时间：2023-05-30 08:52:42
关键词：ZigBee协议；无线传感器；网络协议
作为互联在形式上面的扩展，其主要发展的主要技术分别是：传感器、嵌入式自动化只能技术、RFID以及纳米技术。而作为物联网当中一项关键性的技术――无线传感器网络，对其的研究已经逐步成为了目前计算机领域当中的一个热点，它不仅在生产生活，还是在医学军事方面的应用都相当的广阔。但是随着计算机技术的快速发展，目前各种无线传感器网络都是如雨后春笋板出现，这样一来就不利于各个网络之间的网节点互联以及网络之间的管理。
ZigBee协议的出现标准的规范了网络直接的节点互联以及网络之间的管理，有效的解决了网络拓展之间存在的问题。
1 无线传感器网络的简介
无线传感器网络（Wireless Sensor Network， WSN）是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域或者是区内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。它综合了网络技术的方方面面，并通过了无线网的传感实现了无处不在的运算理念。图1为无线传感网络的结构示意图。
由于传感器一般情况下都是嵌入到各个电子设备当中，外加监测区域环境往往比较复杂，传感器的网络节点非常多，导致了网络的维护十分麻烦甚至就是不能进行维护。因此，导对于无线传感器的设计要做到网络容量要大，传感器体积小，消耗低等特点，以实现自组网络的动态性，并且还要加强无线传感器的网络安全，在无线信道上分布式的控制传感器所受到的攻击。
2 Zigbee协议概述
Zigbee协议是在无线网基础上延伸出来的一种网络安全协议，Zigbee是一种新兴的无线网络技术，其具有复杂程度低、距离近、功耗低、成本低、低数据速率等特点。其不仅可以适用于各种自动控制以及远程控制当中，还可以嵌入到不同的设备中去，强大了网络的应用。Zigbee的发射速率是10～250KB/s，延时时间在15～30ms之间，通讯的有效范围是10～75m，工作频率是2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），单个的Zigbee可支持255个网络节点插入。
2.1 Zigbee协议栈简介
一个完整的Zigbee协议是从下而上依次由物理层、数据链路层、网络层、应用汇聚层和应用层五个层面组成。其中应用层是面对各种不用应用型业务的最高层用户；应用汇聚层主要的工作是将不用的应用需求反馈到Zigbee网络层上；网络层主要是功能层针对一些网络问题进行MAC、拓扑、安全等等管理；数据链路层又分为LLC和MAC，对输送过来的数据进行一个逻辑的分析建立，以保证数据管理的正常运行。
2.2 Zigbee的网络拓扑结构
Zigbee技术目前支持3中通讯技术的网络拓扑，其中包括星形（Star）、网状（Mesh）和树状（Cluster Tree）。Star网络技术是一种被常用于长期操作当中的网络；Mesh网络则是一种高检测性的网络，其可以通过无线网实现多个数据通道互联的效果，减少故障的发生，提高数据通道的安全性能；Cluster Tree网络是结合了Star网络与Mesh网络两者的优点，所拓扑出来的一种网络模式。
3 Zigbee技术的应用
Zigbee技术的发展应该根据当前网络技术当中所存在问题而进行推广，以弥补其他无线网技术的短距离、传送数据少、传送速率低等缺点，做到低成本、大容量、功耗低、智能化强的特点，以完善传感器领域的空白作用。
Zigbee技术的开发是一项工作较为复杂的技术工程，其涉及到的技术不仅有网络领域当中的传输、射频等技术，还涉及到了底层软件硬件控制等技术。在对Zigbee技术进行无线传感器网络开发时，主要也就考虑到网络的节点以及相适应的功能型软件。目前，在科研人员的努力之下在硬件上已经将Zigbee技术应用到了射频芯片等，这些高科技含量的硬件设施降低了开发者的设计要求，只需要在其中加入一些元件就可以实现应节点的应用，在加上Zigbee相关软件的开发利用，加速了Zigbee系统的设计，已经进一步的简化了用户命令接口，普通的用户只要使用一些简单的命令，就可以实现Zigbee的网络控制。
Zigbee是一项新的无线网络通讯技术，其相应的标准还待于完善，也正是如此Zigbee技术在现实生活中的应用也受到了一定的阻碍。但是不管如何在标准化来临之前，这是一个技术发展的趋势，象征着网线网络时代的真正到来，只有逐步完善无线网络的标准，才可以实现网络无处不在的理想。目前随着Zigbee组织的联盟，更加加速了IT技术的发展，Zigbee技术也会将变得越来越可靠灵活。
[参考文献]
关键词：无线体域网；ZigBee；NS2；时延；丢包率
中图分类号：TP212.9 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）04-0044-03
0 引 言
无线体域网（Wireless Body Area Network，WBAN）又称体域传感网（Body Area Sensor Networks，BASN），它是以人体为中心的通信网络，是由分布于人体表面和人体内部的传感器和组网设备以及与人体有关的网络元素构成[1]。WBAN随着医疗健康领域的飞速发展以及市场的巨大需求，越来越受到学术界和产业界的青睐。
WBAN的业务种类异构，普通业务、紧急业务和按需业务共存，因此其对数据传输技术有着特殊的要求[2，3]。当前WBAN主要采用的传输技术标准有蓝牙、ZigBee、超宽带（UWB）、红外和NFC等。而ZigBee技术相比于其他技术具有低复杂度、低功耗、低成本等优点，因此更加适合应用于WBAN的数据传输[4]。本文将ZigBee协议应用于WBAN，结合经典的AODV协议，构建了WBAN人体模型；进而利用网络主流仿真软件NS2，仿真测试了衡量WBAN的可靠性指标—丢包率和时效性指标—时延，探究了ZigBee协议对WBAN中数据传输的适用性。
1 ZigBee短距离无线通信技术的特点
ZigBee因专著于低成本、低速率等要求，它有如下特点：
（1）廉价，ZigBee协议栈简单，软件实现简练，需要的各项成本小[5]，随着产品产业化的发展，ZigBee通信模块的价格可降至两美元左右；
（2）省电，ZigBee收发信息需要的功率很低，工作周期短，附有休眠模式，所以避免了更换电池和频繁充电；
（3）网络容量大，每个ZigBee网络最多可支持255个设备；
（4）安全，ZigBee有鉴权的能力，保证了用户的私人信息，加强了保密性。此外，ZigBee还有可靠、较大的网络容量等特点，使ZigBee有较好的应用前景和研究价值[6]；
表1给出ZigBee与其他短距离无线通信技术的对比[7，8]。ZigBee与Bluetooth相比协议栈更简单，需要的软硬件资源相对少很多，且可以支持更多的传感器节点，所以ZigBee的成本低，更方便使用；ZigBee和Wi-Fi技术相比较来说，Wi-Fi的应用相对成本高，功耗大，资源要求多；ZigBee和UWB比较来说，后者有较高的通信速率和较大的数据容量，但缺乏统一性的应用标准；ZigBee和NFC对比来看，ZigBee的通信距离远大于后者，且功耗更低。因此从理论上讲，ZigBee协议适合WBAN体征监测信息的数据传输[9]。
2 AODV路由协议
本文依据所建WBAN中数据传输的要求，选择应用AODV（Ad hoc on-demand distance vector routing）路由协议。AODV是一种反应式路由协议，也称为按需路由协议（On-demand Routing Protocol），仅当有数据传输，需要包的传输路径时，才开始进行路由查找。根据国内外学者探究的结果可知，若考虑数据源的数目、模型中节点的可移动性、以及网络负载问题时，按需方式的路由算法相比于其他的算法有着很大的优势[10]。
AODV具体工作机制：当网络中的一个节点准备向网络中的其他节点发送数据信息时，节点先检查本身有没有所要到达目标节点的路由，如果自身没有储存所要到达目标节点的路由，就开始以多播的形式发出RREQ（路由请求）报文。在所发的RREQ报文中详细记录了源节点和目标节点的网络层地址，当邻近节点收到源节点发出的RREQ后，首先进行判断目标节点是否为自己。如果是，则向发起的节点发送RREP（路由回应）；若不是，则在自己的路由表中查找其中是否有到达目标节点的路由，如果有，仍然向源节点单播RREP，同样若没有，则会继续转发接收到的RREQ进行进一步查找。概括来说，在AODV路由情况下，网络中的每一个节点只有在需要进行通信时才会发送路由分组，这样大大减少了路由查找的开销[11]。
因此，AODV作为一种经典的路由协议，对于无线体域网涉及的各个体征信息检测传感节点之间的数据传输来说可以胜任。
3 人体仿真模型的建立
在人身体上的一些关键部位，部署具有特定用途的传感节点，用来实时采集人体的生理信息，在WBAN中，这样的节点称为体征信息检测传感器节点，它们把采集来的身体的生理信息转发给汇聚节点，对于人体来说，汇聚节点可由手机充当。汇聚节点再把接收到的信息通过卫星或局域网络最终传送到专门的部门，以此来实现对人体健康状况的实时监测，同时，也可以在自己的手机上储存身体各项生理指标的正常范围区间，当源节点送来的某项生理值不在正常范围区间内时，便会报警提醒所要检测的主体。上述过程可以通过编写专门的程序来实现，比如当主体的血糖偏低时，手机会自动启动闹铃功能，假设此时铃声设置为A，而当血压偏高时，闹铃将启动铃声B，再进一步，也可以把出现的每种不正常生理状况的应对策略以及注意事项，储存在主体的手机里，在闹铃提示某种状况的同时，及时提供一些可行性建议。
本论文根据在人体范围内构建WBAN的特征：短距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本，选择了ZigBee协议和AODV路由协议来进行无线数据传输。
首先，构建一个网络拓扑结构，考虑模型的现实应用性，仿真以人身高180 cm，并根据所测主要指标的位置以及相对应的比例，设定了十个传感器节点和一个汇聚节点（由手机来担任）的坐标，在仿真中以CBR（Constant Bit Rate）包业务发生器来充当人体传感节点待发送的生理信息，而不涉及具体的信息采集过程以及每个传感节点采集信息的内部数据差别。因此，在程序中设定汇聚节点只接收其他节点转发来的信息，而自己不采集信息。具体模型如图1所示。
图1 无线体域网体征信息检测传感器节点分布图
本模型中所设节点对应的生理参数均为对人体的健康状况非常重要的指标，例如：n10心脏起搏传感器：可以实时采集心脏的跳动情况，并把采集到的信息转化为相应的代码，心脏的工作情况对于人体来说至关重要，有其对于有心脏病的群体来说重要性更加突显；n3 EEG传感器：能感受大脑皮质电位波形并转换成可用输出信号，实时检测大脑皮层的活动情况；n2，n9血压传感器：实时采集人的血压情况，把采集来的血压转化为二进制码，检测血压值的变化，最终防止血压高或者血压低带来人体的危害；n7作为汇聚节点（Sink Node）在此相当于移动通信领域中的基站，保证传感器网络与外部网络进行数据通信。
在人体及人体周围2 m×2 m范围内构建由11个节点组成的无线体域网，接着我们创建了10个UDP并把它们附加到10个传感器节点上，然后为UDP附加1个CBR业务发生器，该发生器可以在业务节点上产生数据包，在n7汇聚节点上，10个传感器节点采用CSMA/CA机制向n7发送CBR包，根据检测的业务信息不同设定包的大小不同，表2所列是体征信息检测传感节点发送CBR包的大小，其发送速率均为250 Kb/s，仿真运行时间为100 s。
4 仿真分析
为了探究ZigBee协议对无线体域网络的适用性，利用网络仿真软件NS2对构建模型进行了仿真，并对主要衡量可靠性指标的丢包率，以及时效性指标时延进行了测量。在仿真结束后，编写丢包率和时延的.awk提取文件，从仿真过后产生的.tr文件中，提取出丢包率和时延信息[12]。.tr文件的数据格式如图2所示。
图2 .tr文件的数据格式图
图2中，数据格式中每一部分的具体内容为：Event分为3种情况s、r、D，分别对应s发送，r接收，D丢包；Time为事件发生时间；Node为处理该事件的节点ID；Layer分为3种情况：RTR路由器Trace，AGTTrace，Mac层；Flags为分隔符；Pkt id为分组ID；Pkt type为分组类型；Pkt size为分组大小；------为分隔符；MAC Layer Info的数据如表3所列；IP Info的数据则如表4所列。
我们从模拟仿真的.tr文件里随机抽取的一条记录如图3所示。
图3 随机抽取的.tr文件的一条记录语句
对上述记录格式进行解释如下：在6.828 477 300 s时，一个ID为7的节点MAC层接收了一个CBR分组，这个分组的UID为42959，长度为32 B，源地址为1：0，目标地址为7：1，分组生存周期为30，源地址到目的节点的跳数为2。
进一步编写“CBR-drop.awk”和“CBR-delay.awk”文件，分别用于从跟踪文件.tr中统计整个网络的CBR包的丢包率和CBR包端到端传输的时延信息。
图4为整个网络的丢包率统计。在仿真运行的100 s内，10个传感节点共向Sink节点发送24 573个CBR数据包，sink节点共接收24 183个CBR数据包，丢包率为0.015 871。
图4 整个网络在仿真过程的丢包率
图5为发包速率为250 Kb/s时的CBR包端到端传输时延统计曲线。从仿真时延图中可以看出，仿真刚开始时，由于WBAN的收发包机制刚刚建立起来，网络整体性能不稳定，导致时延不稳定，上下浮动较大，等到网络整体相对稳定下来后，端到端包的传输时延趋于一个相对稳定值0.2 ms。
5 结 语
本文中，WBAN仿真系统采用了ZigBee无线通信协议和AODV路由协议，在发包速率上限250 Kb/s时，丢包率在2%以下，时延不超过0.3 ms，这样的丢包率和时延值对WBAN系统中进行简单的体征信息数据传输来说，是合理的，即它适用于无线体域网的短距离数据传输。该方法和结论对无线体域网及类似无线通信网络选择短距离通信协议具有积极的参考价值。
图5 CBR数据包端到端传输的平均时延
仿真中设定的10个传感节点所发CBR包的优先级等同，而实际中，根据业务QoS需求数据包的优先级应是不同的。下一步将针对不同的CBR包设定不同的优先级，进一步探讨ZigBee技术在WBAN中的适用性。
参 考 文 献
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文献标识码： A0 引言近几年来，随着无线移动通信技术地迅速发展。从蜂窝移动通信到宽带接入，再到无线局域网，使世界在这张无线的大网中变得越来越小。传统的温度采集系统，节点的连接方式大多数是使用有线连接，但有些情况下，监测点多，布线困难，这适合使用无线的方式进行数据采集和传输。Zigbee是一种低复杂度、低功耗、低速率、低成本的无线通信技术，并且能够自动组网。本文阐述了ZigBee技术与测温技术结合到一起的实验系统。1 ZigBee的协议体系结构
Zigbee技术是一种可靠性高，功耗低的无线通信技术，在zigbee技术中，其体系结构通常由层来量化它的各个简化标准。每一层负责完成所规定的任务，并且向上提供服务。各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务。ZIGBEE技术的体系结构主要由物理（PYH）层，媒体接入控制（MAC）层，网络/安全层以及应用框架层组成，其各层之间分布如图（1）。
图1. zigbee 体系结构1.1
物理层和MAC层IEEE 802.15.4标准定义了两个物理层.分别是868 MHz/915 MHz物理层和2.4 GHz物理层，两个物理层都使用相同的数据帧格式.如图（2）所示：ZIGBEE使用了3个工作频段，每一频段宽度不同，其分配信道的个数也不相同。 Zigbee物理层通过射频固件和射频硬件提供一个从MAC层到物理层无线信道的接口。图2.Zigbee的3个工作频段 MAC层在服务协议汇聚层（SSCS）和物理层之间提供了一个接口。MAC层包括一个管理实体，称为MAC层管理实体（MLME），该实体提供一个服务接口，此接口可调用MAC层管理功能。该管理实体还负责维护MAC层固有的管理对象的数据库。该数据库包含了MAC层的个域网信息数据库（PIB）信息。 1.2
网络层
Zigbee网络层主要功能包括设备连接和断开网络时所采用的机制，以及在帧信息传输过程中所采用的安全性机制。还包括设备之间的路由发现和路由维护和转交，为新加入的设备分配短地址等。Zigbee网络层支持星型，树形和网状型拓扑结构。在星型拓扑结构中，整个网络由一个称为Zigbee协调器的设备来控制。Zigbee协调器负责发起和维持网络正常工作，保持同网络终端设备的通信。2
系统整体结构ZigBee技术是一种基于IEEE802.15.4无线标准而开发的关于组网方面的通信技术。基于ZigBee的测温监测系统实验是由ZigBee通信模块（开发板）、温度传感器和PC机组成。该系统采用星型网络拓扑结构，由一台具有完全功能的设备作为协调器（用开发板代替），多个zigbee开发板（含测温传感器）组成终端节点，其中协调器与P C机相连，终端节点通过数字温度传感器DS18B20检测环境温度，并且通过无线网络将温度信息发送给协调器，协调器收到数据后通过仿真口发送给P C机，从而进行监测。系统总体设计图如图（3）所示。图3.Zigbee系统结构图 3
系统硬件设计3.1
zigbee开发板的硬件结构
CC2530是TI公司针对2.4 GHz ISM频带推出的第二代支持ZigBee/IEEE 802.15.4协议的片上集成芯片。其内部集成了高性能射频收发器、工业标准增强型8051MCU内核、256 KB Flash ROM和8 KB RAM。其主要特性：具有2个USART、8位和16位定时器、看门狗定时器、8路输入可配置的12位ADC、21个GPIO，具备温度感测功能。其硬件设计简单，封装小，功耗低，适合应用于无线传感器网络中。其硬件结构图如图（4）：图4. 硬件结构图主节点是该ZigBee网络的协调器，协调器是一台ZigBee全功能设备（FFD），即ZIGBEE开发板，它承担着对温度采集数据的无线接收以及与PC机用仿真口通信的任务，将温度数据及时上传。3.2
终端节点设计终端节点的主要任务是负责温度采集和数据的无线传输，也由Zigbee的开发板组成，开发板电路中有的温度传感器DSl8B20组成，其硬件结构与主节点相同。
温度传感器DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的应用可组网的数字温度传感器，它采用单总线协议，即与芯片接口仅需占用一个I/O端口，直接将环境温度转化成数字信号，以数字码方式串行输出，从而简化了传感器与微处理器的接口。其电路简单，可广泛应用于温度控制和测量、工作系统及任何热敏感系统中。本系统采用DSl8B20进行温度采集。 4
系统软件设计4.1
温度数据采集的实现DSl8B20的命令是靠严格的通信协议来支撑的。为保证数据可靠地传送，同一时刻单总线上只能有一个控制信号或数据。主机对某一测控对象操作时，一般由以下的操作过程：读取挂在单总线的的所有DSl8B20温度传感器ROM中的编码，当芯片发出此信号后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码相对应的DSl8B20并使之做出响应，发出向内部RAM写上，下限温度数据命令，紧跟该命令后，是传送两字节的数据。最后进行DSl8B20的温度转换。4.2
ZIGBEE无线自组网仿真
【关键词】 无线传输 zigbee 飞思卡尔 集成电路
1 无线传输协议
提起无线传输技术，或许很多人会想到红外（irda）、想到调频（fm），甚至会想到gsm，cdma，bluetooth，这些都是无线技术发展的里程碑，是无线技术发展到成熟，结合实际应运而生的科技产物，并在各自的领域发挥着举足轻重的作用。
随着通信技术和计算机技术的飞速发展，对于短距离无线通信的需求越来越多，各大著名半导体厂商组成各种协议联盟，研发出多种应用于不同领域的短距离传输协议，比如用于超短距离传输大批量数据的uwb（（ultra wideband）），应用于非标准无线射频协议的ant，以及本文要介绍的，应用于低功耗、短距离传输的zigbee协议。
2 协议的发展
zigbee协议是由包括飞思卡尔半导体在内的zigbee联盟制定的无线通信标准，zigbee联盟成员包括飞思卡尔、摩托罗拉、三星等著名半导体厂商。 zigbee联盟的目的是为了在全球统一标准上实现简单可靠、价格低廉、功耗低、无线连接的监测和控制。
zigbee是基于ieee802.15.4标准的低功耗协议。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。zigbee技术也是依靠各个节点去传递信息，zigbee可以组建成大规模的网络，网络节点容量可多达65535个。表1总结了各种常见的协议的特点以及应用领域。从表中可以看到，zigbee的特点是传输距离短、复杂度低、低功耗、低数据速率、低成本、可以组成网络。主要适合用于自动控制和远程控制领域。（表1）
任何协议，任何产品都要有应用才有存在的价值，那么zigbee可以应用到那些领域呢？图1所示，如下场合适合zigbee技术：1）设备成本低、传输数据量小。2）设备体积小，不便放置较大的充电电池或者充电模块。3）没有充足的电源支持，只能使用一次性电池供电。4）需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备非常多，但仅仅用于监控或控制。结合到具体的领域，如工业、农业的自动监测、控制；tv、dvd、cd等个人消费电子的无线遥控；家居自动化、安防、门禁；以及一些pc的设备，如鼠标、键盘；甚至于个人健康的监控、诊断等等。
3 飞思卡尔系列芯片
飞思卡尔半导体一直是业界的领军者。飞思卡尔的zigbee系列产品占全球销售排名第一。mc1319x代表的是第一代zigbee基本协议产品，兼容802.15.4协议。结合实际应用，飞思卡尔又研发了高集成度且低功耗的第二代系统级封装（sip）mc1321x系列产品，在同一个封装内集成了微控制器（mcu）和射频（rf）芯片，这样既减少了产品的尺寸，节省了成本，又也增加了系统的稳定性，增强了抗干扰能力。又相继研发了基于arm7的高度集中的mc1322x系列高端产品。
为满足不断增长的技术需求，飞思卡尔又为zigbee rf4ce消费电子产品推出了mc1323x片上系统（sop）系列产品。由于mc1323x系列具有独特的监测和监控功能组合，它非常适合一般市场应用，如远程控制、电视、机顶盒、便携式血压计、体重计和家用电器等。此外，飞思卡尔还为多个不同的硬件平台提供软件、参考设计以及开发工具箱，用于评估mc1323x片上系统，并允许开发人员选择最能满足他们需求的硬件和软件平台，更好更快的把飞思卡尔的zigbee产品应用到其研发产品中去。
4 zigbee的发展
未来zigbee将紧密结合物联网大概念方向趋势的发展，并在传输层界面上发挥着重要的的角色。在zigbee联盟的推动下，zigbee技术将朝着开发soc，更多规范，结合ipv6，更廉价，更省电，更快速等方向发展。从应用领域和方向方面来看，zigbee也可以扩展到目前的智能手机领域，取代蓝牙、wifi用于短距离数据传输，具有低功耗、低成本的优势。相信随着技术的成熟，协议的改进，zigbee技术会有很好的应用前景。
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【 关键词 】 ZigBee；协议框架；网络设备；技术优势
Research of Wireless Network based on ZigBee
Li Chang-ming
(National Institute of Metrology of Jiangsu Province JiangsuNanjing 210007)
【 Abstract 】 ZigBee technology is a wireless network technology with low-cost, low power, low complexity, low rate and short distance. ZigBee protocol framework is divided into four layers, and it contains a variety of network equipment type.ZigBee has many technical advantages and a wide range of applications areas. With the the improvement of technology and popularity of applications, ZigBee technology has been gradually integrated into every corner of human production and life, and it plays a significant role in promoting the progress of human technology.
【 Keywords 】 zigbee; frotocol framework; network device; technology advantage
0 引言
ZigBee名称起源于蜜蜂通过飞舞来实现与同伴之间的信息交互，ZigBee 技术是一种低成本、低功耗、低复杂度、低速率的近距离双向无线通信技术或无线网络技术。诸多国际知名半导体企业在2001年8月联合成立ZigBee联盟，截止到目前已经超过150多家芯片生产商、无线设备提供商及产品供应商加入了ZigBee联盟，如美国摩托罗拉公司、日本三菱电气公司、荷兰飞利浦半导体公司等。
1 ZigBee协议
IEEE 802.15.4工作组负责制定低速率无线个人局域网标准，定义了物理层协议和介质访问控制层协议。物理层协议规定了网络工作频段以及相应频段上的数据传输率；介质访问控制层协议规定了同一工作区域中的多个 IEEE 802.15.4信号共享空中信道的方式。ZigBee联盟开发了网络层协议与应用层协议。网络层协议提供了能够保证IEEE 802.15.4介质访问控制层的正确运行的函数；ZigBee协议在网络层和应用层中提供了安全服务机制，以增强ZigBee协议的安全服务。
1.1 物理层
物理层提供了介质访问控制层和物理信道的接口，并向介质访问控制层提供数据和管理服务，物理层主要实现无线设备的启动和关闭、信道的选择、链路质量的检测、信道能量的检测、数据的收发以及空闲信道的评估等功能，它是协议栈的底层。
1.2 介质访问控制层
介质访问控制层(MAC)中公共部分的数据服务访问点MCPS-SAP是 MAC 层向网络层提供的数据服务接口。MAC 层管理服务访问点MLME-SAP是 MAC 层向网络层提供的管理服务接口，主要包含设备同步、对信道的访问、PAN信息库维护、在两个对等实体间提供可靠传输链路等。
1.3 网络层
网络层负责实现设备连接和网络连接机制以及以帧传输过程的安全性机制等。网络层还实现了设备的路由发现、路由维护和数据的转发。网络层提供了数据服务实体NLDE和管理服务实体NLME的访问接口，比便应用层调用。网络层数据实体与管理实体负责实现网络信息数据库的管理及维护。
1.4 应用层
应用层包括应用支持子层、应用架构、ZigBee设备对象以及厂商自定义的应用对象。应用框架是应用程序的运行环境，在应用框架中，应用程序通过应用支撑子层的服务访问点来完成数据收发。应用支持子层提供了应用层和网络层之间的接口，由应用支持子层数据APSDE和应用支持子层管理APSME提供数据和管理服务；数据实体和管理实体分别提供相应服务。ZigBee设备对象是应用框架和应用支持子层的中间层，能够为应用框架中的应用对象提供所需的公共接口。
【关键词】ZigBee 多因子 安全认证
1 引言
ZigBee是具有功耗低、成本低、r延短、抗干扰性强的短距离无线通信技术，广泛应用于无线网络领域。但由于网络规模大，数据通信量小，环境安全难于控制。因此，出现了一系列针对ZigBee入网及通信安全的研究，如针对网络安全威胁与攻击、信任机制、节点身份认证[1]等。文献[2]提出的基于信任中心的认证方案，能够解决移动节点问题，但加重了协调器的负担。文献[3]指出适合ZigBee节点身份认证的技术，但其仅适合单播通信节点的认证，在多播通信节点中会使组密钥信息泄露，导致网络不安全；当密钥因子泄露时会导致系统处于不安全状态。
综上所述结合非对称密码体制认证方案以及MAC层协议，提出一种适用于ZigBee网络的“新鲜因子+配置信息+密钥”多因子安全认证方案，设计簇头与控制中心、终端的双向认证流程，保证入网节点的合法性，抵御中间人攻击以及有效降低了协调器的负载，提高了ZigBee网络的综合性能。
2 多因子安全认证机制设计
方案中采用椭圆曲线密码机制。簇头发送入网请求帧，控制中心经认证通过后与簇头建立网络连接。然后，终端节点发送入请求帧，经簇头认证通过后建立整个网络结构。其具体的认证入网流程如下。
CHj在获取到NC的公钥PuKNC后将初始对称密钥keyic、IEEE地址、初始配置时间和网络ID加密发送给NC并且C=（keyic||Ad||Tdata||PANID）。NC计算DeECCk（c）得到keyic、Ad、Tdata和PANID后生成index（i）及Ti将该索引项信息存入控制中心合法节点库中。NC构造m=将发送给CHj。NC生成初始D并将含有该随机数的信标帧M以周期T0广播发送到各节点。CHj接收到NC发送的包含有D的信标帧后利用单向函数变换得到自身硬件信息因子H并保存。NC接收到消息m1检测T3到是否新鲜，检测通过后验证签名的有效性随后查找索引项index（j），利用当前的D计算硬件信息因子H并提取TLi和Tdata与消息m1中的字段匹配，匹配成功时NC获取当前时间戳T4并构造消息m2=向CHj发送消息m3=。CHj提取m3的签名验证字段，验证通过时检测T3T4的合理性然后确定m2来自于NC并更新两者之间的对密钥keyid从而完成CHj与NC的双向认证。
3 测试与分析
为了验证本方案设计的三种协议对入网性能的影响，设置两组对比实验，实验组一协调器与终端里的协议设置为基于Zigbee自身的协议；实验组二协调器与终端的协议设置为本方案设计的通信协议协议。将两组设备分别接入可信路由节点，记录设备入网成功所用的时间。
实验组2认证入网成功所用的平均时间略高于实验组1（相差5ms以内），在用户体验时，时延可以忽略，达到了协调器负载均衡的要求。因此本方案设计的安全协议性能达到了预期要求。可知本方案基于多因子安全认证机制的优点，协调器负载率明显降低，免疫力更强，扩展性更好，具有更高的优越性，相比原有的Zigbee规范中的认证方案，本方案在实现Zigbee节点的认证通信开销很小，同时有效的减小了协调器负载，提高了综合性能。既能在安全方面实现设备之间的安全身份认证，又能在性能上满足用户的响应时间需要。
4 结语
基于ZigBee网络以其低功耗、高安全性、网络节点容量大、低成本等特点必定将受到社会的青睐，本方案针对ZigBee网络缺乏身份认证以及协调器负载过大，从ZigBee网络的路由协议方面入手，结合分簇路由协议，并在深入把握ZigBee协议规范和组网技术的基础上，设计了一种多因子的ZigBee安全认证机制，对簇头与控制中心、簇头与终端节点的双向认证进行了设计。有效解决了ZigBee节点入网认证存在的安全问题，实验测试与分析结果表明系统设计达到预期要求，有效降低了通信开销，使协调器达到负载均衡，同时增强了ZigBee节点安全入网认证的性能。
参考文献
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1 ZigBee技术简述
在无限互联传感技术中，ZigBee技术是一种新型、开放的短距离、低功耗、低速率的无线互联传感技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。这种技术目前只适合应用在一些短距离的无线网络通信等方面。
ZigBee是基于IEEE 802.15.4的远程监控，其中其应用已经渗入到智能家居、智能交通、无线测绘以及医疗等领域，具有较大的发展空间。并在2001年成立了ZigBee联盟，为以后的技术发展提供更广阔的技术指导。
2 ZigBee协议栈体系结构分析
ZigBee协议栈主要有物理层、网络层、链路层以及应用层等组成。一般物理层主要负责最基本的无线通信，经常是由调制和传输以及数据的加密及接收等构成。而链路层主要是提供设备之间的单跳通信和可靠传输以及通信安全。网络层一般主要提供通用的网络层的功能，常见有拓扑结构的搭建和维护、寻址和安全路由等。而应用层一般主要包括应用支持子层和ZigBee设备对象以及各种应用对象。而应用支持子层主要是提供安全与映射管理的服务，ZDO一般主要负责设备的管理，其中包括安全的策略和安全的配置等的管理，并且应用层提供对ZDO和ZigBee应用的服务。
3 ZigBee网络结构分析
在ZigBee的规范定义中，对ZigBee协调器和ZigBee路由器以及ZigBee终端设备进行定义。其中ZigBee协调器主要是负责启动和配置整个网络，一般在一个ZigBee网络中只能允许有一个ZigBee融协调器。而ZigBee路由器它是属于一种支持关联的重要设备，一般一个网络可以有多个ZigBee路由器，它主要是将消息进行转发到其它的设备上，但是其在星型的网络结构中不支持ZigBee路由器，但是ZigBee的终端设备可以进行执行与其相关的基本功能，从而使网络和设备之间的通信。
4 ZigBee技术的应用分析
在无线传感网络技术中，ZigBee技术的发展为短距离的无线通信技术提供革命性的变化，它的低速率和短距离以及传输数据最少的特点，填补了我国自组网的传感器领域应用的空白。下面对当前几中无线互联传感网络技术进行对比分析
我们可以看出，每一种无线通信技术都具有自己的独特优势和发展应用的领域，通过分析可知，ZigBee技术更适合在一些大量的微小传感器之间进行传输通信，是一种新型的无线传感网络技术，在工业、军事、农业、环境以及医疗等领域都有巨大的发展应用价值。
ZigBee技术的发展涉及到的范围比较广泛，常见的有网络传输和射频技术以及底层软硬件控制等技术。一般在应用ZigBee技术来进行实现无线传感器网时，一般需要考虑网络的节点硬件的设计以及实现相应功能中所需要的软件设计。目前，市场上在硬件上的设计主要是应用ZigBee的射频芯片及片上系统，例如，TI公司的CC2420和CC2430以及Ember公司的EM250和260等等，一般这些芯片大大的降低了硬件的设计要求，一般在芯片上加入一些少量的元件就可以实现应用的节点，而对于其软件设计主要是利用ZigBee协议栈，它是ZigBee技术的核心部分，可以实现数据的收发和校验以及各种网络拓扑和路由计算等复杂的功能。随着ZigBee联盟对ZigBee协议栈的逐渐开放，从而降低了软件上的一些限制。
目前ZigBee技术的提供有三种方式：1）利用ZigBee RF+MCU ZigBee协议栈然后在MCU上进行运行的方式，其主要具有超低功耗和较好的无线电性能以及成本低等特点；2）利用集成的MCU和RF收发器以及ZigBee协议栈进行的单芯片集成SOC方式，这种方式具有占位面积小和集成度高以及成本控制地等特点；3）利用ZigBee协处理器和MCU双芯片的组合方式，其方式在用户进行设计和使用的过程中，具有较高的弹性和灵活度，一般不需要牵涉到较多的ZigBee开发技术，经常可以任意进行选择MCU和加速产品。
5 ZigBee技术发展的展望
在无线传感网络技术中，ZigBee技术作为一种新型、开放的无线传感网络技术，由于其具有短距离、低功耗、低速率的优越特性，因此，奠定了其在以后的短距离传输中具有较大的发展优势，但是这种技术只适合短距离的传输，因此，在远距离的传输中还是面临一定的问题。同时这种技术带动了无线传感网络技术的发展，而且解决了一些传统的通信技术不能解决的问题。从其整体性来说，ZigBee技术在以后的发展中还是处于比较有优势的，同时需要技术人员的不断创新和发展，使其在以后的发展中得到更广泛的应用。
6 结束语
综上所述，ZigBee是一种新型、开放的无线通信技术，在一些短距离的传输过程中还是比较有优势的，但是其实现的成本还是相对其他技术的要高。随着国际化组织和ZigBee联盟的推动，相信ZigBee协议的发展会越来越完善，为以后其他的领域应用带来革命性的变化。
参考文献：
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关键词 Arduino；ZigBee；智能网关；智能家居
中国法分类号：TN914 文献标识： A 文章编号：1009-3044（2016）07-0252-03
Design and Implementation of Smart Open-source Gateway based on ZigBee and Arduino
XIAO Zhong-xiang 1，RONG Teng-xue 2，FAN Peng-zhao3
（1.College of Electronic Engineering，Xi'an Shiyou University，Xi'an 710065， China； 2.Quality Supervision and Inspection Center of Petroleum Instruments，Xi'an Shiyou University，Xi'an 710065， China； 3.College of Computer Engineering，Xi'an Shiyou University1， Xi'an 710065， China）
Abstract： With the continuous development of the field of IOT and smart home， it is possible that the use of open-source Arduino platform、ZigBee wireless communication protocol、Android smart terminal and some sensor module to build a interoperability smart home system. Home gateway as the core of smart home network， it not only to achieve communication each devices，but also need to complete each device access to the network，remote monitoring and centralized control. It mainly studied and designed the smart gateway based on ZigBee and open source Arduino，， realizing the true sense of“interoperability，mutual understand and control”in smart home. That provides a strong guarantee for the further development of smart home.
Key words： Arduino； ZigBee； smart gateway； smart home
智能家居概念的起源很早，自智能家居概念的起源非常早，自从康涅狄格州在1984年完成第一座智能大厦后，美国、新加坡、德国、日本等经济发达国家纷纷提出了多种智能方案。并得到广泛应用。早在1998年，比尔盖茨已经为自己建造了一个智能化住宅。初期的智能家居是有线连接的，在一定程度上限制了自身的发展，而且价格不菲，不是普通大众的消费品。无线解决方案带来了家庭自动化的曙光，切断了连线，有利于进一步应用的发展。当前，市场上的智能家居根据使用的不同无线技术主要可分为四种，分别是Wi-Fi、蓝牙、ZigBee和Zwave，这些关键技术可以对智能家居任意远程控制。
ZigBee内置了AES128位的加密算法，从组网规模上看ZigBee具有很强的优势，理论上节点数多达65000. 2.4GHZ的频段是最常用的，主要应用于科学、医疗和工业上，ZigBee应用协议也应用在该频段上。在智能家居中， ZigBee自身已经具备完整路由的功能，增强了穿透能力。Arduino采用电子积木的方式开发，为多种传感器原型的制作提供了有利条件，使得终端设备和各种传感器接入标准不一致的问题迎刃而解，而且Android则提供了良好的人机界面。ZigBee、Arduino及Android结合起来为智能家居应用的开发创造了无限可能，对智慧家庭、物联网的发展会起到很大的推动作用。该文将结合这几种技术设计一个智能家居的智能网关。
1 关键技术
1.1 ZigBee无线传感技术
ZigBee无线传感技术是一种双向通信技术，主要具有距离短、功耗低、复杂度低、速率低和成本低的特点。在短距离、功耗低以及传输速率要求低的设备间应用于传输数据，还应用于传输规范的间歇性数据和周期性数据。
ZigBee技术的安全性是有保证的，到目前为止还没有一个被破获的案例。对其系统性的设计直接影响安全性：使用AES高级加密系统，保密程度等同于银行卡加密技术的12倍；其次，在组网方面ZigBee采用蜂窝的结构，所有设备与网关关的通信是多方向的，有较高的网络稳定性；此外，ZigBee网络理论节点数多达65300个，能够覆盖智能小区和楼宇等，足以满足智能家居网络的使用需求；最后，ZigBee的通信是双向的，设备既可以接收到命令，而且可以反馈其执行情况，对用户体验的意义很大，尤其体现在安全设备上。另外，ZigBee相关设计功耗较低，能够用电池充分供电，电池使用年限较长，可以达到节约能源和环保的目的。
1.2 Arduino开源平台
Arduino是源自意大利的开源电子硬件项目的一个开源电子原型制作平台，它包括一个具备简单I/O功效的电路板和一个开源的软件开发环境，既可以独立运行，又具备互动性。使用者能够应用相对简单的程序对Arduino电路板进行操控，结合各类传感器和功能模块，实现丰富的感知、识别、处理等功能。Arduino开源易用的特点为智能产品的原型设计提供了很好的平台，随着用户和周边产品的增多，Arduino已经形成了一个开源的生态系统，其丰富的软硬件资源能够满足绝大多数智能产品原型设计的需要。
然而，Arduino并不是专门针对智能产品原型设计而开发的，在面对数量庞大的可用资源时，使用者很有可能感到迷惑和不知所措。因此，对智能产品原型设计进行深入的研究，并有针对性地将Arduino及其生态系统的优势融入其中，对于提高智能产品原型在智能产品设计中的作用有重要的意义。
2 智能网关的硬件设计
2.1 智能网关硬件结构
在智能家居系统中智能网关具有非常重要的作用，也是家庭外部通讯网络和家庭内部控制网络之间的桥梁，起到了很好的连接作用。智能网关的总体硬件结构设计如图1所示，其包含的模块主要有Arduino核心控制模块、储存系统人机交互模块、网络模块、电源模块、通信网络模块和扩展接口等。
如硬件结构图所示，含W5100的Arduino模块作为主要的核心模块[2]，以Arduino模块为核心拓展开的其他硬件模块通过串口、USB接口等串行总线与其通信，达到协同工作的目的。W5100是一款多功能的单片网络接口芯片，嵌入式设备可以在占用较低系统资源的条件下快速完成网络通讯。集成了TCP/IP协议栈，以太网的MAC和PHY的三种功能，可以满足各种单片机在没有操作系统的支持下接入网络，操作简单、可靠。ZigBee模块的主要功能是提供家居网关与家居内部ZigBee网络交互的通信接口，客户可以通过家居网关平台接入家居内部的ZigBee网络，并对具有ZigBee节点的家电设备进行监控。设备和扩展模块主要完成设备地址译码和外部通信的任务，并预留接口。
2.2 ZigBee通信模块电路设计
ZigBee通信模块起着举足轻重的作用，是组建家庭内网的基本单元，其主要作用是把家庭内网与互联网连接起来，最终实现数据的转发。CC2530的8051内核经过特殊设计，可以与ZigBee无线电路协同工作[3]，其工作频段在2.4GHZ。核心硬件CC2530拥有极高的集成度，因此外接的必要原件比较少。一般只需一个晶振就能满足无线收发和组网要求。本系统设计的ZigBee通信模块硬件原理图如图2所示。
3 智能网关软件设计
3.1智能网关系统架构
按照该系统的设计需求，本网关既要运行TCP/IP协议，又要运行ZigBee协议[4]。如图3所示为智能网关的软件架构。软件设计采用分层化的模块结构，每一层模块都有其独立的功能，通过接口函数为每一层模块的上层提供服务[5]。在架构图中，最底层的是硬件驱动模块，主要是在网关上ZigBee和Arduino所有硬件的驱动程序。在HAL层之上是硬件抽象层，硬件抽象层之上是Arduino核心处理系统，在这之上的是TCP/IP协议栈和ZigBee协议栈。顶层是智能网关架构要实现的应用层，实现人机交互[6]。
3.2 软件系统应用程序设计
ZigBee协议栈是在OSAL操作系统上运行的，OSAL基于任务的调度机制，通过触发相关任务的事件触来应对一个事件号。如图4所示是协议栈流程图。当某一个事件发生时，比如按键，这将会调用按键的响应函数，通过响应函数生成一个任务，再通过这个任务来发送osal_msg_send函数，发送消息处理循环，并注册事件，等待处理[7]。在应用层，事件被其处理函数检测到后，将会调用相应的处理函数。
系统中Arduino主板含有W5100，集成了TCP/IP开源的协议栈LwIP，安装好驱动以后要将LwIP移植到Z-Stack上，LwIP协议栈的所有TCP/IP协议都在一个进程当中。如图5所示为Arduino主板的程序流程图。其中ZigBee终端设备（ZDO）的主要工作是接收网络协调器发来的控制命令，如家电的各种开关操作等，再通过协调器查看家电设备的运行情况。
终端设备有休眠和唤醒两种状态，但大多数处在休眠状态，当有新的任务执行时，就将其唤醒，任务执行完毕后则再次进入休眠的状态。如图6所示位设备终端的主流程图。
4 智能网关测试
家居智能网关系统启动后加入内部网络的方式主要有协调器和路由器两种，通过TCP/IP协议与网络相连。用户在终端设备上通过WWW浏览器就能轻松地实现各种家庭智能应用，主要包括家电的管理，对其进行智能化的监控等[9]。
网关测试主要分三步进行，首先是安装CP2102驱动，一一对应连接好CP2102与Arduino主板，通过USB给其供电，接下来给Arduino主板下载程序，代码刷好以后，插上网线，打开串口测试联网是否成功。然后将ZigBee模块插到ZigBee开发板上，搭建IAR环境，连接下载器并安装好驱动，编译并下载ZigBee自组网代码[8]。成功后再给ZigBee开发板的P1.0接一个LED。最后把ZigBee开发板插入Arduino板对应的管脚，通过手机控制端来测试[9]。手机打开，新建一个开关，点击开关，LED灯闪烁，网关正常，接下来就可以组网，实现下一步的智能控制。
5 结束语
目前，智能家居系统的实现方案和功能有很多，但它们过于复杂和封闭。本文主要基于无线传感技术ZigBee和开源平台Arduino对家居的智能网关进行了需求分析，进而完成软硬件的设计和实现工作。在功能测试和通信距离的测试方面，将智能网关应用到实际的家庭环境中，并对测试结果进行分析，为今后更方便快捷的设计提供依据。由于设计时间段，再结合现有的技术，目前只是设计了系统的雏形，接下来应该继续进行相关研究，结合嵌入式相关技术，实现网关的真正智能化，并增加系统的稳定性。
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[关键词]ZigBee；单井自动化系统；低功耗；终端；路由；协调者
中图分类号：TE93
文献标识码：A
文章编号：1006-0278（2013）08-189-01
一、概述
传统的近距离无线数据通讯设备主要有蓝牙、WiFi和无线数传电台等，以上无线数据通讯设备为追求通讯距离和信号发射强度，在低功耗方面的指标均不尽人意，导致它们在低功耗设备上的应用极为有限。而ZigBee技术较好的解决了以上问题，使得ZigBee技术在工控场合得到广泛应用。
油井单井自动化系统结构、功能较复杂，系统内部各单元之间均采用有线方式进行数据通讯。特别是油井现场无供电条件，存在易爆气体环境，各种传感器不能采用有线供电和通讯的方案，现场施工成本高、维护困难。
二、ZigBee无线通讯技术研究
（一）ZigBee简介
ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据这个协议规定的是一种短距离、低功耗的无线通信技术。它具有低功耗、低成本、低速率、近距离等特点，主要适用于自动控制和无线远程控制领域，可以嵌入各种设备。
（二）ZigBee的特点
ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz、868MHz和915MHz 3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点：
1 低功耗：在低功耗待机模式下，干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。
2 低成本：通过简化协议，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32kB代码，子功能节点少至4kB代码即可。
3 低速率：ZigBee工作在250kbps的通讯速率，满足低速率传输数据的应用需求。
4 近距离：传输范围一般介于（10～100）m之间，在选择发射功率型后，亦可增加到1600m。
5 短时延：ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。
6 高容量：ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点。
（三）ZigBee工作模式
ZigBee模块具有三种工作模式，分别是协调者、路由器和终端。协调者功能是建立Zigbee网络；路由器可向协调者路由传输终端的数据，也可发送自身设备的数据；终端可具有低功耗模式，一般用于传感器。
三、YJK-3单井自动化系统设计
（一）系统简介
单井自动化系统是油井多参数自动采集及分析、控制的高智能化系统。系统设备有：油井RTU、载荷传感器、位移传感器、电量变送器、压力变送器、温度变送器、流量计等。
（二）ZigBee系统网络拓扑图
ZigBee模块支持802.15.4和ZigBee标准协议，可以实现若干类型的网络配置：点到多点（星形）网络、树形网络和网状网络。
至于应选择哪一种网络？或者ZigBee模块能够组成什么网络？我们将ZigBee模块在应用到单井自动化系统时，跟据单井自动化系统的特点，和DiGi公司的ZigBee模块的自身性能，我们选择了树形网络。
在ZigBee网络中协调器（RTU）必须选择一个局域网络ID和通讯信道，来启动这个网络。协调器（RTU）和路由器（电量变送器）都能够让终端设备（各类传感器）加入这个网络里，并且路由网络数据。
终端设备加入网络后，它才能够通过协调器或路由器发送或接收RF数据，此时允许它加入网络的协调器或路由器就变成了它的父节点。因为终端设备能够休眠，父节点必须要缓冲、保持要发送到终端设备的数据包，直到终端设备能够被唤醒，可以接收数据为止。
（三）系统工作流程
终端工作方式的ZigBee模块能够进入低功耗工作模式，且唤醒与休眠的占空比可通过AT命令设置，在本方案中采用唤醒与休眠的时间比为0.025：5的方式工作，模块上电加入网络后，不断地处于唤醒与休眠的状态中工作。
具有低功耗模式的传感器（终端）大部分时间是处于休眠态（低功耗模式，自身的休眠电流由所采用的CPU系统决定），当接收到协调者（井场RTU）的唤醒命令后，设备开始正常工作。
路由器（如电量变送器）长期供电，是不具备低功耗工作模式的，因此没有特定的工作时序。路由器使用的固件类型为ZIGBEE ROUTER API遵循应用程序接口通讯协议，默认与协调者（RTU）之间通讯，通讯模式与数据包大小和终端相同。
协调者（RTU）作为单井自动化系统的集中控制节点必须长期供电，也是不具备低功耗工作模式的。协调者使用的固件类型为ZIGBEE COODINATOR API，遵循应用程序接口通讯协议，它与终端、路由器之间通讯，必须采用命令帧的方式进行通讯，数据包大小和终端、路由器相同。
四、应用效果
用ZigBee模块替代以前的有线式通讯后，单井自动化系统内各低功耗测试单元工作模式由定时主动查询模式变为被动唤醒接收模式。各低功耗测试单元CPU系统长时间处于低功耗模式，使单元平均功耗得到大幅度降低。避免在油田现场挖沟布线，大大降低了油田建设成本。
关键词：无线传感网络 IEEE802.15.4 ZigBee 传感器
中图分类号：TN929.5；TP212.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）03-0029-02
1 ZigBee技术简介
ZigBee取名主要蜜蜂采蜜是的飞舞动作，看起来像ZigZag，蜜蜂用它来进行交流，用以获取食物距离、方向、位置等信息。再加上蜜蜂身体小，飞行所需要的能量少，所以，我们把成本低、体积小、能量消耗小和传输速度低的无线通信技术命名为ZigBee技术。
ZigBee协议简单，技术实现对系统要求低，ZigBee工作在的2.4GHz（全球流行）频段、868MHz（欧洲流行）频段和915 MHz（美国流行）3个频段上，最高传输速率分别为250Kbit/s、20Kbit/s和40Kbit/s，能达到10-75m的传输距离。其特点包括成本低、功耗低、通信延时时间很短、网络容量大、数据传输安全性高、网络可靠性高、网络自组织性强等。传感器节点耗电量小，通过无线通信方传输传感器采集数据，和其它短距离无线网络技术比较，它以其在低成本、高安全性、高可靠性等方面，在WSN应用中ZigBee技术有着很广阔的应用领域。
ZigBee技术的应用范围是非常广泛，发展前途十分看好。在未来一段时间里面，该技术将在汽车自动化、工业控制、楼宇自动化、工业无线定位、消费电子、家庭网络、医用设备等多个领域得到全面的应用。
2 ZigBee网络拓扑
ZigBee技术是ZigBee联盟基于IEEE802.15.4物理层和媒体访问控制层基础上制定的WPAN 技术标准。在ZigBee网络中，ZigBee以一个个独立的ZigBee节点为依托，每个ZigBee节点分为半功能设备（RFD）和全功能设备（FFD），半功能设备（RFD）功能有限， 主要应用在一些功能要求不高，数据量传输少的应用场合，一般作为网络数据采集通信终端。而全功能设备（FFD）负责和它连接ZigBee节点进行数据通信、数据汇集和下达控制命令，或者进行路由，在ZigBee网络中一般充当网络管理的较色。
图1是IEEE802.15.4给出的网络中各种设备的类型以及它们在网络中所处的地位。
依据ZigBee网络中设备功能的区别，一般分为ZigBee协调器、路由器和网络通信数据终端设备。ZigBee网络的中心节点是协调器，一个ZigBee网络只有一个协调器，协调器本身也具备系统的直接应用功能，同时还具备管理其它ZigBee网络的身份认证、链路状态信息以及数据分组转发等。路由器是FFD设备，它的作用是发送信标提供网络同步服务[4]，路由器主要负责找寻、建立以及修复网络报文，协调器是一种特殊的路由器。网络终端设备可以是FFD也可以是RFD，根据自身的通信需求来定。
ZigBee网络拓扑结构可以分为星形网络、网状网络和簇状网络3种拓扑结构，如图2所示。
3 系统设计总体方案
3.1 系统设计总体思路
基于ZigBee无线单片机CC2530传感器模块组成的无线传感网络多点数据采集系统主要由若干个ZigBee技术的无线传感器数据采集节点和嵌入式Web服务器组成，系统结构如图3所示。本系统设计采用ARM结构的32位嵌入式处理器S3C2440和Linux系统设计的嵌入式服务器，整个系统完成了基于ZigBee协议的无线传感器网络的数据采集系统总体硬件软件架构的搭建，并以温湿度数据采集为例，实现了数据采集的基本功能及Internet远程访问。
系统设计结构简述如下：
（1）系统最底层的无线传感器数据采集节点负责对温湿度数据的实时采集，通过ZigBee无线网络传给ZigBee协调器或路由器。ZigBee协调器或路由器收到数据后，转发给嵌入式Web服务器。
（2）嵌入式Web服务器是的主要功能是ZigBee无线传感器网络和Internet之间的网关模块，实现了系统采集数据资源共享。
（3）因特网上的电脑，可随时通过互联网访问嵌入式Web服务器，实时远程监控系统采集数据，进行数据处理和远程控制。
3.2 协调器、路由器节点设计
系统采用的ZigBee无线传感网络协调器、路由器节点硬件结构如图4所示。协调器节点主要负责ZigBee无线传感网络维护，采集数据的向上传输，网络控制命令的下传和管理等主要功能，由于协调器监控数据采集节点很多，需要长时间监控，所以自身能耗较高，因此协调器一般需要容量较大的电池或者具备外接电源供电。由于数据采集终端节点设计要求具有体积小、功耗低、结构简单、成本低、覆盖范围小等特点，其使用范围将受到很大的限制，为延伸ZigBee无线传感网络的采集范围，采用路由器节点，并且为了实现较远距离的数据传输。
ZigBee协调器主要任务是初始化及维护整个ZigBee网络，加入到此ZigBee网络的设备必须得到协调器的批准。协调器是全功能设备FFD，一般具有稳定的直接供电电源，不必过多考虑电源功耗。在ZigBee网络中，第一个启动的设备是协调器。FFD设备在启动后是否作为协调器，取决于如果区域内已经存在ZigBee协调器，它就作为终端设备；如果区域内没有协调，它就成为协调器。
3.3 数据采集节点设计
在实际应用中，因为传感器数据采集节点需要长时间运行，使得节点硬件结构要简单才能减少能量功耗。因此总体上看除了CC2530片上系统是主要的能量消耗者，其余电路能量消耗基本可以忽略，整个系统十分省电，可以满足长时间运行的需要。ZigBee数据采集节点使用SHT10温湿度传感器。通过CC2530的I/O口仿真SHT10要求的串行接口时序，以读出SHT10温湿度传感器采集的当前的温度和湿度值。
作为ZigBee网络终端设备（数据采集节点）的一般是RFD简化功能设备。为减少耗电量，RFD终端设备根据情况可转入休眠状态，延长电源供电时间。传感器数据采集节点的工作流程如图5所示。
通过以设定的时间间隔，循环采集温湿度传感器的温度和湿度，并通过串口，在串口调试助手中显示出来。
（1） 函数void Sensor_PIN_INT（void）：读写温湿度传感器时，对相应的I/O口进行配置。（2）函数uint16 ReadAdcValue（uint8 ChannelNum，uint8 DecimationRate，uint8 RefVoltage）
每10秒发送一次采集的温湿度值。MyTempHumReportperiod
=10000；//每隔10秒向采集节点发送一次温湿度值。运行通过串口调试助手观察温湿度传感器采集数据。
4 结语
本系统是基于ZigBee协议的低速网络数据采集无线传感网络数据采集系统的研究与实现，完成了ZigBee无线节点（传感器数据采集节点、协调器节点、路由器节点）软硬件系统设计和实现，实现基于ZigBee无线数据通信技术的数据传输，结果证明采集数据准确稳定。ZigBee无线传感器数据采集节点降低了通信成本，增强了传感器网络的灵活性，应用前景非常广泛。
参考文献
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[关键词]ZigBee POS 信息安全
中图分类号：X913.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0080-02
ZigBee技术在WSN（无线传感器网络）和物联网应用的提出已经有很多年了，并且ZigBee在智能化信息管理、电子收费系统、自动化控制监测和军用智能无人机器方面有广阔的市场前景。WSN网络和物联网通信技术的不成熟、软硬件标准的不统一，信息安全方面特别是信息安全技术的敏感性和各个研发单位的安全技术保密的不成熟，而ZigBee网具有很强的安全、稳定性能，可以有效的解决这一难题。由于ZigBee无线网应用极其广泛，选取POS收费系统应用作为具体研究对象，而且将ZigBee技术应用在POS收费系统上本身也是个研究前沿。所以，对确立在STM32单片机基础上，基于ZigBee无线网络的POS机信息安全问题进行整体的初步探讨，以期起到抛砖引玉的作用。
1 基于ZigBee无线网的POS系统信息安全环境
1.1 ZigBee网POS系统环境配置
具有安全特性的高性能、低功耗、自组网的ZigBee组网是当今WSN和物联网RFID技术组合的主流高新技术之一，相比蓝牙、Wi-Fi和GPRS，ZigBee组网更具有特别的安全性；而STM32单片机高效能、高可靠、低成本和技术成熟，还可以实现51单片机不能完成的复杂功能用途，是很有发展前途的一款单片机。因此，STM32单片机是安全、稳定的ZigBee组网节点的恰当选择。μC/OSⅡ操作系统具有执行效率高、空间占用小、多任务、可扩展能力强和稳定可靠的特点，符合WSN的信息安全稳定工作要求。建立在STM32单片机、ZigBee组网和μC/OSⅡ操作系统基础上的软硬件系统是建立低成本、高可靠、高安全的无线网的必要条件。将无线网络信息安全建立在使用STM32单片机、基于ZigBee组网和μC/OSⅡ等实时操作系统上的POS系统环境，相比建立在基于51单片机裸机上的ZigBee组网的POS系统环境，安全度更高更可靠。
1.2 ZigBee无线网的安全特性
ZigBee无线网是一种短距离、低功耗、自组网和高安全性的高新无线通信网络，由一个高性能的FFD（全功能节点）和多个的RFD（精简功能节点）组成PAN（私人用局域网）。只能有FFD建立PAN网，由多个PAN网建立整个ZigBee组网。万一有FFD被击毁，可以由临近有效范围的FFD自动重新组网；当孤立的RFD不在FFD范围内，可以通过其他附近的FFD加入PAN网，灵活性和稳定性很高。由于ZigBee无线网的有群集性多跳性，定位节点位置是技术难题，就需要再组合GPS应用模块进行补充，
1.3 ZigBee无线网安全的关键技术
ZigBee的无线通信安全的关键是通信协议，ZigBee协议规范提供了信任中心、网络层安全和APS层安全，不提供链路层安全。ZigBee遵守IEEE802.15.4协议，并可以在简单的IEEE802.15.4协议基础上开发简单的WSN应用协议，用于建立小规模简易局域网如星型网。甚至在此基础上自行开发大规模复杂的协议栈，比如用于智能家居自动监控系统的Mesh网。还可以创新多种功能的应用程序和系统软件。我们甚至可以把开发出来的有安全保护的协议栈固化到芯片中去，使用AES协处理器实现信息的硬件加密加速的功能，而我们的软件只需要设计一个自己的API接口就行。
1.4 ZigBee无线网的POS系统信息安全架构
针对ZigBee组网的POS系统信息安全问题，从上层到底层可分为：操作安全、网络安全、软件算法安全、底层硬件安全。操作安全要求有一套严格的操作规章制度，禁止未授权人非法使用、越权使用。网络安全要求网路的安全，包括接入点安全和网络协议族安全。软件算法安全最重要也很复杂，包括各种加解密算法安全、电子签名和身份认证。底层硬件安全包括、POS机安全和意外安全。
2 基于ZigBee无线网的POS系统软件算法安全及算法比较
身份认证可以使用不对称加密算法和对称加密算法，一般应使用不对称加密的RAS算法。使用预定好的密钥进行身份认证，身份认证成功后，对存储器的任何操作都是加密的。身份认证共有三轮，如图，流程为： 第一轮：a） 读写器指定要访问的存储区，并选择预定密钥A 或B。b） 射频卡从位块读取密钥和访问条件。然后，射频卡向读写器发送随机数。第二轮：c） 读写器利用密钥和随机数计算回应值。回应值连同读写器的随机数，发送给射频卡。d） 射频卡通过与自己的随机数比较，验证读写器的回应值，再计算回应值并发送。第三轮：读写器通过比较，验证射频卡的回应值，正确后才能对卡进行读写操作。这样认证加密后，就有效的保护了个人隐私。身份认证成功后，读写器/芯片指定后续读取的存储器位置，数据加密采用TEA、DES、AES等。为保证终端设备的安全，必须一卡一码，并且每次只能对一张卡操作。认证完成后才能进行卡的读写操作，每次只能有一张卡选中，获得认证后进行读写操作，其他的卡则进入休眠态，以保证不会出现由串卡现象引起的误操作。射频卡读写器的安全软件由生产商配备，并且通常要固化到硬件。
RSA算法的难度在于如何产生密钥对，RSA生成公钥的方法：任意选两个大素数M、N，选择一个加密密钥E，使E不是（M-1）和（N-1）的因子；
生成私钥D的公式：（D*E）MOD（P-1）*（Q-1）=1；
用公钥E加密公式：CT=PTEMOD（M*N）；
用私钥D解密公式：PT=CTDMOD（M*N）。
在ZigBee网中，对于敏感性信息的安全保护没有太高要求的应用领域，在32位CPU或MPU处理器主频80Mhz情况下，使用对称加密方法的DES，加解密的速度为26.75Mbyte/s， 加解密的速度水平较高。如强化安全性能可以升级为更先进对称加密方法的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网中，对于敏感性信息的安全保护有很高要求的领域，特别是在财务、金融和军用领域，必须要保证身份认证和数据信息的绝对安全。所以，算法必须使用复杂加密方法RSA，并配合数字签名。在32位CPU或MPU处理器主频80MHz情况下，1M的 RSA 签名次数 32 次/秒，认证次数 32 次/秒，正所谓慢工出细活。RSA使用公钥密钥对机制，再配合数字认证可避免中间人攻击，这对于开放性更强的无线网络尤为重要。如果采用对称密钥算法，密钥容易被入侵者截获，对收发双方进行欺骗并非法获利。并且RSA伸缩性更好，所需密钥数与消息交换参与者个数相等。而对称加密算法容易受到中间人攻击，密码会被盗用；并且一旦网络规模加大，密钥对的数目的需求成指数级别增长，是消息交换参与者个数的平方，在密钥发放过程中很容易泄密。因此，身份认证应采用安全度更高但速度慢的RSA；经常大量的数据包加密采用速度快的DES或AES，并可用ZigBee节点自带的AES协处理器进行硬件加速。若要进一步加速数据包加解密速度，可以将主节点与上位机的串行数据接口改为高速的USB接口，就可加快加解密速度。以下简述AES的应用程序设计。
3 POS系统的ZigBee网络安全
在TCP/IP各层数据安全中，ZigBee的网络数据信息安全的数据安全主要特点有：非法网络节点的过滤和无线网信息加密，可有效避免网络的非法入侵。通过IEEE802.15.4协议栈的应用库，例如如在基于MAC协议栈的MAC库API上，通过建立PAN网，每个PAN都有独有的PAN地址ID，这样就可通过PAN网ID和节点ID过滤来区分ZigBee网节点的合法性。在发送和接收数据包过程中，通过AES算法来加密来实现数据的信息安全。
据最新报道，AES加密算法已被国外顶尖专家破解，但是也不必惊慌，对于绝大多数情况下，附加其他综合安全措施，它目前还是很安全。AES高级加密标准（Rijndael算法）明文分块和密钥为可变长，加密的轮数为可变次，每一轮4步：第一步：使用S盒技术进行字节替换。第二步移行，第一行不变，其他的行移动可变次数。第三步混合列。第四步，轮密钥加法，将密钥与输入的字符进行字节异或操作。其中的可变部分由用户自行确定后，生成的密文更难破译。
此外，网络接入点的防火墙也很重要，防火墙保护可信任内部网络免受不可信网络的入侵威胁，能极大地提高政府部门、企业内部网络的信息安全，同时允许信任的双方通信，并通过过滤不安全的网络服务而降低风险。ZigBee无线网的接入点也必须要有完备的防火墙设置，采用路由器相互认证、地址翻译等方法，方可有效防止假冒的路由器接入内网和非法截取私有敏感数据，以确保无线网的信息安全。
在以STM32单片机为节点的ZigBee无线网，可加载GPS卫星定位模块，将关键的可读写的FFD节点中嵌入GPS模块并且全部定好位，并将地址上传到主控机节点，而执行多跳的RFD节点不加载GPS模块，以减少信息安全成本。这样，凡是不在正确的GPS位置的非法入侵FFD节点一律无法加入ZigBee网并且会导致启动入侵报警程序。
4 POS系统硬件安全
由于是无线网，ZigBee网的安装和POS机入网离网非常方便，易于随身携带，比固定POS机好保管、防盗。在POS机内置高容量缓存，可暂时保存网络通信延迟信息。内置后备供电池，防止突发停电。配置后备存储器，暂时断网后可脱机保存消费信息。
5 结束语
基于ZigBee无线网的POS系统信息安全不仅要有严密的安全算法，健全的软、硬件和网络安全环境也起了不可替代的作用。此外，无线网信息安全应当考虑到加解密算法的安全性能、成本和时间的平衡点，寻求安全、低价和快速的实施方案。有有效的方法就是：首先，身份认证采用安全度更高但速度慢的RSA算法，极度敏感数据采用加载GPS模块的STM32单片机来定位入侵；其次，经常大量的数据包加密采用安全度较低但速度快的AES算法，并采用低价、高效和低功耗的STM32单片机为节点的ZigBee无线网，使用AES协处理器加速加解密处理；第三，ZigBee无线网组网的FFD节点加载GPS定位模块，并登记GPS地址到主控机，解决ZigBee节点的准确定位问题，防止非法节点冒名顶替和准确定位入侵者。 最后，ZigBee无线网的接入点必须采用防火墙。只有软硬件互相配合和严格的安全管理，才能保证基于ZigBee无线网的POS系统信息安全万无一失。
参考文献
[1] 杨宗德，张兵 μC/OS-Ⅱ标准教程 人民邮电出版社2009.5： 5-6.
[2] Klaus Finkenzeller RFID-Handbuch 电子工业出版社2006.10：218-228.
传统的城市自来水控制系统是采用压力控制，对于一些楼层高的用户来说，水压低和断水影响了人们的日常生活，用水量的变化使得传统的自来水控制系统一直保持高水位状态，浪费一定的水资源。最近几年，无线通信技术很快的发展起来，应用到生活的方方面面，其中以其连接方便、自组网、功耗低、投资低等特点，是实现智能自来水控制系统的理想选择。针对城市自来水控制系统引起的水资源浪费问题，提出一种基于GPRS模块的远程自来水控制系统；针对传统自来水系统的不稳定、可扩展性差、能耗高等特点，提出基于Zigbee无线传感器网络技术的智能自来水控制系统。合理优化的控制结构能节约能耗，分布式控制系统采用分级递阶的体系结构，能够使整个系统在优化的环境下运行。针对现有自来水控制系统存在的问题，本文开发了一种基于无线通信系统的自来水远程分布式智能控制系统。该系统安全可靠、能耗低、可扩展性强、易于控制。智能控制终端用Zigbee组网实现对自来水压力的分布式智能控制，GPRS模块和网络通信结合，通过远程控制中心的上位机连接网络实现远程控制。
1硬件结构
本文提出的无线通信系统的自来水远程分布式智能控制系统主要包括：远程控制系统、GPRS/Zigbee通信传输系统、终端控制系统3个部分组成。远程控制中心通过上位机软件系统对自来水系统进行远程控制；GPRS/Zigbee通信系统主要包括GPRS传输模块、Zigbee协调器等组成；终端控制系统包括无线模块、调节水压模块等组成，无线模块是控制终端的核心，由其产生PWM脉冲信号，控制调节自来水的水位。采用GPRS和Zigbee无线组网方式实现自来水水压的远程控制，体现了GPRS网络传输距离远、传输速率快的优点和Zigbee自组网、时延短、容量大的特点，控制方便、系统扩展性强，降低成本投入，很适合自来水远程智能控制。GPRS模块能稳定可靠的控制整个系统，通过它实现GPRS和RS232串口之间的数据远程传输，主要包括MD251模块、SIMSOCKET模块、电源模块等，MD251是核心，它是可编程GSM/GPRS模块，该模块支持GPRS数据通信、SMS控制、AT命令控制和UART串口中断，同时SIM卡接口和其他外部接口，以便实现GPRS和RS232之间的数据传输。Zigbee模块在系统中很重要，主要有CC2530控制芯片、CC2591功能放大芯片和器件组成。CC2530是一款工业级体积小的高效单片机，单个芯片上整合了Zigbee射频前端、内存以及微控制器。但CC2530的通信距离有限，加一个CC2591加大节点间的通信距离，降低通信延时和增强信息传输的稳定性。Zigbee无线网络包含设备终端节点、协调器节点。协调器节点有一个Zigbee模块和RS232组成，接收信号并传输到Zigbee网络部分。
2软件结构
2.1Zigbee的自组网
Zigbee主要包括3种拓扑结构：星型拓扑、树状拓扑和网状拓扑。协调器节点用来创建Zigbee网络，具有维护功能，监控其它设备的入网许可，管理整个Zigbee网络；路由器节点完成数据包的转发，保障数据快速高效的传输，提高数据的传输速率；终端节点实现具体的控制功能，并反馈数据，树状拓扑和网状拓扑虽然能处理复杂的数据，但是这样增加了能耗和数据传输的延时性增加，星型网络结构简单，容易搭建网络，扩展容易。因此，我们选择星型拓扑结构来组网。系统采用MSSTATE_LRWPAN协议栈组建Zigbee无线网络，先让协调器节点通过网络平台建立Zigbee无线网络，然后进入无限循环运行状态机，监控外来入网信息，其它节点发送入网需求后，通过网络平台加入网络，运行，通过APP_STATE_RUN_APPn执行应用程序。
2.2系统的控制
系统控制软件应用C语言编写，通过GPRS实现数据的远程传输。网络通过SOCKET技术建立与GPRS模块的通信连接，包括通讯连接、终端远程控制、网络维护、数据维护等模块。控制界面能很好是监测到每一个端口号和IP地址，用户通过界面了解到不同IP地址下的水压的值，从而使得用户能自我调节水压，可以采用编号的形式控制每个智能终端，方便快捷实现自来水终端的远程智能控制。
2.3协议分析
GPRS传输协议通常是TCP/IP协议，数据包的协议分为数据头、事件号、上/下行、长度、源端点、目的端点、控制位、功能位以及数据尾。
3实验结果分析
实验对基于无线通信系统的城市自来水远程分布式控制系统进行验证测试。包括内容是GPRS网络的建立，Zigbee无线网络的搭建和组网以及供水功能是调节实现。通过实验得到，这种方式操作容易、控制简单，具有很强的扩展性。
4结束语
