ZigBee在生命子系統(tǒng)中的應(yīng)用

2. 1 　工作原理

　　在一個(gè)單兵小分隊(duì)中，每個(gè)分隊(duì)成員佩戴一個(gè)ZigBee生物傳感器節(jié)點(diǎn)，他是集ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊與生物傳感器模塊為一體的，可以對(duì)士兵生命體征諸如脈搏、血壓、呼吸、體溫等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過ZigBee 方式無(wú)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(hào)放大器、A/ D 轉(zhuǎn)換器、電平比較器、信號(hào)存儲(chǔ)器和ZigBee 無(wú)線收發(fā)器及相關(guān)軟件組成。每個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)都必須包括一臺(tái)主協(xié)調(diào)器，在本應(yīng)用中，由于小分隊(duì)成員的活動(dòng)范圍非常接近，所以無(wú)需中繼設(shè)備，可以直接將終端無(wú)線接入主協(xié)調(diào)器。

　　網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備都擁有一個(gè)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(rèn)時(shí)使用樹形路由選擇，即在做路由選擇策略時(shí)利用樹形結(jié)構(gòu)選址。穿戴式計(jì)算機(jī)內(nèi)部軟件要具備3 種功能：ZigBee 網(wǎng)絡(luò)控制功能、數(shù)據(jù)分析處理轉(zhuǎn)換功能、衛(wèi)星通信設(shè)備管理功能。

　　ZigBee 網(wǎng)絡(luò)控制主要包括系統(tǒng)啟動(dòng)關(guān)閉、終端地址分配、差錯(cuò)控制、各種參數(shù)設(shè)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(jìn)行波形分析、頻率分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(shè)備管理功能包括系統(tǒng)啟動(dòng)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(wú)線電臺(tái)加衛(wèi)星天線組成。電臺(tái)用金屬包裝，經(jīng)久耐用，能夠抗得住野戰(zhàn)暴露或在機(jī)動(dòng)部隊(duì)使用時(shí)所處的惡劣環(huán)境。背負(fù)式電臺(tái)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(yīng)用中的安全可靠性分為3 步分：ZigBee傳輸?shù)陌踩煽啃?，穿戴式?jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的安全可靠性，衛(wèi)星傳輸?shù)陌踩煽啃浴Ｆ渲泻髢煞矫嬖谄渌墨I(xiàn)中已有大量論述，本文不再討論。

　　ZigBee 采用了分級(jí)的安全性策略：無(wú)安全性、接入控制表、32 b AES 和128 b AES。如果對(duì)系統(tǒng)安全性要求不高，可以選擇級(jí)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(shí)，可以選擇較高的安全級(jí)別。由于本例應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，所以應(yīng)采用較高的安全級(jí)別。

　　ZigBee 分別在MAC 層和網(wǎng)絡(luò)層采取了安全策略。在數(shù)據(jù)經(jīng)過一跳就到達(dá)目的地時(shí)，ZigBee 只用MAC 層提供的安全機(jī)制；當(dāng)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(jì)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(hù)MAC 命令、信標(biāo)、信息幀和應(yīng)答幀的秘密性、完整性和真實(shí)性。MAC 幀的頭部有一個(gè)比特用來指示MAC 幀是否加密。同時(shí)，在每個(gè)MAC 幀頭也都有一個(gè)幀編號(hào)，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(duì)處理過程的控制則由高層來負(fù)責(zé)。

　　網(wǎng)絡(luò)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(shí)提供只加密和只保證完整性的功能。使用CCM 3 允許單個(gè)密鑰用于不同的安全套件。因此一個(gè)密鑰并不只屬于單個(gè)安全套件，一個(gè)高層應(yīng)用可以靈活地指定網(wǎng)絡(luò)層所用的安全套件。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)安全處理，但對(duì)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(shí)現(xiàn)。此外，幀序號(hào)和消息完整碼也可以加在網(wǎng)絡(luò)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(kuò)頻和頻率捷變FA技術(shù)。為了保證幀的正確傳輸，ZigBee 在MAC 層采用了兩個(gè)措施：自動(dòng)請(qǐng)求重傳ARQ 和幀緩存。在網(wǎng)絡(luò)層，ZigBee 支持網(wǎng)狀網(wǎng)，存在冗余路由，保證了網(wǎng)絡(luò)的健壯性。

3 　結(jié)　語(yǔ)

　　ZigBee 所具有的短距離、低成本、低功耗、易實(shí)現(xiàn)、安全可靠的特點(diǎn)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(duì)士兵生命體征數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，后續(xù)的技術(shù)開發(fā)還可以對(duì)敵核、生、化武器污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。當(dāng)傳感器的檢測(cè)信號(hào)表明敵方施放了核、生、化武器，就會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)將檢測(cè)結(jié)果通過ZigBee發(fā)送裝置傳輸?shù)街笓]部，為己方贏得較長(zhǎng)的預(yù)警時(shí)間ZigBee 的應(yīng)用為指揮人員提供了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的客觀依據(jù)，提高了部隊(duì)裝備的信息化含量，從而使我軍在未來信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中處于有利地位。