ZigBee無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)技術(shù)在汽車網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

王建軍，秦振海

（陜汽集團(tuán)西安蘭德新能源汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，陜西 西安 710200）

目前，在無線短距離通信傳輸方面，主要有Bluetooth、Wi-Fi、GPRS/GSM和ZigBee四種技術(shù)，4種無線傳輸技術(shù)的工作特性及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。其中ZigBee技術(shù)因其成本低、功耗小和組網(wǎng)簡(jiǎn)單靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，一問世便引起了各界工程師的廣泛關(guān)注。本文將介紹ZigBee技術(shù)的工作特性及在汽車網(wǎng)絡(luò)方面的具體應(yīng)用。

表1 4種無線傳輸技術(shù)的工作特性及優(yōu)缺點(diǎn)

1 ZigBee技術(shù)的淵源

ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過跳z形狀的舞蹈來分享新發(fā)現(xiàn)的食物源的位置、距離和方向等信息。ZigBee先前亦被稱為HomeRF Lite、RF-EasyLink或FireFly無線電技術(shù)，目前統(tǒng)一稱為ZigBee。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。ZigBee聯(lián)盟在IEEE802.15.4的介質(zhì)訪問控制層MAC和物理層PHY之上定義了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的Network and Security(網(wǎng)絡(luò)層和安全層)和Appliaction Interface（應(yīng)用層）的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE和ZigBee聯(lián)盟共同催生了ZigBee技術(shù)協(xié)議，并且最終免費(fèi)向全世界公開。

2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜驮O(shè)備類型

ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星狀網(wǎng)、樹狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，定義了網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 （Coordinator）、路由器 （Router）和終端設(shè)備 （End Device）3種設(shè)備類型。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立的發(fā)起者和管理者，它管理ZigBee設(shè)備節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)入與退出，網(wǎng)絡(luò)地址的動(dòng)態(tài)分配，對(duì)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)。每個(gè)獨(dú)立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)只允許一個(gè)惟一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器來管理和維護(hù)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。路由器和終端設(shè)備是一般的ZigBee設(shè)備，路由器不但具有一般的終端設(shè)備的功能，而且還有路由功能，而終端設(shè)備沒有路由功能，但可以工作在睡眠模式。

3 ZigBee協(xié)議堆棧結(jié)構(gòu)

以Chipcon公司提供的基于CC2420芯片的ZigBee協(xié)議堆棧為例，ZigBee協(xié)議堆棧結(jié)構(gòu)如圖2所示。

ZigBee堆棧使用了IEEE802.15.4的介質(zhì)訪問控制層MAC和物理層PHY。ZigBee堆棧層之間及與IEEE802.15.4 MAC之間通過服務(wù)通道 （SAP）進(jìn)行通信。SAP是層與層之間進(jìn)行通信的接口，不同層與層之間有各自的SAP。堆棧中的多數(shù)層都為自己的上層提供保留一個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)體SAP和管理實(shí)體SAP，數(shù)據(jù)實(shí)體SAP完成一般的數(shù)據(jù)傳輸，管理實(shí)體SAP完成網(wǎng)絡(luò)管理數(shù)據(jù)的傳輸。

物理層PHY使用了2.4 GHz和868/915 MHz兩個(gè)不同的物理層。它們都使用DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴(kuò)頻）技術(shù)，物理層數(shù)據(jù)包格式相同。2個(gè)物理層的區(qū)別在于工作頻率，擴(kuò)頻碼片長(zhǎng)度和傳輸速率。2.4 GHz波段為全球統(tǒng)一的無需申請(qǐng)的ISM頻段，采用高階調(diào)制技術(shù)提供250 kb/s的傳輸速率。868 MHz是歐洲的ISM頻段，能提供20 kb/s的傳輸速率。915 MHz是美國(guó)的ISM頻段，能提供40 kb/s的傳輸速率。物理層PHY給上層介質(zhì)訪問層提供了物理層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)通道PDSAP和物理層管理實(shí)體服務(wù)通道PLME-SAP兩個(gè)接口，與MAC層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

ZigBee的網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)安全管理、路由管理、網(wǎng)絡(luò)管理。ZigBee協(xié)議中，設(shè)備類型不同，其對(duì)應(yīng)的NWK層的功能有所不同，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的NWK層主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、為允許加入該網(wǎng)絡(luò)的ZigBee設(shè)備分配16位的網(wǎng)絡(luò)地址、設(shè)備節(jié)點(diǎn)的退出等網(wǎng)絡(luò)管理功能。協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)地址固定為0。

網(wǎng)絡(luò)層通過介質(zhì)訪問控制層數(shù)據(jù)實(shí)體-服務(wù)通道MLDE_SAP和介質(zhì)控制層管理實(shí)體-服務(wù)通道MLME_SAP這兩類SAP，與下層介質(zhì)訪問控制層MAC完成通信。通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體-服務(wù)通道NLDE_SAP和網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體-服務(wù)通道NLME_SAP，與應(yīng)用支持子層APS層進(jìn)行通信。NLDE_SAP為應(yīng)用支持子層APS層提供數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求和確認(rèn)，以及向APS層提供遠(yuǎn)程設(shè)備通信請(qǐng)求服務(wù)。NLME_SAP為應(yīng)用支持子層ASP提供加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求和確認(rèn)，允許加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，確認(rèn)，網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)，建立請(qǐng)求，確認(rèn)等網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。

ZigBee的應(yīng)用層包含應(yīng)用支持子層 （Application Support Sublayer）APS、 ZigBee設(shè)備對(duì)象 （Zig-Bee Device Object）ZDO和廠商自定義的應(yīng)用設(shè)備對(duì)象層 （Application Object）。

應(yīng)用支持子層APS層是網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的中間層，直接服務(wù)于ZDO和廠商自定義的應(yīng)用對(duì)象。應(yīng)用支持子層APS層維護(hù)綁定表、APS層數(shù)據(jù)安全管理和對(duì)網(wǎng)絡(luò)中間接尋址消息的映射管理。APS層通過APS數(shù)據(jù)實(shí)體-服務(wù)通道 （APSDE-SAP）和APS管理實(shí)體-服務(wù)通道 （APSME-SAP）兩個(gè)實(shí)體，對(duì)上層AF和ZDO層提供服務(wù)。APS層通過APSDE_SAP Endpoit和AF層、ZDO完成通信。Endpoit是對(duì)網(wǎng)絡(luò)地址的一種擴(kuò)展，是一組8位二進(jìn)制整數(shù)。

ZigBee設(shè)備對(duì)象層 （ZDO）位于AF和APS之間。ZDO在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)ZigBee設(shè)備和為它們提供相應(yīng)的應(yīng)用服務(wù)。ZDO在網(wǎng)絡(luò)建立初期，ZDO層初始化APS、NWK、SSP和綁定管理、安全管理和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理等。ZDO通過Endpoit 0與協(xié)議棧中下層相接，數(shù)據(jù)信息通過APSDE-SAP發(fā)送到下層，控制信息則由APSME-SAP發(fā)送到下層。

應(yīng)用結(jié)構(gòu)層 （AF）給ZigBee設(shè)備的應(yīng)用提供應(yīng)用環(huán)境，最多可以定義240個(gè)相對(duì)獨(dú)立的應(yīng)用程序?qū)ο螅魏我粋€(gè)對(duì)象的Endpoit端點(diǎn)編號(hào)從1到240。Endpoit 0保留給ZDO數(shù)據(jù)接口，Endpoit 255是用來向各個(gè)Endpoit發(fā)廣播消息用的，Endpoit 241～254被保留 （擴(kuò)展使用），Endpoit1～240可以自由使用。

SSP安全機(jī)制層通過接口與NWK、APS層進(jìn)行通信，使用AES-128加密技術(shù)使每個(gè)層都受到安全保護(hù)。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)備被指定為信任中心，信任中心分配網(wǎng)絡(luò)中的安全密鑰，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安全管理。

4 ZigBee的優(yōu)點(diǎn)

1）低速率、低功耗、低成本 ZigBee網(wǎng)絡(luò)只有10~250 kb/s,ZigBee芯片的功耗很低，2節(jié)普通5號(hào)干電池在低耗電待機(jī)模式下，可使用6個(gè)月到2年，免去了頻繁更換電池的麻煩。ZigBee免收協(xié)議專利費(fèi)，協(xié)議免費(fèi)公開，可以使用免費(fèi)的ISM頻段，成本低。

2）安全性好 ZigBee網(wǎng)絡(luò)以IEEE802.15.4為基礎(chǔ)，定義了16個(gè)信道，工作頻段靈活，物理層使用了直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，高層ZigBee采用了AES-128加密算法，整個(gè)系統(tǒng)的安全性能好。

3）網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)管理 組網(wǎng)簡(jiǎn)單可靠，網(wǎng)絡(luò)容量大，ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納255個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，而且能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)管理，網(wǎng)絡(luò)維護(hù)簡(jiǎn)單。

5 ZigBee技術(shù)在汽車網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

1)ZigBee技術(shù)在汽車輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前高速公路的車輛交通事故日益增多，其中大部分是由于輪胎的氣壓過高或過低導(dǎo)致輪胎爆胎引起的。輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)全天候?qū)喬ダ锏膲毫M(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)輪胎的漏氣、低壓、高壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警，使車輛始終處于安全運(yùn)行狀態(tài)。輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由輪胎壓力傳感器、控制器、射頻發(fā)射器和接收機(jī)組成，裝在每一個(gè)車輪胎里的壓力傳感器將探測(cè)輪胎里的壓力、溫度信息，通過射頻發(fā)射器將該信息從輪胎內(nèi)部的ZigBee模塊傳送給駕駛室里的接收器模塊，能夠讓駕駛員在汽車運(yùn)行中了解到輪胎的工作情況，監(jiān)測(cè)輪胎的氣壓、溫度是否正常，并進(jìn)行異常報(bào)警，確保安全。

2）ZigBee技術(shù)在智能交通中的應(yīng)用

以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)的智能交通控制圖如圖3所示。在每個(gè)交通路口設(shè)置ZigBee主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)類型定義為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。在道路周邊設(shè)立大量的參考節(jié)點(diǎn)，參考節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)類型定義為路由器。每個(gè)主節(jié)點(diǎn)可以管理254個(gè)參考節(jié)點(diǎn)來組成一個(gè)Zig-Bee分網(wǎng)絡(luò)，而每個(gè)ZigBee中心可以管理254個(gè)Zig-Bee主節(jié)點(diǎn)，即在理論上可以控制254個(gè)交通路口，這樣就組成了以參考節(jié)點(diǎn)為最底層，每個(gè)交通路口主節(jié)點(diǎn)為中間層，ZigBee中心為最高層的三級(jí)網(wǎng)絡(luò)ZigBee交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。將ZigBee模塊做成便攜式移動(dòng)裝置，裝在每臺(tái)車輛上，這樣就可以把每臺(tái)車輛看成一個(gè)移動(dòng)的ZigBee參考節(jié)點(diǎn)，這個(gè)參考節(jié)點(diǎn)可以被定義為終端設(shè)備。當(dāng)車輛駛?cè)隯igBee交通網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍時(shí)，車內(nèi)的ZigBee模塊將被喚醒，作為一個(gè)待測(cè)點(diǎn)被納入ZigBee交通網(wǎng)絡(luò)，其信息會(huì)被傳輸至ZigBee中心。使用這樣的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼纯蓪?shí)現(xiàn)車輛短時(shí)間跟蹤、定位及交通流量的檢測(cè)。

3） ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在車輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中的應(yīng)用

車輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)組成包括車載子節(jié)點(diǎn) （終端設(shè)備）、 數(shù)據(jù)采集單元 （路由器）、ZigBee網(wǎng)關(guān) （協(xié)調(diào)器）和控制中心、手持觀測(cè)器等5個(gè)部分。

其中安裝于車內(nèi)的車載子節(jié)點(diǎn)和安裝于道路邊或收費(fèi)站的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)為整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。車載子節(jié)點(diǎn)里包含有車輛發(fā)動(dòng)機(jī)、車架號(hào)、車牌和車輛編號(hào)等固有信息，也可以定時(shí)地利用傳感器元件采集車內(nèi)所需要的信息。布置于道路邊的數(shù)據(jù)采集單元一般分為兩個(gè)部分：激活設(shè)備和采集設(shè)備。當(dāng)任意一輛帶有內(nèi)置車載子節(jié)點(diǎn)的車輛進(jìn)入已布置監(jiān)控系統(tǒng)的路段時(shí)，由激活設(shè)備激活車內(nèi)的車載子節(jié)點(diǎn)，發(fā)出命令讓子節(jié)點(diǎn)開始傳輸數(shù)據(jù)。但激活設(shè)備并不負(fù)責(zé)接收由子節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，以留下更多的時(shí)間和容量來激活高速運(yùn)動(dòng)的其他子節(jié)點(diǎn)。ZigBee休眠設(shè)備激活時(shí)間為15 ms，活躍設(shè)備信道接入時(shí)間為15 ms，采集設(shè)備應(yīng)位于激活設(shè)備后約40 m處。市區(qū)內(nèi)的車輛行駛速度大約為20 m/s，即在2 s的時(shí)間內(nèi)已經(jīng)足夠激活在道路上高速運(yùn)動(dòng)的子節(jié)點(diǎn)，并使其開始傳輸數(shù)據(jù)。

采集設(shè)備負(fù)責(zé)接收車載子節(jié)點(diǎn)傳來的信息，并轉(zhuǎn)交給ZigBee網(wǎng)關(guān)進(jìn)行處理，然后傳到交警的手持觀測(cè)器中。手持觀測(cè)器可以為手機(jī)終端或者存儲(chǔ)量更強(qiáng)的PDA等。信息也可以通過Internet傳到控制中心。控制中心對(duì)采集的數(shù)據(jù)和子節(jié)點(diǎn)的固有信息進(jìn)行整理，可得出行駛在該路段的車輛的詳細(xì)資料，然后再對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)里的保存信息進(jìn)行更新，根據(jù)車輛行駛路段的采集設(shè)備的編號(hào)，可以自動(dòng)對(duì)該車輛該段時(shí)間內(nèi)的行駛路線進(jìn)行定位監(jiān)控。

ZigBee技術(shù)彌補(bǔ)了低成本、低功耗、低速率無線通信市場(chǎng)的空白，隨著ZigBee技術(shù)不斷應(yīng)用于汽車網(wǎng)絡(luò)及車聯(lián)網(wǎng)的普及，ZigBee技術(shù)的應(yīng)用越來越受到人們的關(guān)注。

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