新型無線協(xié)議

孫昌輝　王璐　王宇婷

摘 要：科技的發(fā)展使得人們的生活越來越方便，而毫無疑問，無線的設(shè)備在很多情況下都要比有線的方便得多，這也是為什么WiFi、藍牙、局域網(wǎng)以及互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展得如此迅速。而無線的設(shè)備與設(shè)備之間進行信息交換是需要協(xié)議的，合適的協(xié)議才能使得收發(fā)雙方了解如何發(fā)送或者接收。而ZigBee擁有很多其他協(xié)議所不具備的優(yōu)點，使得其在最近發(fā)展迅速。

關(guān)鍵詞：ZigBee；無線協(xié)議；微控制器

1 ZigBee的由來與發(fā)展

在以往對藍牙技術(shù)的使用過程中，人們發(fā)現(xiàn)了藍牙技術(shù)的許多缺陷。例如，對家庭自動化控制和工業(yè)遙測遙控領(lǐng)域而言，藍牙技術(shù)存在太復雜，功耗大，距離近，組網(wǎng)規(guī)模太小等缺點。而對于工業(yè)自動化，對無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越強烈。而且，要求這種無線傳輸必須是可靠的，并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場的各種電磁干擾，而藍牙傳輸遠遠達不到這種要求。因此，經(jīng)過人們長期努力，ZigBee協(xié)議在2003年正式問世。ZigBee譯為”紫蜂”，是一種新興的短距離無線通信技術(shù)，用于傳感控制應(yīng)用（Sensor and Control）。最早是由IEEE 802.15工作組提出的，后來TG4工作組對其進行了規(guī)范。2000年12月，相關(guān)的小組成立，負責起草IEEE 802.15.4標準。2004年12月，ZigBee1.0標準出臺，之后于2005年9月公布并提供下載。2006年12月，又對ZigBee進行了修改，推出了ZigBee1.1版（又稱ZigBee2006）。2007年TI公司宣布推出ZigBee協(xié)議棧，并于2007年4月提供免費下載版本V1.4.1。ZigBee協(xié)議棧符合ZigBee2006規(guī)范，支持多種平臺，其中包括面向IEEE802.15.4/ZigBee的CC2430片上系統(tǒng)解決方案、基于CC2420收發(fā)器的新平臺以及IT公司的MSP430超低功耗微控制器（MCU）。經(jīng)歷了長期的發(fā)展之后，ZigBee成為了一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站，通訊距離從標準的75m到幾公里，并且還可以支持無限擴展。

2 ZigBee技術(shù)特點

ZigBee采用了碰撞避免機制，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。節(jié)點模塊之間具有自動動態(tài)主網(wǎng)的功能，信息在整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中自動選取路由進行傳輸，同時保證了信息傳輸?shù)目煽啃浴igBee可以支持高達65000個節(jié)點，而且提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用通用的AES-128。由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠電池的電量就可以維持長達數(shù)月的使用時間，這是其他同類產(chǎn)品望塵莫及的。ZigBee模塊的初始成本在1.5～2.5美元左右， 并且ZigBee協(xié)議是免專利費的，而且與移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)不同的是，ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，每個ZigBee“基站”的成本不到1000元人民幣。同時，ZigBee設(shè)備具有無線網(wǎng)絡(luò)自愈能力，ZigBee有組建星、樹和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的能力，因此通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)拓撲能簡單地覆蓋廣闊范圍，有效范圍大，通常ZigBee的有效覆蓋范圍為10m～75m，具體依據(jù)實際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式面定，如果使用延長設(shè)備基本上能夠覆蓋絕大多數(shù)普通家庭或大型的辦公室環(huán)境。

3 與ZigBee相關(guān)的硬件

3.1 MP430

MSP430系列單片機是美國德州儀器（TI）1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集的混合信號處理器。其特別強調(diào)超低功耗，而且采用16位和常用數(shù)發(fā)生器，發(fā)揮了最高的代碼效率，很適合應(yīng)用于用電池供電的長時間工作場合。在這個系列中的大多數(shù)型號都是由一些基本功能模塊按不同的應(yīng)用目標組合而成的。它采用數(shù)字控制振蕩器（DCO），使得從低功耗模式到喚醒模式的轉(zhuǎn)換時間小于6μs。MSP430系列單片機的各系列都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)包括看門狗（WDT）、模擬比較器A、定時器A0（Timer-A0）、定時器A1（Timer-A1）、定時器B0（Timer-B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驅(qū)動器、10位/12位ADC、16位Σ-ΔADC、DMA、I/O端口、基本定時器（Basic Timer）、實時時鐘（RTC）和USB控制器等若干外設(shè)的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復位并報告給用戶；模擬比較器進行模擬電壓的比較，十分常用，配合定時器，可設(shè)計出A/D轉(zhuǎn)換器；16位定時器具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/比較寄存器，可用于記時、時序發(fā)生、PWM、計數(shù)等；有的器件更具有可實現(xiàn)異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便地實現(xiàn)多機通信等應(yīng)用；10/12位硬件A/D轉(zhuǎn)換器能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；實現(xiàn)兩路的12位D/A轉(zhuǎn)換；硬件I2C串行總線接口實現(xiàn)存儲器串行擴展；為了增加數(shù)據(jù)傳輸速度而采用的DMA模塊。MSP430系列單片機的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的設(shè)計提供了很多可供選擇的解決方案。

3.2 CC2520

CC2520是一款優(yōu)秀的ZigBee/IEE802.15.4射頻收發(fā)器，工作于249比頻段，該芯片可以提供最先進的工業(yè)級應(yīng)用，優(yōu)越的鏈路估計。CC2520的關(guān)鍵參數(shù)包括1.8V～3.8V電源電壓，-40～+125℃工作溫度，103dB鏈路預算以及50dB相鄰通道排斥能力等。CC2520還為CC2420RF收發(fā)器提供了方便的升級路徑。此外，C2520提供了廣泛的硬件處理技術(shù)，支持幀處理，數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)傳輸、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)驗證、信道評估、鏈路質(zhì)量指示和幀定時信息這些功能，減輕了主機控制器的負荷。CC2520憑借著其優(yōu)越性使得其專門用于企業(yè)、科學研究所與醫(yī)療部門的2.49Hz成為非正式頻段。

4 ZigBee的安全性

ZigBee對于安全有一些獨特的考慮，這基于其一些主要的特點：設(shè)備簡單、成本低、設(shè)備數(shù)量大，自組織形成網(wǎng)絡(luò)。因此，它不可能使用很復雜的安全機制，通常一個設(shè)備上不同的應(yīng)用之間不會進行邏輯上的安全分離。例如，用防火墻，協(xié)議層之間也不會進行邏輯上的安全分離。因此，誕生一個假設(shè)是同一個設(shè)備上的應(yīng)用之間，每一協(xié)議層之間必須要互相信任。當然，在一些較復雜的設(shè)備可以通過應(yīng)用層的一些客戶端應(yīng)用程序來實現(xiàn)較復雜的安全機制，但底層通用的安全機制一定是要簡單的。而ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量大，在一些場景下設(shè)備可能分散在很多個地方，如在環(huán)境監(jiān)測的時候，大部分設(shè)備散布在室外各處，很難防止部分設(shè)備被破壞、控制或利用，因此一定的防盜措施是需要的。例如，把監(jiān)測設(shè)備鎖到箱子里，使得不能利用個別設(shè)備來影響整個網(wǎng)絡(luò)的安全通信。

參考文獻：

[1] 鐘永鋒，劉永俊. ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京郵電大學出版社，2001.

作者簡介：孫昌輝（1996—），男，遼寧盤錦人，沈陽理工大學。

王璐（1995—），男，山東青島人，沈陽理工大學。

王宇婷（1996—），女，山東陽谷人，沈陽理工大學。