ZigBee在生命子系統(tǒng)中的應用

2. 1 　工作原理

　　在一個單兵小分隊中，每個分隊成員佩戴一個ZigBee生物傳感器節(jié)點，他是集ZigBee 無線網(wǎng)絡模塊與生物傳感器模塊為一體的，可以對士兵生命體征諸如脈搏、血壓、呼吸、體溫等進行數(shù)據(jù)采集，并通過ZigBee 方式無線傳輸至主協(xié)調(diào)器。他主要由脈搏傳感器、溫度傳感器、狀態(tài)傳感器、模擬信號放大器、A/ D 轉(zhuǎn)換器、電平比較器、信號存儲器和ZigBee 無線收發(fā)器及相關軟件組成。每個ZigBee 網(wǎng)絡都必須包括一臺主協(xié)調(diào)器，在本應用中，由于小分隊成員的活動范圍非常接近，所以無需中繼設備，可以直接將終端無線接入主協(xié)調(diào)器。

　　網(wǎng)絡中的所有設備都擁有一個64 位的IEEE 地址，也可以使用16 位短地址來減少數(shù)據(jù)包大小，這樣只要記錄下終端地址就可以很容易確定士兵身份。路由選擇在默認時使用樹形路由選擇，即在做路由選擇策略時利用樹形結(jié)構選址。穿戴式計算機內(nèi)部軟件要具備3 種功能：ZigBee 網(wǎng)絡控制功能、數(shù)據(jù)分析處理轉(zhuǎn)換功能、衛(wèi)星通信設備管理功能。

　　ZigBee 網(wǎng)絡控制主要包括系統(tǒng)啟動關閉、終端地址分配、差錯控制、各種參數(shù)設定等。數(shù)據(jù)分析處理轉(zhuǎn)換主要是將終端收集來的各種參數(shù)進行波形分析、頻率分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等，得出士兵所處狀態(tài)結(jié)論，將之轉(zhuǎn)換成特殊編碼格式，加載到衛(wèi)星上傳回后方指揮中心。

　　衛(wèi)星通信設備管理功能包括系統(tǒng)啟動與否、接口控制、數(shù)據(jù)格式選擇等。

　　單兵衛(wèi)星系統(tǒng)由輕型便攜式無線電臺加衛(wèi)星天線組成。電臺用金屬包裝，經(jīng)久耐用，能夠抗得住野戰(zhàn)暴露或在機動部隊使用時所處的惡劣環(huán)境。背負式電臺易于攜帶，包括天線和電池組在內(nèi)僅十幾kg ,體積不到0102 m3 ,可以在任何天氣條件下使用。

2. 2 　系統(tǒng)安全性可靠性

　　本應用中的安全可靠性分為3 步分：ZigBee傳輸?shù)陌踩煽啃裕┐魇接嬎銠C數(shù)據(jù)處理的安全可靠性，衛(wèi)星傳輸?shù)陌踩煽啃?。其中后兩方面在其他文獻中已有大量論述，本文不再討論。

　　ZigBee 采用了分級的安全性策略：無安全性、接入控制表、32 b AES 和128 b AES。如果對系統(tǒng)安全性要求不高，可以選擇級別較低的安全措施，從而換取系統(tǒng)成本和功耗的降低；反之，在安全性要求較高時，可以選擇較高的安全級別。由于本例應用于軍事領域，所以應采用較高的安全級別。

　　ZigBee 分別在MAC 層和網(wǎng)絡層采取了安全策略。在數(shù)據(jù)經(jīng)過一跳就到達目的地時，ZigBee 只用MAC 層提供的安全機制；當在多跳的情況下，ZigBee 就要依賴高層來保證安全。

　　MAC 層安全套件基于以下3 種操作模式：計數(shù)器模式的AES 加密、密碼塊鏈接模式的數(shù)據(jù)完整性、二者相結(jié)合的加密和完整性（CCM 模式） 。MAC 層的AES 加密算法可以保護MAC 命令、信標、信息幀和應答幀的秘密性、完整性和真實性。MAC 幀的頭部有一個比特用來指示MAC 幀是否加密。同時，在每個MAC 幀頭也都有一個幀編號，用于防止幀丟失和幀重傳。密鑰的建立、安全操作模式的選擇和對處理過程的控制則由高層來負責。

　　網(wǎng)絡層也使用AES ,他的安全套件是基于CCM 3 操作模式。CCM 3 包括所有CCM 的功能，同時提供只加密和只保證完整性的功能。使用CCM 3 允許單個密鑰用于不同的安全套件。因此一個密鑰并不只屬于單個安全套件，一個高層應用可以靈活地指定網(wǎng)絡層所用的安全套件。網(wǎng)絡層負責安全處理，但對處理過程的控制則由高層通過建立密鑰和決定使用哪一種CCM 3 安全套件來實現(xiàn)。此外，幀序號和消息完整碼也可以加在網(wǎng)絡層幀中。

　　ZigBee 的信道接入方式采用CSMA/ CA（載波偵聽多址/ 沖突避免） ,能有效地減少幀的沖突。為抗干擾和多徑衰落，ZigBee 在物理層采用直接序列擴頻和頻率捷變FA技術。為了保證幀的正確傳輸，ZigBee 在MAC 層采用了兩個措施：自動請求重傳ARQ 和幀緩存。在網(wǎng)絡層，ZigBee 支持網(wǎng)狀網(wǎng)，存在冗余路由，保證了網(wǎng)絡的健壯性。

3 　結(jié)　語

　　ZigBee 所具有的短距離、低成本、低功耗、易實現(xiàn)、安全可靠的特點非常適合作為單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)中生命子系統(tǒng)的組成部件。不僅能對士兵生命體征數(shù)據(jù)進行傳輸，后續(xù)的技術開發(fā)還可以對敵核、生、化武器污染監(jiān)測數(shù)據(jù)進行傳輸。當傳感器的檢測信號表明敵方施放了核、生、化武器，就會自動發(fā)出報警信號，同時將檢測結(jié)果通過ZigBee發(fā)送裝置傳輸?shù)街笓]部，為己方贏得較長的預警時間ZigBee 的應用為指揮人員提供了準確評價部隊戰(zhàn)斗力的客觀依據(jù)，提高了部隊裝備的信息化含量，從而使我軍在未來信息化戰(zhàn)爭中處于有利地位。