(shè)計；樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（Tree），使用分等級的樹型路由機(jī)制；網(wǎng)格型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（Mesh），將Z-AODV和分等級的樹型（Tree）路由相結(jié)合的混合路由方法。三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2網(wǎng)絡(luò)的三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee定義了三種設(shè)備類型：ZigBee協(xié)調(diào)器（ZigBeeCoordinator，ZC），用于初始化網(wǎng)絡(luò)信息，每個網(wǎng)絡(luò)只有一個ZC；ZigBee路由器（ZigBeeRouter，ZR），它起監(jiān)視或控制作用，但它也是用跳頻方式傳遞信息的路由器或中繼器；ZigBee終端設(shè)備（ZigBeeEndDevice，ZED），它只有監(jiān)視或控制功能，不能做路由或中繼之用。

在IEEE標(biāo)準(zhǔn)中，ZED被稱為精簡功能設(shè)備（Reduced-FunctionDevice，RFD），ZC和ZR被稱作全功能設(shè)備（Full-FunctionDevice，F(xiàn)FD）。

2.2網(wǎng)絡(luò)層路由算法的分析

網(wǎng)絡(luò)層支持Tree、Z-AODV、Tree+Z-AODV等多種路由算法。

2.2.1AODV路由協(xié)議

DSDV（destination-sequenceddistance-vector）協(xié)議是一個基于傳統(tǒng)的BellmanFord路由機(jī)制的表驅(qū)動算法，被認(rèn)為是最早的無線自組網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。DSDV在傳統(tǒng)的distance-vector算法的基礎(chǔ)上采用了序列號機(jī)制，用于區(qū)分路由的新舊程度，防止distance-vector算法可能產(chǎn)生的路由環(huán)路。DSDV采用時間驅(qū)動和事件驅(qū)動技術(shù)控制路由表的傳送，即每個移動節(jié)點(diǎn)在本地都保留一張路由表，其中包括所有有效目的節(jié)點(diǎn)、路由跳數(shù)、目的節(jié)點(diǎn)路由序列號等信息，目的節(jié)點(diǎn)路由序列號用于區(qū)別有效和過期的路由信息以避免環(huán)路的產(chǎn)生。

DSR（dynamicsourcerouting）協(xié)議是最早采用按需路由思想的路由協(xié)議，包括路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)兩個過程。它的主要特點(diǎn)是使用了源路由機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。

AODV(ad-hocon-demanddistancevector)協(xié)議在DSDV協(xié)議的逐跳路由、序列號、定期廣播機(jī)制基礎(chǔ)上，加入了DSR的按需路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)機(jī)制。

AODV在每個中間節(jié)點(diǎn)隱式保存了路由請求和應(yīng)答的結(jié)果，并利用擴(kuò)展環(huán)搜索（expandingringresearch）的辦法限制搜索發(fā)現(xiàn)目的節(jié)點(diǎn)的范圍。AODV支持組播功能，支持QoS，而且AODV使用IP地址，便于同Internet連接。但AODV基于雙向信道的假設(shè)，路由應(yīng)答數(shù)據(jù)包直接沿著路由請求的反方向回溯到源節(jié)點(diǎn)，因而不支持單向信道。與DSDV保存完整的路由表不同的是，AODV通過建立按需路由來減少路由廣播的次數(shù)，這是AODV對DSDV的重要改進(jìn)。與DSR相比，AODV的好處在于源路由并不需要包括在每一個數(shù)據(jù)包中，這樣會降低路由協(xié)議的開銷。AODV是一個純粹的按需路由協(xié)議，那些不在路徑內(nèi)的節(jié)點(diǎn)不保存路由信息，也不參與路由表的交換。

2.2.2Z-AODV能量平衡路由

在ZigBee路由規(guī)范中沒有過多的考慮能量控制，但是對于adhoc無線網(wǎng)絡(luò)來說，能量控制非常重要。因此提出了能量控制策略來改進(jìn)ZigBee路由。它將使節(jié)點(diǎn)避免用盡所有能量以至于過早的失去作用。當(dāng)節(jié)點(diǎn)想要選擇路徑時，它將考慮路徑上的節(jié)點(diǎn)的剩余能量。

Z-AODV算法是針對AODV（Adhoc按需距離矢量路由協(xié)議）算法的改進(jìn)，AODV是基于序列號的路由，它總是選擇最新的路由。Z-AODV是基于路徑的能量消耗的路由，考慮到節(jié)能、應(yīng)用方便性等因素，簡化了AODV的一些特點(diǎn)，但仍保持AODV的原始功能。

在路由選擇和路由維護(hù)時，ZigBee的路由算法使用了路由成本的度量方法來比較路由的好壞。假定一個長度為L的路由P，則它的路由成本為：為：

其中，表示從節(jié)點(diǎn)Di到節(jié)點(diǎn)Di+1的鏈路成本。對于鏈路l，鏈路成本可按照下面的表達(dá)式計算：

其中，pl為鏈路l中發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率。

在ZigBee規(guī)范中沒有涉及到pl的具體計算方法。pl可通過實(shí)際計算收到的信標(biāo)和數(shù)據(jù)幀來進(jìn)行估計，即通過觀察幀的響應(yīng)序列號來檢測丟失的幀，這就通常被認(rèn)為最準(zhǔn)確地測量接收概率的方法。但是，對于所有的方法來說，最直接和有效的方法就是基于IEEE802.15.4的MAC層和PHY層所提供的每一幀的LQI通過平均所計算的值。即使使用其他方法，最初的成本估計值也是基于平均的LQI值。可以根據(jù)驅(qū)動函數(shù)表來映射平均LQI值與C﹛l﹜值的關(guān)系（見表1）。

表1LQI值與鏈路成本的關(guān)系

能量平衡運(yùn)算要考慮許多因素來選擇路由。這些因素包括臨近節(jié)點(diǎn)的能量、節(jié)點(diǎn)自身的能量和鏈路質(zhì)量。剩余能量Elocal可以在每一個ZigBee幀中的保留域發(fā)送，這樣每個節(jié)點(diǎn)都能得到它的鄰居節(jié)點(diǎn)最新的能量分配﹛E1，E2…En﹜。

2.2.3樹型（Tree）路由

樹型路由機(jī)制包括配置樹型地址和樹型地址的路由。當(dāng)協(xié)調(diào)器建立一個新的網(wǎng)絡(luò)，它將給自己分配網(wǎng)絡(luò)地址0，網(wǎng)絡(luò)深度Depth0=0。如果節(jié)點(diǎn)（i）想要加入網(wǎng)絡(luò)，并且與節(jié)點(diǎn)（k）連接，那么節(jié)點(diǎn)（k）將稱為節(jié)點(diǎn)（i）的父節(jié)點(diǎn)。根據(jù)自身的地址Ak和網(wǎng)絡(luò)深度Depthk，節(jié)點(diǎn)（k）將為節(jié)點(diǎn)（i）分配網(wǎng)

絡(luò)地址Ai和網(wǎng)絡(luò)深度Depthi=Depthk+1。網(wǎng)絡(luò)深度表示僅僅采用父子關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)中，一個傳送幀傳送到ZigBee協(xié)調(diào)器所傳遞的最小跳數(shù)。ZigBee協(xié)調(diào)器自身深度為0，而它的子設(shè)備深度為1。

圖3為ZigBee樹型結(jié)構(gòu)。參數(shù)nwkMaxChildren(Cm)表示路由器或協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)中允許擁有子設(shè)備數(shù)量的最大值。參數(shù)nwkMaxRouters(Rm)表示子節(jié)點(diǎn)中路由器的最大個數(shù)，而剩下的設(shè)備數(shù)為終端設(shè)備數(shù)。

圖3ZigBee樹型結(jié)構(gòu)

一個新的RFD節(jié)點(diǎn)（i），它沒有路由能力，它與協(xié)調(diào)器連接作為協(xié)調(diào)器的第n個子節(jié)點(diǎn)。根據(jù)它的深度d，父節(jié)點(diǎn)（k）將為子節(jié)點(diǎn)（i）分配網(wǎng)絡(luò)地址：

Ai=Ak+Cskip（d）·Rm+n其中1≤n≤（Cm-Rm）

如果是新的子節(jié)點(diǎn)FFD，它有路由能力，父節(jié)點(diǎn)（k）將給它分配網(wǎng)絡(luò)地址：

Ai=Ak+1+Cskip（d）·（n-1）

其中，

否則，參數(shù)nwkMaxDepth(Lm)表示網(wǎng)絡(luò)的最大深度。

假設(shè)一個路由器向網(wǎng)絡(luò)地址為D的目的地址發(fā)送數(shù)據(jù)包，路由器的網(wǎng)絡(luò)地址為A，網(wǎng)絡(luò)深度為d。路由器將首先通過表達(dá)式：

A＜D＜A+Cskip(d-1)

判斷該目的節(jié)點(diǎn)是否為自己的子節(jié)點(diǎn)。如果目的節(jié)點(diǎn)是自己的子節(jié)點(diǎn)，則下一跳節(jié)點(diǎn)的地址為：

否則，下一跳節(jié)點(diǎn)是該路由器的父節(jié)點(diǎn)。

2.2.4Tree+Z-AODV路由算法的分析

根據(jù)上文對Tree和Z-AODV兩種路由算法的分析，在我們的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中將二者結(jié)合，使用Z-AODV和分等級的樹型（Tree）路由相結(jié)合的混合路由方法，構(gòu)成網(wǎng)格型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（Mesh）的網(wǎng)絡(luò)。

具體實(shí)現(xiàn)方法是在數(shù)據(jù)幀幀頭的DiscoverRouter域指定路由。該域可以是如下三種值：

⑴抑制路由發(fā)現(xiàn)：它使用已經(jīng)存在的路由表。當(dāng)路由表中沒有相應(yīng)的目的節(jié)點(diǎn)的地址時，參數(shù)nwkUseTreeRouting的值為TRUE，網(wǎng)絡(luò)將使用樹型路由。

⑵使能路由發(fā)現(xiàn)：如果在路由表中有路由地址，將按照該路由表進(jìn)行路由。否則，路由器將使用Z-AODV路由算法初始路由發(fā)現(xiàn)。如果該節(jié)點(diǎn)沒有初始路由發(fā)現(xiàn)的能力，它將使用樹型路由。

⑶強(qiáng)制路由發(fā)現(xiàn)：不管是否有相應(yīng)的路由表，節(jié)點(diǎn)都強(qiáng)制使用Z-AODV路由算法初始化路由發(fā)現(xiàn)。

在ZigBee規(guī)范中提出了將AODV和Tree路由混合的路由機(jī)制。但在ZigBee規(guī)范中并沒有說明如何配置參數(shù)來選擇路由策略，沒有使兩者平衡的設(shè)計方法。根據(jù)上面Tree路由和Z-AODV的分析，我們提出了基于數(shù)據(jù)特性的路由方法，即在兩種路由算法構(gòu)成的網(wǎng)格型網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)節(jié)點(diǎn)間傳輸數(shù)據(jù)特性的不同，通過設(shè)置數(shù)據(jù)幀幀頭的DiscoverRouter域，選擇不同的路由方法。對于捆綁型的連續(xù)數(shù)據(jù)，ZigBee應(yīng)用層應(yīng)選擇使用使能路由的方法。即采用Z-AODV路由首先建立路由發(fā)現(xiàn)，然后選擇跳數(shù)少的路由，成為最佳路徑；對于爆發(fā)型的不連續(xù)數(shù)據(jù)則使用抑制路由發(fā)現(xiàn)的方法，即在路由表中沒有響應(yīng)的目的節(jié)點(diǎn)的地址時，采用Tree路由方法。因?yàn)檫@種路由不需要建立路由表，因此對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)響應(yīng)較快。

圖4為節(jié)點(diǎn)接收到上層或其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包時，網(wǎng)絡(luò)層處理程序的流程圖。

圖4路由算法流程圖

2.3總結(jié)

Tree路由是一種由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器展開生成樹狀網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適合于節(jié)點(diǎn)靜止或者移動較少的場合，屬于靜態(tài)路由，不需要存儲路由表。樹型路由對傳輸數(shù)據(jù)包的響應(yīng)較快，因?yàn)闃湫吐酚刹恍枰⒙酚杀怼Ｆ淙秉c(diǎn)是所選擇的路由并非是最佳的路由，不能獲得最小路由。樹型路由適用于爆發(fā)型的數(shù)據(jù)傳輸。

Z-AODV需要首先建立路由發(fā)現(xiàn)，然后選擇跳數(shù)少的路由，成為最佳路徑。Z-AODV適用于連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。

在ZigBee規(guī)范中，設(shè)計了Z-AODV和Tree路由混合的路由策略，這里我們提出了基于數(shù)據(jù)服務(wù)的ZigBee路由選擇策略。根據(jù)上述分析可以看出，這種路由選擇機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)性能和低功耗方面有明顯的優(yōu)勢；并且根據(jù)能量控制機(jī)制，可以有效地平衡節(jié)點(diǎn)能量，避免節(jié)點(diǎn)耗盡能量而過早地失去作用。

3ZigBee模塊硬件設(shè)計

模塊集無線收發(fā)器、微處理器、存儲器和用戶API等軟硬件于一體，可實(shí)現(xiàn)1.0版ZigBee協(xié)議棧的功能。

圖5ZigBee模塊框圖

圖5是模塊的硬件框圖，射頻芯片采用Chipcon公司生產(chǎn)的符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的模塊CC2420；控制射頻芯片的微處理器可以根據(jù)需要選擇Atmel公司的AVR系列單片機(jī)或者SiliconLabs公司的8051內(nèi)核單片機(jī)。單片機(jī)與射頻芯片之間通過SPI通信。單片機(jī)與外部設(shè)備之間通過串口通信，單片機(jī)自帶若干ADC或者溫度傳感器，可以實(shí)現(xiàn)簡單的模數(shù)轉(zhuǎn)換或者溫度監(jiān)控。為了方便代碼移植到不同的硬件平臺，模塊固件采用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫代碼實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]蔣挺，趙成林.紫蜂技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006

[2]ZigBeeSpecification.ZigBeeAlliance[R]，2006

[3]IEEE.IEEEstandards8021.15.4[R]；2003

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關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) ZigBee技術(shù) IEEE802.15.4協(xié)議

中圖分類號：TN929.5；TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2015）11-0000-00

Abstract： ZigBee technology is a new and emerging low power technology which is the most closely integrated with the wireless sensor network. This paper analyzes the characteristics of ZigBee technology and the network topology of ZigBee， and studies the architecture of ZigBee protocol stack， the hardware platform of wireless sensor based on CC2530 chip， and the process and application of wireless sensor network based on ZigBee technology.

Key words： Wireless sensor network；ZigBee；IEEE802.15.4 treaty

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是一種融合了微電子、嵌入式計算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信、分布式信息處理等先進(jìn)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)，由大量廉價無線傳感器組成。并且這種網(wǎng)絡(luò)不采用基站或交換機(jī)作為中轉(zhuǎn)，又常常被人稱為Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)[1]，是一種特殊的多跳移動無線網(wǎng)絡(luò)。目前用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有Bluetooth、ZigBee、Wi-Fi、以及IrDA等。其中，ZigBee技術(shù)以其組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體積小、成本低、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、放置靈活、擴(kuò)展方便、安全可靠[1]等特點(diǎn)成為無線通信應(yīng)用的首選技術(shù)。因此，探討基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方案具有重要的實(shí)用價值。

2 ZigBee技術(shù)

ZigBee在中國被譯為“紫蜂”，其突出特點(diǎn)是支持低成本、低功耗、可靠的數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)容量大、各層次的安全性、易于實(shí)現(xiàn)等。

在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大概有3種類型：星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、串狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[2]如圖2所示。在這之中，每個節(jié)點(diǎn)的功能都不一樣，有的充當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，有的充當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)，有的則充當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)。

ZigBee協(xié)議框架[3]是建立在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上的。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)滿足國際標(biāo)準(zhǔn)組織開放系統(tǒng)互連參考模式，定義了ZigBee的物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC）；ZigBee聯(lián)盟則定義了協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）和安全服務(wù)規(guī)范如圖2。這其中ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括兩個物理層：一個是全球通用的通信信道為16個的2.4GHz頻段，其傳輸速率為250kbps另一個是美國的915MHz和歐洲的868MHz頻段頻段，信道分別為10個和1個，傳輸速率分別為40kbps和20kbps。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

本文采用CC2530芯片構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，CC2530芯片是一款完全兼容8051內(nèi)核，同時支持IEEE802.15.4協(xié)議的2.4GHz無線射頻芯片[4]。最大擁有256K可編程FLASH容量，12個10位精度的A/D轉(zhuǎn)換通道，21個雙向的I/O端口，由它構(gòu)成一個微型化的嵌入式系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)硬件組成如圖3，可以看出硬件由CC2530芯片上系統(tǒng)收發(fā)模塊、電源模塊、接口模塊及傳感器模塊等。節(jié)點(diǎn)的軟件包括終端數(shù)據(jù)采集、實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議棧以及無線通信軟件等。

4 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)過程

在一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，只有協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可以建立網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器具有允許設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)和離開網(wǎng)絡(luò)的功能，并給設(shè)備分配內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)地址，維護(hù)鄰居表等。建立一個新網(wǎng)絡(luò)首先是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層調(diào)用NLME-NETWORK-FORMATION.request原語來實(shí)現(xiàn)，然后向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)出建立網(wǎng)絡(luò)的請求，網(wǎng)絡(luò)層收到這個請求之后，便向下層的MAC層發(fā)出信道能量掃描的要求，MAC層便調(diào)用MLME-SCAN.request原語找到信道能量低于設(shè)定能量值的可用信道，然后在可用信道中搜尋ZigBee設(shè)備。找到了合適的信道后，便將隨機(jī)選擇一個PAN，它是可以識別一個特定ZigBee網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)識號，不與原來的沖突，如果沒有找到，也通過原語告訴上層結(jié)果；如果找到了，就通過原語在MAC層注冊這個ID號，作為新建立的無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)號，并發(fā)送MLME-START.request原語，獲取PAN ID和信道掃描結(jié)果，并通過confirm原語發(fā)送給上層。收到PAN開始的狀態(tài)，NLME將告知應(yīng)用層它要求的建立網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，這通過NLME-NETWORK-FORMATION.confirm原語來實(shí)現(xiàn)[5]。如圖4就是協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)過程圖。

ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)后，路由節(jié)點(diǎn)或終端節(jié)點(diǎn)可以加入該網(wǎng)絡(luò)。加入方式有兩種：第一種關(guān)聯(lián)方式，當(dāng)某設(shè)備希望加入網(wǎng)絡(luò)成為一個子設(shè)備時，應(yīng)用層向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送一個NLME-NETWORK-DISCOVERY.request原語。然后網(wǎng)絡(luò)層再向MAC層發(fā)送服務(wù)請求開始信道掃描。根據(jù)掃描網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果，選擇一個網(wǎng)絡(luò)加入。向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)NLME-JOIN.request原語。MAC層發(fā)送MLME-ASSCIATE.confirm原語向網(wǎng)絡(luò)層報告連接情況。另外一種連接方式是子設(shè)備以直接方式加入網(wǎng)絡(luò)。這種情況，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器事先已保存了子設(shè)備的64位擴(kuò)展地址。開始加入網(wǎng)絡(luò)時，網(wǎng)絡(luò)層的上層向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送一個叫NLME-DIRECT-JOIN.request原語，這個原語中包含了一個64位的擴(kuò)展地址，網(wǎng)絡(luò)層接收到這個原語，就會檢查自己的鄰居表，是否在鄰居表中發(fā)現(xiàn)與這個64位地址相匹配的值。如果發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體就會禁止這個原語。如果沒有找到與這個64位地址相匹配的值，網(wǎng)絡(luò)層將本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的唯一的16位短地址分配給這個子設(shè)備。

5 結(jié)語

基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成本低、功耗低、性能高。本文所采用的基于CC2530無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計方案不失為一種較為高效、節(jié)能、抗干擾能力強(qiáng)的廉價組網(wǎng)方案。像例如環(huán)境的監(jiān)測和保護(hù)、醫(yī)療護(hù)理、目標(biāo)跟蹤、工農(nóng)業(yè)的數(shù)據(jù)采集等等，基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將得到越來越多的關(guān)注與應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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篇10

 

ZigBee技術(shù)在WSN(無線傳感器網(wǎng)絡(luò))和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的提出已經(jīng)有很多年了，并且ZigBee在智能化信息管理、電子收費(fèi)系統(tǒng)、自動化控制監(jiān)測和軍用智能無人機(jī)器方面有廣闊的市場前景。

 

WSN網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的不成熟、軟硬件標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一，信息安全方面特別是信息安全技術(shù)的敏感性和各個研發(fā)單位的安全技術(shù)保密的不成熟，而ZigBee網(wǎng)具有很強(qiáng)的安全、穩(wěn)定性能，可以有效的解決這一難題。

 

由于ZigBee無線網(wǎng)應(yīng)用極其廣泛，選取POS收費(fèi)系統(tǒng)應(yīng)用作為具體研究對象，而且將ZigBee技術(shù)應(yīng)用在POS收費(fèi)系統(tǒng)上本身也是個研究前沿。所以，對確立在STM32單片機(jī)基礎(chǔ)上，基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的POS機(jī)信息安全問題進(jìn)行整體的初步探討，以期起到拋磚引玉的作用。

 

1 基于ZigBee無線網(wǎng)的POS系統(tǒng)信息安全環(huán)境

 

1.1 ZigBee網(wǎng)POS系統(tǒng)環(huán)境配置

 

具有安全特性的高性能、低功耗、自組網(wǎng)的ZigBee組網(wǎng)是當(dāng)今WSN和物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)組合的主流高新技術(shù)之一，相比藍(lán)牙、Wi-Fi和GPRS，ZigBee組網(wǎng)更具有特別的安全性;而STM32單片機(jī)高效能、高可靠、低成本和技術(shù)成熟，還可以實(shí)現(xiàn)51單片機(jī)不能完成的復(fù)雜功能用途，是很有發(fā)展前途的一款單片機(jī)。

 

因此，STM32單片機(jī)是安全、穩(wěn)定的ZigBee組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的恰當(dāng)選擇。μC/OSⅡ操作系統(tǒng)具有執(zhí)行效率高、空間占用小、多任務(wù)、可擴(kuò)展能力強(qiáng)和穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，符合WSN的信息安全穩(wěn)定工作要求。

 

建立在STM32單片機(jī)、ZigBee組網(wǎng)和μC/OSⅡ操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上的軟硬件系統(tǒng)是建立低成本、高可靠、高安全的無線網(wǎng)的必要條件。將無線網(wǎng)絡(luò)信息安全建立在使用STM32單片機(jī)、基于ZigBee組網(wǎng)和μC/OSⅡ等實(shí)時操作系統(tǒng)上的POS系統(tǒng)環(huán)境，相比建立在基于51單片機(jī)裸機(jī)上的ZigBee組網(wǎng)的POS系統(tǒng)環(huán)境，安全度更高更可靠。

 

1.2 ZigBee無線網(wǎng)的安全特性

 

ZigBee無線網(wǎng)是一種短距離、低功耗、自組網(wǎng)和高安全性的高新無線通信網(wǎng)絡(luò)，由一個高性能的FFD(全功能節(jié)點(diǎn))和多個的RFD(精簡功能節(jié)點(diǎn))組成PAN(私人用局域網(wǎng))。只能有FFD建立PAN網(wǎng)，由多個PAN網(wǎng)建立整個ZigBee組網(wǎng)。

 

萬一有FFD被擊毀，可以由臨近有效范圍的FFD自動重新組網(wǎng);當(dāng)孤立的RFD不在FFD范圍內(nèi)，可以通過其他附近的FFD加入PAN網(wǎng)，靈活性和穩(wěn)定性很高。由于ZigBee無線網(wǎng)的有群集性多跳性，定位節(jié)點(diǎn)位置是技術(shù)難題，就需要再組合GPS應(yīng)用模塊進(jìn)行補(bǔ)充，

 

1.3 ZigBee無線網(wǎng)安全的關(guān)鍵技術(shù)

 

ZigBee的無線通信安全的關(guān)鍵是通信協(xié)議，ZigBee協(xié)議規(guī)范提供了信任中心、網(wǎng)絡(luò)層安全和APS層安全，不提供鏈路層安全。ZigBee遵守IEEE802.15.4協(xié)議，并可以在簡單的IEEE802.15.4協(xié)議基礎(chǔ)上開發(fā)簡單的WSN應(yīng)用協(xié)議，用于建立小規(guī)模簡易局域網(wǎng)如星型網(wǎng)。

 

甚至在此基礎(chǔ)上自行開發(fā)大規(guī)模復(fù)雜的協(xié)議棧，比如用于智能家居自動監(jiān)控系統(tǒng)的Mesh網(wǎng)。還可以創(chuàng)新多種功能的應(yīng)用程序和系統(tǒng)軟件。我們甚至可以把開發(fā)出來的有安全保護(hù)的協(xié)議棧固化到芯片中去，使用AES協(xié)處理器實(shí)現(xiàn)信息的硬件加密加速的功能，而我們的軟件只需要設(shè)計一個自己的API接口就行。

 

1.4 ZigBee無線網(wǎng)的POS系統(tǒng)信息安全架構(gòu)

 

針對ZigBee組網(wǎng)的POS系統(tǒng)信息安全問題，從上層到底層可分為：操作安全、網(wǎng)絡(luò)安全、軟件算法安全、底層硬件安全。操作安全要求有一套嚴(yán)格的操作規(guī)章制度，禁止未授權(quán)人非法使用、越權(quán)使用。網(wǎng)絡(luò)安全要求網(wǎng)路的安全，包括接入點(diǎn)安全和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議族安全。軟件算法安全最重要也很復(fù)雜，包括各種加解密算法安全、電子簽名和身份認(rèn)證。底層硬件安全包括、POS機(jī)安全和意外安全。

 

2 基于ZigBee無線網(wǎng)的POS系統(tǒng)軟件算法安全及算法比較

 

身份認(rèn)證可以使用不對稱加密算法和對稱加密算法，一般應(yīng)使用不對稱加密的RAS算法。使用預(yù)定好的密鑰進(jìn)行身份認(rèn)證，身份認(rèn)證成功后，對存儲器的任何操作都是加密的。身份認(rèn)證共有三輪，如圖，流程為： 第一輪：a) 讀寫器指定要訪問的存儲區(qū)，并選擇預(yù)定密鑰A 或B。b) 射頻卡從位塊讀取密鑰和訪問條件。然后，射頻卡向讀寫器發(fā)送隨機(jī)數(shù)。

 

第二輪：c) 讀寫器利用密鑰和隨機(jī)數(shù)計算回應(yīng)值。回應(yīng)值連同讀寫器的隨機(jī)數(shù)，發(fā)送給射頻卡。d) 射頻卡通過與自己的隨機(jī)數(shù)比較，驗(yàn)證讀寫器的回應(yīng)值，再計算回應(yīng)值并發(fā)送。

 

第三輪：讀寫器通過比較，驗(yàn)證射頻卡的回應(yīng)值，正確后才能對卡進(jìn)行讀寫操作。這樣認(rèn)證加密后，就有效的保護(hù)了個人隱私。身份認(rèn)證成功后，讀寫器/芯片指定后續(xù)讀取的存儲器位置，數(shù)據(jù)加密采用TEA、DES、AES等。為保證終端設(shè)備的安全，必須一卡一碼，并且每次只能對一張卡操作。認(rèn)證完成后才能進(jìn)行卡的讀寫操作，每次只能有一張卡選中，獲得認(rèn)證后進(jìn)行讀寫操作，其他的卡則進(jìn)入休眠態(tài)，以保證不會出現(xiàn)由串卡現(xiàn)象引起的誤操作。射頻卡讀寫器的安全軟件由生產(chǎn)商配備，并且通常要固化到硬件。

 

RSA算法的難度在于如何產(chǎn)生密鑰對，RSA生成公鑰的方法：任意選兩個大素數(shù)M、N，選擇一個加密密鑰E，使E不是(M-1)和(N-1)的因子;

 

生成私鑰D的公式：(D*E)MOD(P-1)*(Q-1)=1;

 

用公鑰E加密公式：CT=PTEMOD(M*N);

 

用私鑰D解密公式：PT=CTDMOD(M*N)。

 

在ZigBee網(wǎng)中，對于敏感性信息的安全保護(hù)沒有太高要求的應(yīng)用領(lǐng)域，在32位CPU或MPU處理器主頻80Mhz情況下，使用對稱加密方法的DES，加解密的速度為26.75Mbyte/s， 加解密的速度水平較高。如強(qiáng)化安全性能可以升級為更先進(jìn)對稱加密方法的AES，如使用AES加解密，加解密的速度11.69Mbyte/s， 加解密的速度水平中等，比前者慢。

 

在ZigBee網(wǎng)中，對于敏感性信息的安全保護(hù)有很高要求的領(lǐng)域，特別是在財務(wù)、金融和軍用領(lǐng)域，必須要保證身份認(rèn)證和數(shù)據(jù)信息的絕對安全。所以，算法必須使用復(fù)雜加密方法RSA，并配合數(shù)字簽名。在32位CPU或MPU處理器主頻80MHz情況下，1M的 RSA 簽名次數(shù) 32 次/秒，認(rèn)證次數(shù) 32 次/秒，正所謂慢工出細(xì)活。

 

RSA使用公鑰密鑰對機(jī)制，再配合數(shù)字認(rèn)證可避免中間人攻擊，這對于開放性更強(qiáng)的無線網(wǎng)絡(luò)尤為重要。如果采用對稱密鑰算法，密鑰容易被入侵者截獲，對收發(fā)雙方進(jìn)行欺騙并非法獲利。并且RSA伸縮性更好，所需密鑰數(shù)與消息交換參與者個數(shù)相等。

 

而對稱加密算法容易受到中間人攻擊，密碼會被盜用;并且一旦網(wǎng)絡(luò)規(guī)模加大，密鑰對的數(shù)目的需求成指數(shù)級別增長，是消息交換參與者個數(shù)的平方，在密鑰發(fā)放過程中很容易泄密。因此，身份認(rèn)證應(yīng)采用安全度更高但速度慢的RSA;經(jīng)常大量的數(shù)據(jù)包加密采用速度快的DES或AES，并可用ZigBee節(jié)點(diǎn)自帶的AES協(xié)處理器進(jìn)行硬件加速。若要進(jìn)一步加速數(shù)據(jù)包加解密速度，可以將主節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的串行數(shù)據(jù)接口改為高速的USB接口，就可加快加解密速度。以下簡述AES的應(yīng)用程序設(shè)計。

 

3 POS系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)安全

 

在TCP/IP各層數(shù)據(jù)安全中，ZigBee的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息安全的數(shù)據(jù)安全主要特點(diǎn)有：非法網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的過濾和無線網(wǎng)信息加密，可有效避免網(wǎng)絡(luò)的非法入侵。通過IEEE802.15.4協(xié)議棧的應(yīng)用庫，例如如在基于MAC協(xié)議棧的MAC庫API上，通過建立PAN網(wǎng)，每個PAN都有獨(dú)有的PAN地址ID，這樣就可通過PAN網(wǎng)ID和節(jié)點(diǎn)ID過濾來區(qū)分ZigBee網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的合法性。在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包過程中，通過AES算法來加密來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的信息安全。

 

據(jù)最新報道，AES加密算法已被國外頂尖專家破解，但是也不必驚慌，對于絕大多數(shù)情況下，附加其他綜合安全措施，它目前還是很安全。AES高級加密標(biāo)準(zhǔn)(Rijndael算法)明文分塊和密鑰為可變長，加密的輪數(shù)為可變次，每一輪4步：第一步：使用S盒技術(shù)進(jìn)行字節(jié)替換。

 

第二步移行，第一行不變，其他的行移動可變次數(shù)。第三步混合列。第四步，輪密鑰加法，將密鑰與輸入的字符進(jìn)行字節(jié)異或操作。其中的可變部分由用戶自行確定后，生成的密文更難破譯。

 

此外，網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的防火墻也很重要，防火墻保護(hù)可信任內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)免受不可信網(wǎng)絡(luò)的入侵威脅，能極大地提高政府部門、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的信息安全，同時允許信任的雙方通信，并通過過濾不安全的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)而降低風(fēng)險。

 

ZigBee無線網(wǎng)的接入點(diǎn)也必須要有完備的防火墻設(shè)置，采用路由器相互認(rèn)證、地址翻譯等方法，方可有效防止假冒的路由器接入內(nèi)網(wǎng)和非法截取私有敏感數(shù)據(jù)，以確保無線網(wǎng)的信息安全。

 

在以STM32單片機(jī)為節(jié)點(diǎn)的ZigBee無線網(wǎng)，可加載GPS衛(wèi)星定位模塊，將關(guān)鍵的可讀寫的FFD節(jié)點(diǎn)中嵌入GPS模塊并且全部定好位，并將地址上傳到主控機(jī)節(jié)點(diǎn)，而執(zhí)行多跳的RFD節(jié)點(diǎn)不加載GPS模塊，以減少信息安全成本。這樣，凡是不在正確的GPS位置的非法入侵FFD節(jié)點(diǎn)一律無法加入ZigBee網(wǎng)并且會導(dǎo)致啟動入侵報警程序。

 

4 POS系統(tǒng)硬件安全

 

由于是無線網(wǎng)，ZigBee網(wǎng)的安裝和POS機(jī)入網(wǎng)離網(wǎng)非常方便，易于隨身攜帶，比固定POS機(jī)好保管、防盜。在POS機(jī)內(nèi)置高容量緩存，可暫時保存網(wǎng)絡(luò)通信延遲信息。內(nèi)置后備供電池，防止突發(fā)停電。配置后備存儲器，暫時斷網(wǎng)后可脫機(jī)保存消費(fèi)信息。

 

5 結(jié)束語

 

基于ZigBee無線網(wǎng)的POS系統(tǒng)信息安全不僅要有嚴(yán)密的安全算法，健全的軟、硬件和網(wǎng)絡(luò)安全環(huán)境也起了不可替代的作用。此外，無線網(wǎng)信息安全應(yīng)當(dāng)考慮到加解密算法的安全性能、成本和時間的平衡點(diǎn)，尋求安全、低價和快速的實(shí)施方案。有有效的方法就是：首先，身份認(rèn)證采用安全度更高但速度慢的RSA算法，極度敏感數(shù)據(jù)采用加載GPS模塊的STM32單片機(jī)來定位入侵;

 

其次，經(jīng)常大量的數(shù)據(jù)包加密采用安全度較低但速度快的AES算法，并采用低價、高效和低功耗的STM32單片機(jī)為節(jié)點(diǎn)的ZigBee無線網(wǎng)，使用AES協(xié)處理器加速加解密處理;

 

第三，ZigBee無線網(wǎng)組網(wǎng)的FFD節(jié)點(diǎn)加載GPS定位模塊，并登記GPS地址到主控機(jī)，解決ZigBee節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確定位問題，防止非法節(jié)點(diǎn)冒名頂替和準(zhǔn)確定位入侵者。 最后，ZigBee無線網(wǎng)的接入點(diǎn)必須采用防火墻。只有軟硬件互相配合和嚴(yán)格的安全管理，才能保證基于ZigBee無線網(wǎng)的POS系統(tǒng)信息安全萬無一失。