新型無線協議

孫昌輝　王璐　王宇婷

摘 要：科技的發展使得人們的生活越來越方便，而毫無疑問，無線的設備在很多情況下都要比有線的方便得多，這也是為什么WiFi、藍牙、局域網以及互聯網發展得如此迅速。而無線的設備與設備之間進行信息交換是需要協議的，合適的協議才能使得收發雙方了解如何發送或者接收。而ZigBee擁有很多其他協議所不具備的優點，使得其在最近發展迅速。

關鍵詞：ZigBee；無線協議；微控制器

1 ZigBee的由來與發展

在以往對藍牙技術的使用過程中，人們發現了藍牙技術的許多缺陷。例如，對家庭自動化控制和工業遙測遙控領域而言，藍牙技術存在太復雜，功耗大，距離近，組網規模太小等缺點。而對于工業自動化，對無線數據通信的需求越來越強烈。而且，要求這種無線傳輸必須是可靠的，并能抵抗工業現場的各種電磁干擾，而藍牙傳輸遠遠達不到這種要求。因此，經過人們長期努力，ZigBee協議在2003年正式問世。ZigBee譯為”紫蜂”，是一種新興的短距離無線通信技術，用于傳感控制應用（Sensor and Control）。最早是由IEEE 802.15工作組提出的，后來TG4工作組對其進行了規范。2000年12月，相關的小組成立，負責起草IEEE 802.15.4標準。2004年12月，ZigBee1.0標準出臺，之后于2005年9月公布并提供下載。2006年12月，又對ZigBee進行了修改，推出了ZigBee1.1版（又稱ZigBee2006）。2007年TI公司宣布推出ZigBee協議棧，并于2007年4月提供免費下載版本V1.4.1。ZigBee協議棧符合ZigBee2006規范，支持多種平臺，其中包括面向IEEE802.15.4/ZigBee的CC2430片上系統解決方案、基于CC2420收發器的新平臺以及IT公司的MSP430超低功耗微控制器（MCU）。經歷了長期的發展之后，ZigBee成為了一種高可靠的無線數傳網絡，ZigBee數傳模塊類似于移動網絡基站，通訊距離從標準的75m到幾公里，并且還可以支持無限擴展。

2 ZigBee技術特點

ZigBee采用了碰撞避免機制，避免了發送數據時的競爭和沖突。節點模塊之間具有自動動態主網的功能，信息在整個ZigBee網絡中自動選取路由進行傳輸，同時保證了信息傳輸的可靠性。ZigBee可以支持高達65000個節點，而且提供了數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用通用的AES-128。由于ZigBee的傳輸速率低，發射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，因此ZigBee設備非常省電。據估算，ZigBee設備僅靠電池的電量就可以維持長達數月的使用時間，這是其他同類產品望塵莫及的。ZigBee模塊的初始成本在1.5～2.5美元左右， 并且ZigBee協議是免專利費的，而且與移動通信的CDMA網或GSM網不同的是，ZigBee網絡主要是為工業現場自動化控制數據傳輸而建立，每個ZigBee“基站”的成本不到1000元人民幣。同時，ZigBee設備具有無線網絡自愈能力，ZigBee有組建星、樹和網狀網絡結構的能力，因此通過ZigBee無線網絡拓撲能簡單地覆蓋廣闊范圍，有效范圍大，通常ZigBee的有效覆蓋范圍為10m～75m，具體依據實際發射功率的大小和各種不同的應用模式面定，如果使用延長設備基本上能夠覆蓋絕大多數普通家庭或大型的辦公室環境。

3 與ZigBee相關的硬件

3.1 MP430

MSP430系列單片機是美國德州儀器（TI）1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集的混合信號處理器。其特別強調超低功耗，而且采用16位和常用數發生器，發揮了最高的代碼效率，很適合應用于用電池供電的長時間工作場合。在這個系列中的大多數型號都是由一些基本功能模塊按不同的應用目標組合而成的。它采用數字控制振蕩器（DCO），使得從低功耗模式到喚醒模式的轉換時間小于6μs。MSP430系列單片機的各系列都集成了較豐富的片內外設包括看門狗（WDT）、模擬比較器A、定時器A0（Timer-A0）、定時器A1（Timer-A1）、定時器B0（Timer-B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驅動器、10位/12位ADC、16位Σ-ΔADC、DMA、I/O端口、基本定時器（Basic Timer）、實時時鐘（RTC）和USB控制器等若干外設的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復位并報告給用戶；模擬比較器進行模擬電壓的比較，十分常用，配合定時器，可設計出A/D轉換器；16位定時器具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/比較寄存器，可用于記時、時序發生、PWM、計數等；有的器件更具有可實現異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便地實現多機通信等應用；10/12位硬件A/D轉換器能夠滿足大多數數據采集應用；實現兩路的12位D/A轉換；硬件I2C串行總線接口實現存儲器串行擴展；為了增加數據傳輸速度而采用的DMA模塊。MSP430系列單片機的這些片內外設為系統的設計提供了很多可供選擇的解決方案。

3.2 CC2520

CC2520是一款優秀的ZigBee/IEE802.15.4射頻收發器，工作于249比頻段，該芯片可以提供最先進的工業級應用，優越的鏈路估計。CC2520的關鍵參數包括1.8V～3.8V電源電壓，-40～+125℃工作溫度，103dB鏈路預算以及50dB相鄰通道排斥能力等。CC2520還為CC2420RF收發器提供了方便的升級路徑。此外，C2520提供了廣泛的硬件處理技術，支持幀處理，數據緩沖、突發傳輸、數據加密、數據驗證、信道評估、鏈路質量指示和幀定時信息這些功能，減輕了主機控制器的負荷。CC2520憑借著其優越性使得其專門用于企業、科學研究所與醫療部門的2.49Hz成為非正式頻段。

4 ZigBee的安全性

ZigBee對于安全有一些獨特的考慮，這基于其一些主要的特點：設備簡單、成本低、設備數量大，自組織形成網絡。因此，它不可能使用很復雜的安全機制，通常一個設備上不同的應用之間不會進行邏輯上的安全分離。例如，用防火墻，協議層之間也不會進行邏輯上的安全分離。因此，誕生一個假設是同一個設備上的應用之間，每一協議層之間必須要互相信任。當然，在一些較復雜的設備可以通過應用層的一些客戶端應用程序來實現較復雜的安全機制，但底層通用的安全機制一定是要簡單的。而ZigBee網絡設備數量大，在一些場景下設備可能分散在很多個地方，如在環境監測的時候，大部分設備散布在室外各處，很難防止部分設備被破壞、控制或利用，因此一定的防盜措施是需要的。例如，把監測設備鎖到箱子里，使得不能利用個別設備來影響整個網絡的安全通信。

參考文獻：

[1] 鐘永鋒，劉永俊. ZigBee無線傳感器網絡[M].北京郵電大學出版社，2001.

作者簡介：孫昌輝（1996—），男，遼寧盤錦人，沈陽理工大學。

王璐（1995—），男，山東青島人，沈陽理工大學。

王宇婷（1996—），女，山東陽谷人，沈陽理工大學。