ZigBee在生命子系統(tǒng)中的應(yīng)用[圖]

0 引言

Zigbee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。這一名稱來(lái)源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來(lái)與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說(shuō)蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。

ZigBee是一種新興的短距離、低速率、低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，他是一種介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。他此前被稱作“HomeRF Lite”或“FireFly”無(wú)線技術(shù)，主要用于近距離無(wú)線連接。其基本技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1 單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)

單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)是以單兵為基本單元，人機(jī)環(huán)境統(tǒng)籌考慮，應(yīng)用多種先進(jìn)技術(shù)的高技術(shù)士兵裝備系統(tǒng)，他使士兵、武器、裝備間形成了一個(gè)有機(jī)的整體，從而全面增強(qiáng)單兵的火力、機(jī)動(dòng)、通信、觀瞄和防護(hù)能力，使每一個(gè)士兵都成為有效的火力攻擊單位，既能獨(dú)立作戰(zhàn)，又能協(xié)調(diào)行動(dòng)，全面提高單兵作戰(zhàn)效能，使士兵有條件在未來(lái)信息化戰(zhàn)場(chǎng)上贏得優(yōu)勢(shì)。

單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)一般分為5 個(gè)子系統(tǒng)：武器子系統(tǒng)、通訊子系統(tǒng)、觀瞄子系統(tǒng)、生命子系統(tǒng)、防護(hù)子系統(tǒng)。

(1)武器子系統(tǒng)

必須做到系統(tǒng)重量輕、持續(xù)作戰(zhàn)能力強(qiáng)、能對(duì)付多種目標(biāo)，可安裝一系列的附件，如光學(xué)瞄具、激光瞄具、激光測(cè)距儀等。

(2)通訊裝備子系統(tǒng)

主要是提高單兵的全天候作戰(zhàn)能力及單兵之間、分隊(duì)之間、單兵與后方指揮員之間的聯(lián)系及情報(bào)交換能力。

(3)觀瞄子系統(tǒng)

主要為士兵提供觀察敵情，瞄準(zhǔn)射擊的裝備。他主要由夜視、夜瞄以及長(zhǎng)距離瞄準(zhǔn)裝置組成，并為消除帶頭盔后給士兵瞄準(zhǔn)帶來(lái)的不方便，可設(shè)計(jì)武器瞄準(zhǔn)具與頭盔正前方的顯示屏相連，士兵平視就能實(shí)施瞄準(zhǔn)及觀察。

(4)生命子系統(tǒng)

主要是利用各種傳感器對(duì)士兵各種生命體征以及周圍環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，由單兵穿戴式計(jì)算機(jī)對(duì)傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，得出一個(gè)數(shù)值代碼并將其發(fā)送到后方指揮部，指揮員就可判斷出前線作戰(zhàn)士兵的生理狀態(tài)：是否受傷，傷情如何；是否處于疲勞、寒冷、疾病、恐懼等不良狀態(tài)等。

(5)防護(hù)子系統(tǒng)

主要采用各種新材料以達(dá)到防襲擊、防激光致盲、防噪聲及防水、防潮和防寒等全環(huán)境防護(hù)能力，他包括多功能頭盔和防護(hù)服。

2 ZigBee在生命子系統(tǒng)中的應(yīng)用

ZigBee在生命子系統(tǒng)中的應(yīng)用工作流程如圖1所示。

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(guò)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(lái)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(lái)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0102m3 ，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�可靠性，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�可靠性。其中后兩方面在其他文獻(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、32b AES和128b 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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)程的控制則由高層來(lái)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(guò)程的控制則由高層通過(guò)建立密鑰和決定使用哪一種CCM 3安全套件來(lái)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(guò)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(lái)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中處于有利地位。

來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng)