時間：2023-05-30 08:52:42
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇zigbee協議，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
作為互聯在形式上面的擴展，其主要發展的主要技術分別是：傳感器、嵌入式自動化只能技術、RFID以及納米技術。而作為物聯網當中一項關鍵性的技術――無線傳感器網絡，對其的研究已經逐步成為了目前計算機領域當中的一個熱點，它不僅在生產生活，還是在醫學軍事方面的應用都相當的廣闊。但是隨著計算機技術的快速發展，目前各種無線傳感器網絡都是如雨后春筍板出現，這樣一來就不利于各個網絡之間的網節點互聯以及網絡之間的管理。
ZigBee協議的出現標準的規范了網絡直接的節點互聯以及網絡之間的管理，有效的解決了網絡拓展之間存在的問題。
1 無線傳感器網絡的簡介
無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network， WSN）是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，以協作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區域或者是區內被感知對象的信息，并最終把這些信息發送給網絡的所有者。它綜合了網絡技術的方方面面，并通過了無線網的傳感實現了無處不在的運算理念。圖1為無線傳感網絡的結構示意圖。
由于傳感器一般情況下都是嵌入到各個電子設備當中，外加監測區域環境往往比較復雜，傳感器的網絡節點非常多，導致了網絡的維護十分麻煩甚至就是不能進行維護。因此，導對于無線傳感器的設計要做到網絡容量要大，傳感器體積小，消耗低等特點，以實現自組網絡的動態性，并且還要加強無線傳感器的網絡安全，在無線信道上分布式的控制傳感器所受到的攻擊。
2 Zigbee協議概述
Zigbee協議是在無線網基礎上延伸出來的一種網絡安全協議，Zigbee是一種新興的無線網絡技術，其具有復雜程度低、距離近、功耗低、成本低、低數據速率等特點。其不僅可以適用于各種自動控制以及遠程控制當中，還可以嵌入到不同的設備中去，強大了網絡的應用。Zigbee的發射速率是10～250KB/s，延時時間在15～30ms之間，通訊的有效范圍是10～75m，工作頻率是2.4GHz、868MHz（歐洲）及915MHz（美國），單個的Zigbee可支持255個網絡節點插入。
2.1 Zigbee協議棧簡介
一個完整的Zigbee協議是從下而上依次由物理層、數據鏈路層、網絡層、應用匯聚層和應用層五個層面組成。其中應用層是面對各種不用應用型業務的最高層用戶；應用匯聚層主要的工作是將不用的應用需求反饋到Zigbee網絡層上；網絡層主要是功能層針對一些網絡問題進行MAC、拓撲、安全等等管理；數據鏈路層又分為LLC和MAC，對輸送過來的數據進行一個邏輯的分析建立，以保證數據管理的正常運行。
2.2 Zigbee的網絡拓撲結構
Zigbee技術目前支持3中通訊技術的網絡拓撲，其中包括星形（Star）、網狀（Mesh）和樹狀（Cluster Tree）。Star網絡技術是一種被常用于長期操作當中的網絡；Mesh網絡則是一種高檢測性的網絡，其可以通過無線網實現多個數據通道互聯的效果，減少故障的發生，提高數據通道的安全性能；Cluster Tree網絡是結合了Star網絡與Mesh網絡兩者的優點，所拓撲出來的一種網絡模式。
3 Zigbee技術的應用
Zigbee技術的發展應該根據當前網絡技術當中所存在問題而進行推廣，以彌補其他無線網技術的短距離、傳送數據少、傳送速率低等缺點，做到低成本、大容量、功耗低、智能化強的特點，以完善傳感器領域的空白作用。
Zigbee技術的開發是一項工作較為復雜的技術工程，其涉及到的技術不僅有網絡領域當中的傳輸、射頻等技術，還涉及到了底層軟件硬件控制等技術。在對Zigbee技術進行無線傳感器網絡開發時，主要也就考慮到網絡的節點以及相適應的功能型軟件。目前，在科研人員的努力之下在硬件上已經將Zigbee技術應用到了射頻芯片等，這些高科技含量的硬件設施降低了開發者的設計要求，只需要在其中加入一些元件就可以實現應節點的應用，在加上Zigbee相關軟件的開發利用，加速了Zigbee系統的設計，已經進一步的簡化了用戶命令接口，普通的用戶只要使用一些簡單的命令，就可以實現Zigbee的網絡控制。
Zigbee是一項新的無線網絡通訊技術，其相應的標準還待于完善，也正是如此Zigbee技術在現實生活中的應用也受到了一定的阻礙。但是不管如何在標準化來臨之前，這是一個技術發展的趨勢，象征著網線網絡時代的真正到來，只有逐步完善無線網絡的標準，才可以實現網絡無處不在的理想。目前隨著Zigbee組織的聯盟，更加加速了IT技術的發展，Zigbee技術也會將變得越來越可靠靈活。
[參考文獻]
關鍵詞：無線傳感器網絡；ZigBee協議；多跳；協調器；路由器；終端設備
中圖分類號：TP79
無線傳感器網絡（WSN，WirelessSensorNetwork）是由多個節點組成的面向任務的無線自組織網絡，它綜合了無線通信技術，傳感器技術，微機電技術，計算機網絡技術等多學科的技術領域，借助各類傳感器對檢測目標進行數據采集，通過無線通信的方式把信息發送給觀測者。由于無線傳感器網絡具有不依賴有線基礎設施，可以自組網和允許網絡具有動態的拓撲結構等優點，特別適用于一些不適合人類直接參與的檢測環境進行數據采集，因此無線傳感器網絡在軍事、空間探索和災難拯救等特殊領域有其得天獨厚的技術優勢，在環境、健康、家庭和其他商業領域有廣闊的應用前景。
1 ZigBee協議
ZigBee協議是一種建立在IEEE802.15.4標準之上的短距離，低速率的無線通信協議，其中物理層和鏈路層由IEEE802.15.定義，網絡層和應用層由ZigBee聯盟規范。與其他短距離無線通信技術相比，ZigBee協議具有以下優點：（1）功耗低。低功耗待機模式下，兩節5號電池就可以是由6個月以上。（2）具有3個無線收發器頻段。868MHZ（歐盟）；902MHZ（美國）；2.4GHZ。（3）網絡容量大。可支持6500個節點設備。（4）采用CSMA-CA機制，有效的避免了數據發送時因碰撞產生的沖突。（5）網絡安全性高。采用了密鑰長度為128位的加密算法，對所傳輸的數據進行了加密算法，有效的保證了數據傳輸的有效性和安全性。
2 系統硬件設計
無線傳感器網絡節點的組成一般都由傳感器模塊、處理模塊、無線通信模塊和能量供應模塊這四部分構成：（1）傳感器模塊。本設計中傳感器采用數字濕度溫度傳感器SHT10，SHT10是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全量程標定的數字輸出。產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。該傳感器品質卓越、響應超快、抗干擾能力強、極高的性價比。每個傳感器芯片都在極為精確的恒溫室中進行標定。通過兩線制的串行接口與內部的電壓調整，使系統集成變得快速而簡單。（2）處理模塊。處理器單元采用ATMEL公司的ATmega128L芯片。ATmega128L為基于AVRRISC結構的8位低功耗CMOS微處理器。它具有非常豐富的資源，具有片內128K字節的程序存儲器（Flash），4K字節的數據存儲器（SRAM，可外擴到64K）和4K字節的EEPROM。由于其先進的指令集以及單周期指令執行時間，ATmega128L的數據吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。（3）無線通信模塊。無線通信單元采用Chipcon公司的CC2420射頻芯片。是ChipconAs公司推出的首款符合2.4GHzIEEE802.15.4標準的射頻收發器。該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于ZigBee產品的RF器件。只需極少外部元器件，性能穩定，功耗極低。（4）能量供應模塊。能量供應模塊主要是電池來實現，目前常用的傳感器電池有兩種，一種是常用可充電電池，如可充電鋰鈕扣電池LIR2450，該類電池具有電壓高、平均電壓為3.6伏，充放電循環特性優秀，但是由于其額定容量小，而且許多傳感器都會放在一些特殊的環境中，再次充電的可能性很小，從而減少了網絡的生命周期；如果是在一些允許的環境中采集數據，常采用兩節普通的5號AA電池，則可以維持更長的網絡生命周期。
3 軟件設計
Zigbee協議定義了三種設備類型：（1）協調器程序設計。每個ZigBee網絡都必須包含一臺協調器。協調器的主要功能是為建立和啟動網絡這一過程設置參數。（2）路由器程序設計。本程序設計的路由器就有兩部分組成，一個是路由器入網程序流程圖，另一個是路由程序流程圖。（3）終端設備程序設計。終端設備不參與路由選擇，由于路由器和終端設備被整合到網絡之中，所以它們從協調器或從任何已經處于網絡中的路由器那里可以獲得有關網絡的信息。這些信息可以讓其他設備設置操作參數，并因此加入網絡之中。
圖1 協調器程序
圖2 路由器程序流程圖
4 實驗調試結果
按照上述設計組建網絡后，把對應的程序燒錄到協調器節點，路由器節點和終端設備節點。等待終端設備節點傳感器數據采集完成后，數據發送到路由器節點，并由路由器節點發送給協調器節點，最終傳送到計算機，在串口調試助手中可以看到如下的提示信息：
其中陰影部分為采集到的數據，表示收到長度為41的數據幀，發送數據的節點地址為0x1430，一共采集到了八組數據。說明所有節點通過自組織的方式，成功的組成了一個基于路由的多跳網絡，并能夠正確工作，達到了設計的目的。
5 結束語
無線傳感器網絡是資源受限網絡，節點因受能源限制，其發射功率較低，因此網絡中節點通信距離有限，節點只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節點進行通信，則需要通過路由器節點進行路由，從而形成多跳網絡，本文基于ZigBee協議，通過對無線傳感器網絡節點的硬件和軟件設計來成功實現數據在無線傳感器網絡節點間的多跳路由。
參考文獻：
[1]于海斌，曾鵬.智能無線傳感器網絡系統[M].北京：科學出版社，2006：40-50.
[2]顧瑞紅，張宏科.基才ZigBee的無線網絡技術及其應用[J].電子技術應用，2005，6：1-3.
關鍵詞 IPV6;ZigBee;無線傳感網;虛擬IPv6網
中圖分類號TP311文獻標識碼 A文章編號 1674-6708(2010)20-0115-03
The Study of Protocol Conversion Gateway Based on IPv6 Network and ZigBee Wireless Sensor Network
CHENG Jizhong 1 ,PENG Zhen 2
1.Hunan University of Humanities, Science andTechnolog,Loudi417000
2.Quality-detection center of LianYuan steel group company,Loudi 417000
Abstrcat Via the research and analyse for wireless sensor network,ZigBee protocol, the IPV6 technique in this article,In allusion to slow process speed ,low memory feature of wireless sensor network,we chang and simplify IPv6,ZigBee stack. Realize the interconnect of IPv6 network and wireless sensor network. In this article we mainly designed for three points: firstvitual wireless sensor network to IPv6 network, realize the logical interconnect of IPv6 network and wireless sensor network; second model desingn of protocol-change,realize change and sendbetween ZigBee segment and IPv6 segment; therd security design,reslove usually security problem in wireless sensor network; Tests indicated that this channe protocol stack was suit for embeded devices,It is also the feasible scheme for interconnect of IPv6 network and wireless sensor network.
KeywordsIPv6;ZigBee;WSN;vitual IPv6 network
0 引言
無線傳感器網(wireless sensor network WSN)是微電子機械系統、計算機、通信、自動控制和人工智能的交叉發展的結果,它由:傳感器節點(Sensornode)、匯聚節點(sinknode)和管理器節點3部分組成,用于對無人值守的監控區域的測控。傳感節點監測數據并以多跳的方式通過路由節點把這些數據傳送給匯聚節點。匯聚節點通過Internet或通信衛星與任務管理器節點(如手機、計算機等)進行通信[1]。
ZigBee協議是由ZigBee聯盟制定的近幾年發展起來的一種近距離無線通信技術,它功率低、成本低,以2.4GHz為主要頻段,廣泛應用于無線傳感網[2]。
IPv6是IPv4的升級版本,是下一代互聯網絡的核心,它把IP地址長度由32位增加到128位,徹底解決了IPv4的地址短缺問題,同時它還具有地址自動配置,服務質量控制等多方面的優點[3]。
本文旨在設計一個基于ZigBee技術的無線傳感網與IPv6網的嵌入式協議轉換網關,進行ZigBee與IPv6的協議轉換,使傳感器將傳感數據能在這兩種不同的網絡中進行傳輸。具體模型為:當有傳感數據時,傳感節點通過ZigBee協議把傳感數據封裝成的ZigBee分組格式,通過傳感路由算法到達該傳感網的協議轉換網關,協議轉換網關在接到ZigBee分組后,把傳感數據提取出來,交給IPv6協議棧,IPv6協議棧再通過以太網發給IPv6網絡。反之,IPv6網絡通過相反的方向將控制和配置數據發送給傳感節點。在這個過程中主要解決的問題有:1)把無線傳感網虛擬成IPv6網,使外部網絡能通過IPv6協議對傳感接點進行配置和數據傳送;2)協議轉換模型的設計,傳感數據的在ZigBee協議和IPv6協議中如何實現轉換;3)安全思想設計,無線傳感網部署在無人監守區域,而且有廣播特性,容易遭受攻擊,需要可靠的安全設計。
1 無線傳感網虛擬IPv6網
無線傳感網的傳感節點不具有IP地址,只有一個節點ID,要將無線傳感網與IPv6網通信,我們必須將無線傳感網中的傳感節點與一個IPv6地址對應,外部網絡使用這個IPv6地址與該傳感節點通信,因此在外部來看,我們把傳感節點虛擬成一個IPv6節點,如果我們把一個無線傳感網的中的每個節點都進行虛擬,就可以把傳感網虛擬成一個虛擬的IPv6網,在這個虛擬的IPv6網中,每個節點都有一個IPv6地址與外部IPv6網通信,但是在實際網絡中還是使用節點ID進行分組傳送。因此,在無線傳感網與IPv6網之間的網關要進行一個虛擬,在轉換網關內部,維持一個傳感節點IPv6地址與傳感節點內部節點ID的轉換表,當收到IPv6網發給內部節點對應的虛擬IPv6節點時,在轉換網關內部需要找到和虛擬IPv6地址對應的內部節點ID,并用這個ID進行傳感網數據傳送[4]。
如圖1所示A是IPv6通信節點,對傳感網發送配置和控制數據分組,實現對傳感網的控制,B為IPv6網與傳感網的轉換網關,主要進行IPv6地址與傳感節點內部ID轉換,分組格式轉換等,C為與A進行通信的傳感節點,它用節點ID和其他傳感節點進行通信,在網關里,它被虛擬分配一個IPv6地址,D為與C對應的虛擬節點,在網關里,C節點被虛擬成D這個IPv6節點,D的IPv6地址和C的傳感節點ID是唯一對應的。當A發送配置或控制數據到傳感節點C,轉換網關B提取出目標IPv6地址,發現是D,然后在地址轉換表里找到D的IPv6地址對應的節點ID,利用這個節點ID重新組合成新的傳感網報文分組,并發給C,C在收到報文分組后進行相應的動作。
不足之處主要包括:WSN的大規模組網需要多個網關的參與,網關的存在使得WSN對移動性的支持不足等。
2 協議轉換模型
網關要進行ZigBee協議和IPv6協議的轉換,必須分成兩部分,一個是用于與IPv6網進行通信的IPv6協議棧,另一個是用于與傳感網進行通信的ZigBee傳感網協議棧,如圖2所示,與傳感網通信的協議棧由物理層(PHY),安全層(SL),數據處理層(DPL),數據封裝層(DEL)組成。各層功能如下:數據封裝層的交互對象是IPv6協議棧的應用進程,完成的功能是IPv6協議棧與ZigBee無線傳感協議棧的應用層的數據接受、應答,以及由下層協議和上層應用程序發送過來的查詢數據和應用數據的封裝;數據處理層(DPL)是最復雜的層,它要完成傳感網內部數據的融合,根據傳感信息數據進行信息的更新、轉換,然后再根據自己的轉發策略進行轉發,在這一層主要的數據結構是節點信息列表和地址轉換信息表,節點信息列表記錄了當前傳感網絡個節點的信息狀態和路由信息,給傳感數據的轉發提供基本參考數據,地址列表記錄了每個傳感節點的節點ID和虛擬IPv6地址的對應信息,發往虛擬IPv6地址的報文都要在地址列表中找到對應節點ID才能在無線傳感網中傳輸;安全層(SL)主要是解決網絡層的匯聚節點攻擊、鏈路層的碰撞攻擊、物理層的擁塞攻擊、以及傳輸層的洪泛攻擊等常用網絡攻擊手段,在安全層,對接入的用戶要進行認證,認證通過后才能收發數據,如果重復大量發數據則會被限制。當數據通過安全層的合法認證后才能交給上層協議進行處理。在圖2中傳感節點產生傳感數據,形成WSN分組,發給轉換網關,在協議轉換網關,WSN數據經過安全層的人證,然后在數據處理層經過信息分析后交給數據封裝層,封裝層對數據進行封裝處理后交給IPv6協議棧的應用層,應用層把數據封裝成TCP數據段后交給網絡層,網絡層把數據段封裝上IPv6頭,形成IPv6報文并叫給鏈路層封裝,鏈路層再交給物理層進行具體發送,發送給外部IPv6網絡[5]。在另外一個方向上,協議轉換網關收到外部IPv6網絡的IP數據包后,交給傳輸層,傳輸層交給應用層,應用層交ZigBee協議棧,在ZigBee協議棧里,首先提取出數據,然后交數據處理層,在數據處理層里找到虛擬IPv6地址對應的節點ID,選擇好轉發策略,最后交給安全層,安全層通過安全認證后交物理層發送。最終將數據傳給傳感節點。
3 面向安全的設計思想
無線傳感網部署的時候都是部署在一些人不能到達的特殊地方,容易被人破壞,而且傳感節點是使用無線傳輸容易被別人截獲,容易被別人截獲信號,并進行數據篡改和惡意攻擊,使整個網絡癱瘓或者能量耗盡。因此,無線傳感協議的安全設計非常重要,本課題中對幾種常見的攻擊手法給出了應對措施,WSN拒絕服務攻擊,有些攻擊者只要掌握了查詢分組的格式就可向傳感網發送大量匿名查詢分組,使節點忙于應付查詢,從而達到耗盡網絡帶寬和傳感器能量的目的,對這樣的攻擊,在協議轉換網關的安全層加入認證機制,只允許認證用戶建立對等連接,不允許外部的匿名連接。如果采用匿名連接可以考慮查詢分組流量控制策略,對于頻繁請求的匿名連接不進行處理,對同一個地址發送的多次查詢請求也不進行處理。
4 結論
IPv6技術和ZigBee技術是這幾年發展起來的,給互聯網和傳感網帶來革命性的變化,將兩者結合進行協議轉換是本課題的創新點。在測試中我們使用10個壓力傳感節點來構建一個無線傳感網,網關無線通信模塊采用射頻芯片CC2430。處理器模塊采用8051單片機,進行系統的整體控制與協議轉換。與計算機的接口采用以太網(802.3) 。軟件方面移植一個嵌入式操作系統uC/OS-II,用于系統任務調度和進程通信等操作系統功能。在測試中,我們通過PC機通過IPv6網向網關發送組網命令后,10個節點都能加入傳感網,并能進行相互通信。系統運行后能準確獲取來自10節點的壓力傳感數據。由此證明本文所提設計思想可以在實際生產中進行應用,并具有良好的市場前景。
參考文獻
[1]K.Akkaya and M.Younis.A Survey of Routing Protocolsin Wireless Sensor Networks[J].Elsevier Ad Hoc Network Joumal,2005,3(3):325-349.
[2]W.Heinzelman,j.Kulik,and H,Balakrishnan.Adaptive Protocols for Information Dissemination in Wireless Sensor Networks.Proceedings of ACM International Conference of Mobile Computing and Networking.1999::174- 185.
[3]C.Intanagonwiwat,R.Govindan,and D.Estrin.Directed difusion:A Scalable and Robust Communication Paradgm for Sensor Networks.Proceedings of ACM International Conference of Mobile Computing and Networking,2000:56-67.
關鍵詞：無線傳感器網絡； ZigBee； 網關； GPRS
中圖分類號：TP393.08 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2163（2015）02-
Design of a Lightweight Wireless Sensor Networks Gateway
LI Songtao，ZHOU Chenghu
（School of Computer， Henan Institute of Engineering， Zhengzhou 451191，China）
Abstract：In the design of remote monitoring system of regional environment，the conversion is needed from ZigBee to GPRS.Aimed at the need of interconnection between different wireless communication technology in the system， a new intelligent gateway between two different wireless communication technologies is designed.This gateway is mainly composed of Zigbee and GPRS embedded TCP/IP，and is considered to achieve the conversion of these different protocol through the software and hardware design.The practical results show that the designed gateway satisfies the need of protocol conversion in remote wireless monitoring system.
Keywords：WSN； ZigBee； Gateway； GPRS
0引 言
Zigbee作為一種新興的無線通信技術，其低速率、低成本、低功耗、自配置和靈活的網絡結構，非常適合無線監控系統。而GPRS（General Packet Radio Service）網絡是一種長距離的移動通訊網絡具有信號覆蓋范圍廣、數據傳輸速率高等特點，其協議規程展示了無線和網絡相結合的特征。因此可以通過GPRS技術來拓展ZigBee測量控制網絡的作用范圍。而將兩者的特點結合起來后，就在眾多長距離、多監控點的系統中得到了廣泛應用[1-3].。
基于ZigBee和GPRS的網關設計就是在ZigBee 無線傳感器網絡和互聯網之間搭建一條數據傳輸通道，由此實現Zigbee協議數據包和TCP/IP 協議數據包的相互轉換，并且進一步實現數據在Zigbee 協議和TCP/IP 協議之間的雙向傳輸，完成ZigBee 網絡和IP 網絡的互通。系統設計的關鍵技術就是兩種協議的轉換。
1總體設計及網關作用
在監控系統中，網關的主要功能有[4-5]：
（1） 偵測并選定物理信道，分配ZigBee網絡中的網絡地址，初始化網絡設置；
（2） 配合網絡所采用的MAC算法和路由協議，協助其他網絡節點建立路由；
（3） 完成ZigBee網絡與GPRS網絡之間的協議轉換；
（4） 接收傳感器節點數據，對數據進行分析、融合等處理；
（5） 接受監控中心的命令，對命令分析后轉發給傳感器節點執行。
網關節點由CC2430協調器模塊，GPRS模塊、電源模塊等組成。作為區域環境遠程監控系統的一部分，網關發揮著數據傳輸和協議轉換的關鍵作用。網關在系統中的部署如圖1所示。監控系統內部包含一個Zigbee無線傳感器網絡，由ZigBee數據采集節點構成網狀網絡，所有的數據最終匯聚到網關，再由網關中的協調器節點完成數據的過濾、融合及轉發。除此之外，協調器模塊還具有ZigBee網絡的建立和協議轉換及命令的轉發等功能。GPRS模塊用來進行遠距離數據傳輸，并與遠程服務器建立起TCP/IP連接，數據可以通過Internet傳輸到服務器上，在服務器中完成數據的存儲、顯示和分析，而后根據設定的監控條件發出相應的控制命令，實現對ZigBee數據采集節點的控制。
圖1 網關的部署結構
Fig.1 Structure of？gateway？deployment
2協議棧分析及轉換
2.1 ZigBee協議棧
ZigBee 是電氣電子學會（IEEE） 無線個域網的802.15.4 技術標準，是基于開放系統互聯（OSI） 參考模型的體系結構， 如圖2所示。ZigBee是由多達65 000個無線節點組成的一個無線網絡，在整個網絡范圍內，節點之間可以進行相互通信；每個網絡節點間的距離可以從標準的75米，延拓至擴展后的幾百米，而且通過增加放大電路，通信距離甚至可延伸成幾公里。在ZigBee 協議棧里，IEEE 802.15.4定義了物理層（PHY） 協議和介質訪問控制層（MAC） 協議；同時，ZigBee 聯盟又制定了網絡層（NWK）、應用支持層（APS）、ZigBee設備對象（ZDO）等協議。一般情況下，用戶則可根據需求及接口來制定應用程序層[6]。
圖2 ZigBee協議棧
Fig.2 Protocol stack of ZigBee
2.2 GPRS技術
GPRS 技術是在GSM（Global System for MobileCommunications，全球移動通訊系統）技術的基礎上發展起來的一種新的移動通信技術，可為用戶提供分組形式的數據業務， 還可在移動用戶和數據網絡之間提供高速的無線數據傳輸。GPRS 采用與GSM 相同的無線調制標準、頻帶、突發結構、跳頻規則以及一般無二的TDMA幀結構。GPRS也是分組交換技術，并且具備實時在線、按量計費、高速傳輸等優點[7]。為方便開發，有些GPRS模塊內嵌了完整的TCP /IP 協議，支持數據的透明傳輸與非透明傳輸，還為用戶提供了更簡單的網絡接口。同時，GPRS模塊將可支持標準的AT 指令集。通過終端設備、終端適配器發送AT 指令來控制移動臺的功能，從而與GSM網絡業務進行交互[8]。
2.3 ZigBee 協議與TCP/IP 協議的轉換
ZigBee協議與GPRS之間的轉換在網關完成，其協議轉換如圖3 所示。ZigBee協調器節點接收到來自ZigBee網絡的數據包后，對數據包進行處理。按照已經定義的數據格式將數據重新封裝由串口發送到GPRS模塊。利用模塊內嵌的TCP/IP 協議，將模塊設置成透明數傳模式，當GPRS聯網成功時，網關將獲得由GSM網絡運營商隨機分配的內網IP地址，此時利用這個IP通過移動運營商的網關訪問Internet網，再將數據發送到服務器上，實現由ZigBee到GPRS的數據傳送。需要注意的是，移動GPRS網關提供的NAT（網絡地址翻譯）端口映射服務具有很短的時效，若需要維持雙向的通信必須設置GPRS-DTU定時發送的心跳數據包，從而保持NAT端口映射。由Internet端向ZigBee端的協議轉換與前述過程相反，按照圖3即可實現類似解決。
圖3 ZigBee協議與GPRS之間的轉換
Fig.3 Conversion？between ZigBee protocol and？GPRS
3網關硬件平臺設計
網關硬件按照模塊化思想進行設計，電路主要由控制器模塊CC2430、GPRS模塊、液晶顯示模塊和電源模塊等組成，其硬件電路結構框圖如圖4所示。CC2430內嵌有加強功能的8051處理器和高效的無線射頻芯片，通過軟件編程的方式將其設置為ZigBee協調器節點。具體設計實現可做如下描述。
3.1 控制器模塊
在該網關系統中，將控制器、協調器和通信模塊集成為一個整體，基于這種結構，就減少了通常網關中單獨使用的控制模塊。由于在協議轉換的全過程并不需要用戶干預，從而實現了透明的協議轉換和數據傳輸。由分析可知，這種設計方案不僅降低了成本，簡化了設計，對網關的可靠性也獲得了一定程度的提升。CC2430內部不僅有加強型的單片機，內置的Flash存儲器還可以保存全部的ZigBee協議棧，并有足夠的空間保證應用程序的流暢運行。
圖4 網關硬件結構
Fig.4 Structure of gateway hardware？？
3.2 GPRS模塊
GPRS模塊采用COMWAY WG-8010組件，其中內置工業級GPRS無線模塊，提供標準RS232數據接口，可以方便地連接RTU、PLC、工控機等設備。完成初始化配置后，網關就可以與服務器端通過GPRS無線網絡和Internet網絡建立連接，實現數據的透明傳輸。
4 軟件設計
4.1 ZigBee協調器軟件設計
ZigBee協調器實現了網絡的建立、傳感器節點的數據收集和節點管理等功能。軟件流程如圖5所示。網關上電后，首先進行硬件的初始化，并掃描可用的通信信道，建立ZigBee網絡，進一步設置網絡的PAN ID，等待傳感器節點加入網絡。當傳感器節點加入網絡之后，接收傳感器節點發送的傳感器數據。協調器通過RS232與GPRS模塊相連，將采集到的數據發送到GPRS模塊。具體來說，協調器軟件設計基于Z-Stack協議棧，使用C語言在IAR嵌入式編程環境下開發。Z-Stack是TI中操作系統、而且是基于優先級的輪轉查詢式操作系統，系統初始化后開始執行操作系統。在操作系統中進行的是一個輪詢式無限循環。協調器的數據收集和串口通信分別部署在兩個不同的任務中，任務之間即通過事件進行通信。
圖5 協調器軟件流程圖
Fig.5 Software flow chart of coordinator
4.2 GPRS模塊參數配置
由于GPRS模塊實現了DTU功能，需要對模塊的一些參數進行配置。基本內容主要有選擇TCP/IP協議作為通信協議；設定遠程主機的IP和端口號；設置DTU的工作模式為自動連接模式，保證模塊掉線后能立即重新連接，最大限度地防止數據丟失；設置DTU串口的通信參數：波特率、數據位、停止位和校驗位。這些參數要和ZigBee協調器的串口通信參數一致，保證串口通信的正常。此外，為了確保遠程數據通信的連續性，還需要設置心跳包的內容（ASCII碼或16進制數據）和時間間隔，心跳包是為了在GPRS通信空閑中避免運營商切斷連接而定時發送的數據包。
5 結束語
本文提出了一種輕量級無線通信網關的設計和實現方案，該方案采用CC2430為核心，在網關內部完成了ZigBee協議與GPRS的轉換，并通過GPRS將數據發送到遠端的具有獨立IP的服務器，實現了數據的遠距離傳輸。系統將近距離的ZigBee通信和遠距離的GPRS通信結合起來，發揮兩種不同特點的無線通信技術的優勢，該網關已在區域環境監控系統中得到了應用，實踐結果表明，該網關可靠性高、抗干擾能力強，具有很好的通用性。
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關鍵詞：環境監測；ZigBee；WiFi；無線網關
中圖分類號：X83 文獻標識碼：A
引言
隨著環保意識的日益加強，對于環境的監測要求越來越高，不僅監測的參數越來越多，而且監測范圍越來越細，手段也更加靈活。因此，用信息技術來提升環境監測設備不僅可能而且必要。早期環境監測設備中的監控數據多采用有線傳輸或者人工抄表，因其布線繁冗，成本高，位置固定，靈活度低而受到很大限制。智能化的數據采集處理與無線傳輸是環境監測設備的重要發展趨勢。
ZigBee是目前應用最為廣泛的近場無線通信技術之一，具有自組織、低成本、低功耗、高可靠性和短時延的特點，是需要較多傳感控制節點應用的首選。ZigBee工作在2.4GHz ISM頻段，最多可容納65536個節點，節點不僅能進行數據采集，還能以多跳的方式承擔網內節點的數據轉發。但ZigBee單跳通信距離較短，數據傳輸速率最高僅為250kb/s@2.4GHz且不能直接與Internet互聯[1]。
為了拓展通信距離和實現遠程應用，文獻【2】直接給出了基于WiFi的監控方案，但是WiFi節點功耗相對較高，組網方式限制了其覆蓋范圍。文獻【3】采用ZigBee和以太網相結合的方式實現數據采集與遠程應用，具體是通過ARM+Linux控制通信模塊，如GPRS/CDMA或其他以太網接口來實現的。ARM芯片分別與ZigBee和通信模塊相連，通過運行ARM中Linux平臺上的代碼進行總體控制和協議轉換，此類方案雖可實現ZigBee與以太網之間的協議轉換，但是網關的功耗大，成本高，協議轉換效率低，可靠性與穩定性相對較差。
為充分利用ZigBee和WiFi的優點，實現設施環境監測數據與Internet無縫鏈接，拓展設施環境監測設備的應用范圍。本文給出并實現了一種新的ZigBee-WiFi無線網關，該網關以STM32W108及AX22001為核心芯片，通過固化在芯片中的代碼實現ZigBee網絡與WiFi網絡的協議轉換，經測試，該無線網關穩定可靠，功耗低，能夠滿足設現代環境監測對數據采集、無線傳輸和數據遠程應用的要求。
1.網關硬件設計與實現
ZigBee-WiFi無線網關位于ZigBee網絡和WiFi網絡之間，實現兩種不同協議的轉換。本文設計并實現的網關既是ZigBee網絡的協調器，負責構建和配置整個ZigBee無線傳感器網絡，又是WiFi的無線節點，具有收集分發ZigBee節點數據、協議轉換功能。其結構和功能如圖1所示：
圖1 ZigBee-WiFi網關結構能功能
ZigBee部分以STM32W108CBU61為核心芯片，它是集成了符合IEEE 802.15.4標準2.4GHz收發器的32位ARM Cortex-M3微處理器，固化了Ember ZigBee協議棧，支持星型、樹狀和網狀三種ZigBee基本網絡結構[6]。
網關中ZigBee射頻部分在使用片內功率放大器時，無阻擋傳輸距離約為75M，能夠滿足布局簡單，范圍較小的場合。
網關中WiFi部分主控核心芯片AX22001是內置802.11無線網MAC/基帶雙CPU架構的TCP/IP微處理器，其中MCPU負責應用程序和TCP/IP協議處理，WCPU則負責WLAN協議處理以及以太網封包格式的轉換，支持軟件設置TCP 服務器、TCP客戶端以及UDP工作模式。WiFi射頻部分的核心芯片是AL2230S，它工作于2.4GHz頻段，支持802.11b/g。STM32W108與AX22001間的數據交換通過UART完成。
ZigBee和WiFi都使用2.4GHz ISM頻段，其間干擾是影響網關穩定工作的重要因素。ZigBee將工作得2.4GHz頻段劃分為16個信道，信道帶寬為2MHz；WiFi則將該頻段劃分為11個信道，信道帶寬為22MHz。ZigBee與WiFi有12個信道重疊，無重疊信道最多有4個，如圖2所示。
圖2 WiFi與ZigBee信道分配圖
雖然ZigBee信號相對于WiFi屬于窄帶干擾源，WiFi通過擴頻技術可以充分抑制ZigBee信號。同時ZigBee網絡在信道訪問上采用了CSMA-CA碰撞避免機制，通過檢測信道上能量判斷信道狀態，這種信道占用檢測和動態信道選擇的方式對ZigBee和WiFi抗同頻干擾，實現共存非常重要[7] 。在網關的硬件設計中仍需盡可能的將ZigBee和WiFi模塊隔開且用鐵殼覆蓋以減少輻射外泄，軟件設置ZigBee與WiFi信道選擇范圍，以減少二者信道相互重疊的可能性。此外，ZigBee和WiFi模塊分別單獨供電，軟件實現“時分復用”，盡可能避免出現ZigBee和WiFi同時發送數據的情況出現，提高網關無線數據傳輸的可靠性和穩定性。
2.網關軟件設計與實現
ZigBee采用IEEE 802.15.4協議，根據節點地址進行通信，WiFi采用TCP/IP協議，根據IP地址進行通信。ZigBee傳感節點采集到的數據按照IEEE 802.15.4協議傳送到網關，網關解析出數據的有效載荷并轉發給WiFi網絡。當WiFi網絡需要發送數據給ZigBee中節點時，網關會根據TCP/IP數據包中含有的ZigBee節點地址將有效數據轉發到指定節點。網關軟件通過調用協議棧建立并維護網絡通信，數據轉換在應用層上實現。
網關中ZigBee模塊作為協調器，負責ZigBee網絡的建立，信息接收、匯總及傳輸。協調器上電后掃描信道創建ZigBee網絡，選定一個PANID作為協調器的網絡標識，創建路由表，廣播網絡允許節點加入網絡。ZigBee模塊的工作流程如圖3所示：
圖3 ZigBee協調器工作流程圖
WiFi模塊負責WiFi網絡中的數據收發，支持AD-HOC直連和基礎網絡模式兩種通信模式。本文將WiFi節點配置成基礎網絡模式，通過無線路由與上位機進行數據交換。WiFi模塊上電后，初始化硬件和網絡協議棧，設置模塊參數，掃描信道加入無線局域網絡。圖4為WiFi模塊工作流程圖：
圖4 WiFi模塊工作流程圖
ZigBee向WiFi發送數據：網關內的ZigBee協調器接收到節點傳來的數據后將其與發送節點地址通過UART發送給AX22001主MCU，運行在主MCU中的程序將數據及節點地址打包通過WiFi發送出去。WiFi向ZigBee發送數據：AX22001主MCU將接收到的IP數據包解包提取目的節點地址和數據，通過UART將其發送給網關內的ZigBee協調器，協調器根據目的節點地址將數據發送到指定節點上。
3.系統測試與結果分析
為測試ZigBee-WiFi無線網關的運行情況，本文采用多線程技術開發了上位機監控測試程序，其中主線程用來接收數據，發送線程用來發送數據。ZigBee-WiFi網關與測試程序之間通信通過Socket套接字來完成，網關運行在服務器模式下，測試程序運行在客戶端模式下，通信流程如圖5所示。
圖5 socket通信流程圖
測試時將ZigBee采集節點設置為全功能路由節點，外接溫濕度、光強、二氧化碳濃度傳感器。在一112M×49M食品生產車間中布置15個數據采集結點，測試程序運行在PC上，配置PC使得ZigBee-WiFi網關和PC工作在同一無線網絡中。ZigBee-WiFi網關首先加電啟動，然后運行位于WiFi網絡中PC上的測試程序，輸入指定的IP地址和端口后，點擊連接。接收數據結果如圖6所示。
圖6 上位機接收數據
接收到的數據包括ZigBee節點64位全球唯一的物理地址地址，如圖中“0080E102001BC0A8”，接收到的信號的強度RSSI，該參數可被用來判定鏈接質量，其余分別為傳感器測得的環境參數值。同時上位機通過WiFi向ZigBee中所有節點循環依次發送數據，ZigBee節點均可正確接收。經多天連續運行測試，數據傳輸多在單跳內完成且時延小于10ms，丟包與信號強度及頻率有關，據測試結果可知網關丟包率小于1%。上述結果表明設計的網關節點功能符合要求且系統運行穩定、可靠。
4.結論
本文以STM32W108及AX22001為核心芯片設計并實現了一個用于環境監測中的ZigBee-WiFi無線網關。該網關能夠滿足ZigBee與WiFi兩種不同網絡間數據互聯要求，實現了ZigBee網絡與WiFi網絡的無縫連接，拓展了ZigBee網絡的覆蓋范圍，方便與遠程環境監測系統實現無縫連接。同時，該網關較其他方案具有功耗低，結構簡單，組網方便等特點。
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關鍵詞：ZigBee;SCS;網關;安防監控
中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1302（2014）11-00-03
0 引 言
智能家居是以住宅為平臺安裝有智能家居系統的居住環境。在智能家居系統中安防監控技術在可視對講，防盜報警，家庭監控，小區一卡通等領域都有廣泛的應用。根據不同的家庭建筑情況，智能家居系統可采取不同的家庭網絡設計，對于已經裝修過的建筑可以采取無線自動控制系統，而未裝修的建筑，可以采取無線與有線相結合的控制方法，這樣彌補了無線不穩定等問題。
1 系統構建概述
安防監控報警系統針對非法闖入、火災險情、煤氣泄漏、水管泄漏、電路故障等危險狀況進行緊急求助與報警。該安防監控系統重點闡述三個設計：ZigBee/SCS智能網關，ZigBee無線家庭網絡以及安防終端設計。ZigBee/SCS智能網關連接ZigBee無線和SCS總線系統，可以使無線控制器控制SCS總線設備。ZigBee無線家庭網絡是無線局域網，主要由ZigBee終端節點和ZigBee協調節點組成。用戶通過無線網絡把查詢和控制信息發送給智能網關，智能網關對接收到的信息進行處理，進而發送給協調器，協調器根據接收的信息地址，最終把指令信息發送給ZigBee終端節點，實現對智能家居系統的安防監測。此外，ZigBee/SCS智能網關具有語音識別單元，通過語音識別功能可以實現智能家居設備的語音控制。圖1為智能家居系統結構圖。
2 系統硬件設計
2.1 安防監控網關設計
安防監控網關是該系統的核心設計，是外網和家庭內部ZigBee網絡的一個節點。系統設計的是基于SCS協議的ZigBee/SCS智能網關，該網關主要接收采集節點，安防節點，控制節點傳輸過來的數據，并對其進行轉換，同時對外網傳來的數據信息進行轉發以及傳遞采集節點的數據，把SCS協議或ZigBee協議轉換到TCP協議。該ZigBee/SCS智能網關可以連接到ZigBee無線系統和SCS總線系統，在智能家居實際實施過程中，在該網關的作用下，可以實現無線電控制器控制結構化布線系統（SCS）執行器，同時結構化布線系統（SCS）控制器能夠控制無線電ZigBee調光器開關。
圖1 系統結構圖
網關的硬件電路主要有7個部分組成，分別是控制器模塊ARM9處理器，64 MB的存儲單元NAND FLASH和64MB SDRAM，ZigBee模塊（ZigBee協調器CC2530），LCD顯示模塊，JTAG調試接口模塊以及SCS/BUS接口模塊。圖2為安防監控網關硬件電路結構框圖。
圖2 安防監控網關硬件電路結構框圖
安防監控網關設計的核心是控制器的選擇，該設計選擇ARM9芯片（S3C2440A）作為主控制器，它是以ARM920T為核心的RISC微處理器。該處理器集成了外部存儲控制器，中斷控制器，LCD控制器，DMA控制器，時鐘和電源管理等豐富資源。同時，通過外擴存儲器，串口，JTAG調試接口和SCS/SCS接口等構成硬件開發平臺。
SCS-BUS是指結構化布線/總線系統，SCS（Sistema Cablaggio Semplificato，簡化布線系統）是一個現場總線網絡協議，目前在Bticino和羅格朗得到廣泛的應用。SCS總線基于護套雙絞線，可以調制4種不同的信號：電力供應信號、數據信號、音頻信號、視頻信號。其傳輸控制協議是CSMA/CA（載波偵聽/碰撞避免）。該網關是雙向的，他們將SCS幀轉化為OpenWebNet幀，相反，開放協議OpenWebNet讓大家來構建軟件與SCS interact設備。SCS協議是一種專有Bticino協議。與其他現場總線交互必須僅使用OpenWebNet編寫軟件。
ZigBee模塊選擇CC2530作為射頻收發器，完成與主控制器之間的數據通信。CC2530 芯片是2.4 GHz的片上系統，建立在基于IEEE 802.15.4標準協議上面，或是專門的網絡協議上面。CC2530模塊大致可以分為CPU 和內存相關的模塊，外設、時鐘和電源管理相關的模塊，無線電相關的模塊。此外，CC2530提供了一個IEEE 802.15.4兼容無線收發器，RF內核控制模擬無線模塊。
系統無線網絡部分，主控制器通過串口與無線收發模塊CC2530連接，同時對無線模塊進行相應的設置，并對采集節點，安防節點，控制節點的數據信息接收與處理。有線設計部分，實在網關硬件平臺外擴一個SCS接口，實現與終端設備的連接，進行數據采集，傳輸數據，主控機根據接收到的信息進行控制。
2.2 協調節點設計
ZigBee網絡的根本是充當多個網絡之間的橋梁，每個網絡必須有一個協調器，可以存儲其所屬網絡的信息，并且充當安全鍵的保險裝置。該系統中ZigBee/SCS網關的協調器必須是ZigBee協調器。
本系統協調節點選擇無線片上系統設計的CC2530射頻芯片作為ZigBee芯片，該芯片集成了系統所需要的一般基本電路，只需設計簡單的電路就可以實現系統的無線收發功能。圖3為協調節點結構圖。
圖3 協調節點結構圖
2.3 終端硬件電路設計
安防監控報警模塊通過布置在室內外的安防傳感器來探測警報事件，由智能家居管理終端向用戶和小區保安系統發出報警信息。安防傳感器主要有門磁、窗磁、煤氣泄露傳感器、煙霧傳感器、紅外探頭等。
采用的技術路線：無線部分采用ZigBee芯片作為安防傳感器的執行器，安防傳感器通過ZigBee網絡實現與智能家居管理終端的通信。有線部分智能家居管理終端可以通過SCS口連接來實現。ZigBee網絡終端節點設備定時上傳安防傳感器的參數，通過智能家居管理終端可以查詢安防傳感器的工作狀態和警報信息。圖4為安防監控系統終端管理硬件結構圖。
圖4 安防監控終端系統硬件結構圖
控制器S3C2440A核心板是智能家居管理終端的中央控制器，負責分析處理各功能模塊傳輸的數據，并作出相應的決策來實現智能家居系統的各項功能。底板上的電源和復位模塊負責為核心板和各功能模塊提供工作電壓，復位電路使管理終端穩定可靠的工作。下載調試接口負責智能家居管理終端軟件操作系統的定制、安裝和應用程序的下載調試。ZigBee模塊作為協調器負責組建ZigBee網絡，實現與各種智能家電和安防傳感器之間的通信。SD卡可以作為事件記錄。監控設備可以是多個網絡攝像頭，通過網線與路由器相連接，在對其進項相關設置。LCD觸摸顯示屏和音頻模塊組合可以實現家居安防里的可視對講分機的功能。智能家居管理終端本地控制的功能是通過LCD觸摸顯示屏來實現的。WiFi模塊、GPRS模塊和SCS模塊使智能家居管理終端可以通過無線和有線網絡，實現音頻視頻圖像傳輸和遠程控制。
3 系統軟件設計
3.1 安防監控網關主要程序設計
安防監控網關連接外網和家庭內部ZigBee網絡，進行不同的協議轉換，確保不同的網絡之間能夠正常通信。在本系統中ZigBee/SCS智能網關把SCS協議或ZigBee協議轉換成TCP/IP協議。采集節點將監控的信息進行打包處理，包括該節點的地址信息與檢測到的數據信息，無線部分以ZigBee幀的方式發送給ZigBee/SCS網關節點，有線部分將SCS幀轉化為OpenWebNet幀，網關節點接收到信息后，對原始數據進行處理，接著再以以TCP/IP協議進行打包處理。圖5為安防監控網關主程序流程圖。
圖5 安防監控網關主程序流程圖
在硬件平臺的基礎上，首先對硬件進行上電操作，啟動實時操作系統Linux，同時對應用程序進行初始化。安防監控網關起初是處于監聽網絡狀態，當有數據信息轉發過來時，將進入中斷處理狀態。如果數據來自ZigBee網絡節點，則對數據進行處理，同時顯示節點數據，進行存儲打包發給外網，最終回到監聽網絡狀態。如果數據是SCS數據，則執行指令信息，把安防監測信息發送給主機，與ZigBee數據信息一樣，最終回歸到監聽網絡狀態。
3.2 ZigBee協調節點入網設計
協調節點能夠成功通信的條件是協調節點建立的新網絡在可用的信道上，即空閑信道上。圖6為協調節點的入網設計主程序流程圖。首先對節點進行上電操作，硬件進行初始化，同時要求協議棧進行初始化。協調節點通過掃描搜索可用信道嘗試建立新的網絡。在射頻單元搜索過程中，如果有任何一個ZigBee網絡在該信道上，協調節點將認為該信道已經被占用，為不可用信道。協調節點將重復此過程直到搜索到可用信道。成功建立新的網絡后，節點將進入監聽網絡狀態。當終端節點發送入網請求時，將產生中斷，判斷是否為安防監測終端數據，如果是將進行數據數據轉發與處理，協調節點最終回歸于監聽網絡狀態。
3.3 安防監控終端入網設計
終端節點需要完成兩項工作，一是網絡之間的通信，二是對終端設備進行操作。在終端節點中，采集節點需要采集家庭安防數據信息，再發送給協調節點，同時接收處理發送給它的查詢信息。控制節點在接收到控制命令后對家電進行控制，同時也要完成射頻信息接收的工作，這要求設備操作與網絡通信之間建立連接。安防節點相對簡單一些，只需要在規定的時間內進行安防數據采集與發送。進行終端節點操作時已經確定終端節點的網絡了，因此，終端節點進行上電操作與系統初始化后，開始搜尋ZigBee無線網絡，直至確認無線網絡所載的信道，否則將重復進行搜尋過程。申請加入網絡，入網成功后，終端節點將進行發送數據與接收命令。
圖6 協調節點入網主程序設計
4 結 語
設計的智能家居安防監控系統是針對家庭住宅未裝修的情況，它采取無線網絡與有線網絡相結合的方法，實現安防監控功能。該系統是以ARM9為硬件平臺，Linux為實時操作系統，SCS協議為智能家居總線協議，ZigBee/SCS為智能網關，將家庭內部無線傳感采集節點采集的安防數據信息發送到控制主機，實現了對非法闖入，火災險情，電路故障等狀況的實時監測。該設計可以使安防監控報警系統獲得穩定的網絡通信，同時該系統在實際布線過程中可實現無線電控制器與SCS（結構化布線系統）執行器的相互控制，對智能家居系統的發展與建設有重要的意義。
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1 ZigBee技術簡述
在無限互聯傳感技術中，ZigBee技術是一種新型、開放的短距離、低功耗、低速率的無線互聯傳感技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案。這種技術目前只適合應用在一些短距離的無線網絡通信等方面。
ZigBee是基于IEEE 802.15.4的遠程監控，其中其應用已經滲入到智能家居、智能交通、無線測繪以及醫療等領域，具有較大的發展空間。并在2001年成立了ZigBee聯盟，為以后的技術發展提供更廣闊的技術指導。
2 ZigBee協議棧體系結構分析
ZigBee協議棧主要有物理層、網絡層、鏈路層以及應用層等組成。一般物理層主要負責最基本的無線通信，經常是由調制和傳輸以及數據的加密及接收等構成。而鏈路層主要是提供設備之間的單跳通信和可靠傳輸以及通信安全。網絡層一般主要提供通用的網絡層的功能，常見有拓撲結構的搭建和維護、尋址和安全路由等。而應用層一般主要包括應用支持子層和ZigBee設備對象以及各種應用對象。而應用支持子層主要是提供安全與映射管理的服務，ZDO一般主要負責設備的管理，其中包括安全的策略和安全的配置等的管理，并且應用層提供對ZDO和ZigBee應用的服務。
3 ZigBee網絡結構分析
在ZigBee的規范定義中，對ZigBee協調器和ZigBee路由器以及ZigBee終端設備進行定義。其中ZigBee協調器主要是負責啟動和配置整個網絡，一般在一個ZigBee網絡中只能允許有一個ZigBee融協調器。而ZigBee路由器它是屬于一種支持關聯的重要設備，一般一個網絡可以有多個ZigBee路由器，它主要是將消息進行轉發到其它的設備上，但是其在星型的網絡結構中不支持ZigBee路由器，但是ZigBee的終端設備可以進行執行與其相關的基本功能，從而使網絡和設備之間的通信。
4 ZigBee技術的應用分析
在無線傳感網絡技術中，ZigBee技術的發展為短距離的無線通信技術提供革命性的變化，它的低速率和短距離以及傳輸數據最少的特點，填補了我國自組網的傳感器領域應用的空白。下面對當前幾中無線互聯傳感網絡技術進行對比分析
我們可以看出，每一種無線通信技術都具有自己的獨特優勢和發展應用的領域，通過分析可知，ZigBee技術更適合在一些大量的微小傳感器之間進行傳輸通信，是一種新型的無線傳感網絡技術，在工業、軍事、農業、環境以及醫療等領域都有巨大的發展應用價值。
ZigBee技術的發展涉及到的范圍比較廣泛，常見的有網絡傳輸和射頻技術以及底層軟硬件控制等技術。一般在應用ZigBee技術來進行實現無線傳感器網時，一般需要考慮網絡的節點硬件的設計以及實現相應功能中所需要的軟件設計。目前，市場上在硬件上的設計主要是應用ZigBee的射頻芯片及片上系統，例如，TI公司的CC2420和CC2430以及Ember公司的EM250和260等等，一般這些芯片大大的降低了硬件的設計要求，一般在芯片上加入一些少量的元件就可以實現應用的節點，而對于其軟件設計主要是利用ZigBee協議棧，它是ZigBee技術的核心部分，可以實現數據的收發和校驗以及各種網絡拓撲和路由計算等復雜的功能。隨著ZigBee聯盟對ZigBee協議棧的逐漸開放，從而降低了軟件上的一些限制。
目前ZigBee技術的提供有三種方式：1）利用ZigBee RF+MCU ZigBee協議棧然后在MCU上進行運行的方式，其主要具有超低功耗和較好的無線電性能以及成本低等特點；2）利用集成的MCU和RF收發器以及ZigBee協議棧進行的單芯片集成SOC方式，這種方式具有占位面積小和集成度高以及成本控制地等特點；3）利用ZigBee協處理器和MCU雙芯片的組合方式，其方式在用戶進行設計和使用的過程中，具有較高的彈性和靈活度，一般不需要牽涉到較多的ZigBee開發技術，經常可以任意進行選擇MCU和加速產品。
5 ZigBee技術發展的展望
在無線傳感網絡技術中，ZigBee技術作為一種新型、開放的無線傳感網絡技術，由于其具有短距離、低功耗、低速率的優越特性，因此，奠定了其在以后的短距離傳輸中具有較大的發展優勢，但是這種技術只適合短距離的傳輸，因此，在遠距離的傳輸中還是面臨一定的問題。同時這種技術帶動了無線傳感網絡技術的發展，而且解決了一些傳統的通信技術不能解決的問題。從其整體性來說，ZigBee技術在以后的發展中還是處于比較有優勢的，同時需要技術人員的不斷創新和發展，使其在以后的發展中得到更廣泛的應用。
6 結束語
綜上所述，ZigBee是一種新型、開放的無線通信技術，在一些短距離的傳輸過程中還是比較有優勢的，但是其實現的成本還是相對其他技術的要高。隨著國際化組織和ZigBee聯盟的推動，相信ZigBee協議的發展會越來越完善，為以后其他的領域應用帶來革命性的變化。
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【關鍵詞】物聯網 ZigBee 網關設計與實F
1 引言
物聯網的概念是在2005年的國際電信聯盟上提出的。在信息化的時代，物聯網的提出的應用，加強了人與人之間甚至人與物之間的通道，為人們的生活帶來了便利，使人們的生活更加智能化、簡單化。物聯網的發展伴隨這無線傳感器技術的不斷成熟，無線傳感器結構簡單、成本低廉、工作時間長等優點為物聯網的發展帶來了極大地發展空間。但是由于物聯網中廣泛采用的BigZee網關的網絡結構與TCP/IP的網絡結構不同，如何使兩種異構網絡結構的網關進行有效地融合成為我們要探討的關鍵技術。本文主要從網管的需求分析、軟件各模塊之間的設計與實現等兩大部分進行論述，以求解救此問題。
2 網關的需求分析
物聯網的網絡結構設計一般分為感知層、傳輸層、和應用層三層。感知層的主要作用是收集信息并進行數據的傳輸。在感知層中，通過傳感器、REID、攝像頭等技術對農場、交通等的數據信息進行收集并通過無線網絡將數據傳輸出去。在傳輸層中，運用現代的寬帶技術對感知層收集的數據進行收集，一方面擴展了感知層的傳輸距離，另一方面加強了感知層和傳輸層之間的聯系。而應用層主要負責的傳輸層輸送的數據的處理、加工，應用層的技術數據處理的結果也是物聯網的最終目的。物聯網的BigZee網關位于傳輸層中，其連接傳感器和傳統通信網絡的作用。網關的主要功能有協議轉換、數據收發、傳感網絡管理等。
2.1 協議轉換功能
在網絡設計與數據傳輸過程中，網關最基本的功能就是使數據在不同的協議之間進行轉換。當收到物聯網的ZigBee網關發送的數據之后，網關根據ZigBee協議進行去除PHY層、包頭等之后再對數據進行封裝，然后傳送給下一個網絡節點。因此，在大的網絡中，應有ZigBee和TCP/IP兩種協議，才能使數據在以太網中順利傳輸。
2.2 數據收發功能
網關作為溝通傳感器和通信網絡之間的橋梁，能夠起到數據中專的作用。ZigBee的數據在節點內容進行處理之后通過傳輸層傳遞給網關，網關在進行數據封裝之后通過以太網傳輸給IP主機。同時，IP主機的數據信息也可以通過網絡中轉傳遞給物聯網的ZigBee節點。網關中轉站的功能完美實現了數據在哥節點之間的傳遞。
2.3 傳感器網絡管理功能
ZigBee的一個很重要的功能是實現ZigBee網絡的管理，處理網絡的建立、網絡的申請等事項，在數據傳輸過程中，分配網絡地址、完善網絡的拓撲結構等，同時在節點完成數據傳輸時及時對節點進行回收。
3 網關的總體設計與軟件各模塊之間的的設計與實現
3.1 網關的總體設計
網關的總體設計主要包括網關的硬件設計和軟件設計兩大部分。網關總體設計與實現對后續各個軟件之間的設計及數據的處理傳遞至關重要。
3.1.1 硬件設計
網關的硬件設計大致都是CPU 結構，CPU結構中主要包括ZigBee和CC2530兩個模塊。兩個模塊分別采用了ZigBee開發套件和龍芯1B開發板。在兩個模塊進行連接時，主要通過套件和開發板進行連接，從而共同完成網關的功能。
3.1.2 軟件設計
軟件的設計主要采用嵌入式Linux操作系統和Stack協議棧，根據各個軟件模塊的需求分析確定網關的各個功能模塊，軟件設計的主要目的是完成網關軟件結構、網關與IP網絡主機及ZigBee網關節點之間的有效連接。
在軟件設計中，我們著重討論Linux的設計與實現。從自身性能來考慮，Linux操作系統的內存較小，并且內核可以進行裁剪，相對于其他操作系統更能符合服務器的需求。而且，Linux操作系統的源碼是開發的，并進行模塊化設計，能更好地在后期進行完善。再者，Linux操作系統本身支持TCP/IP的協議網關，能夠實現較為復雜的功能。最后，Linux操作系統和Zstack提供串口驅動，可以實現串口的讀寫工作，方便后期的開發。
3.2 ZigBee內容通信模塊設計
ZigBee網絡內部主要由終端節點、路由器、協調器三個節點完成。ZigBee網絡的主要功能有：網絡建立與入網申請。數據收發、包裝盒接受ZigBee網絡上傳的數據。ZigBee內部通信模塊的有效設計對各個模塊之間的有效運行和數據的傳遞、封裝都提供了有效的條件。同時，也應該注意到，ZigBee內部通信模塊的設計涉及到很多的理論知識，在設計時將這些理論知識相融合使用。
3.3 網關主控模塊設計
網絡主控模塊的主要功能是完成與ZigBee和IP主機之間的通信。網關主控與ZigBee取得通信，接受ZigBee的數據信息并對ZigBee傳遞命令。同時網關主控模塊與IP主機之間獲得通信，獲取命令或取得數據信想。同時，其他模塊與網關主控模塊進行交互時則主要是通過Linux操作系統對串口的操作。其在交互中運用的命令會根據不同的需求來進行定義。
4 總結
物聯網ZigBee網管的設計與實現對物聯網以后的發展及對人們生活的影響都有深刻的影響。在網關的設計與實現中，ZigBee網關與IP網絡的融合成為關鍵技術。為了更好地實現ZigBee網關的連接，也要更多的從網管的需求、內部結構以及同其他模塊的相互連接的角度考慮，只有這樣，才能從實際需求出發，更好地促進發展，同時帶動物聯網的發展成熟。
參考文獻
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作者單位
牛作領（1980-），男，陜西省咸陽市人。現為西安交通工程學院講師，目前主要從事計算機與通信信號教學與研究。
項目背景 隨著我國逐漸進入老齡化社會，老年人數量越來越多，許多老年人患有各種老年性疾病，嚴重者會失去生活自理能力而長期臥床，而子女和家人不可能時刻伴隨著老人。基于ZigBee技術的無線緊急呼叫系統，就是在此背景下進行研究和開發的。當老人需要幫助，而家人又不在身邊時，可以通過手持終端上的按鍵發送求助信息，家人看到燈閃或聽到聲音就明白老人需要幫助，可及時前往而有效地利用時間。
ZigBee技術簡介 ZigBee協議是2001年6月成立的ZigBee聯盟專門為實現家庭及辦公室自動化的控制系統、醫療保健設備及自動化檢查系統的通信應用而開發的一種無線通信標準。與其他無線通訊協議相比，具有低速率、近距離、短時延、高安全、免執照頻段等特點，是以低復雜度、低成本、低功耗為目標的一種無線通訊協議。老年求助呼叫系統對數據傳輸可靠性要求很高，但每次需要傳輸的數據信號容量很小，要求呼叫端設備的重量和體積較小，這些應用要求與ZigBee協議的特點很吻合[1]。
2 系統總體結構設計
ZigBee網絡通常由協調器、路由器、終端設備三個節點構成，每個ZigBee網絡需要且只需要一個協調器，用來創建ZigBee網絡，并為最初加入網絡的節點分配地址；路由器節點有轉發數據功能，起到路由的作用；終端設備節點之間，只能與協調器節點通信，通常只周期性地發送數據[2]。本系統用于家庭網絡，研究表明，一般家庭面積25*25 m2內，ZigBee在此范圍的通訊誤包率基本為零[3]，因此不設ZigBee路由節點。本系統由一個協調器節點和五個終端設備節點形成一個星型網絡拓撲結構。
系統由病人呼叫器、協調器、應答器構成。系統總體結構如圖1所示。其中，中控器在網絡中充當協調器，負責建立和管理網絡、信號的轉發。呼叫器和應答器在網絡中充當終端設備。呼叫器用來發送呼叫請求和取消 。
3 系統硬件及軟件設計
系統硬件設計
1）中央處理器模塊。本研究選用德州儀器的CC2530 F256集成芯片，該芯片集成了增強型8051微控制內核與的2.4 GHz的RF收發器，具有256 K的內存，系統內包括可編程閃存、8 KB RAM、A/D轉換器以及許多其他功能。同時具有網絡節點功能強大、喚醒與休眠工作模式多樣、材料成本低廉的特點，使得它更適應超低功耗要求的系統[2]。本系統節點主要由CC2530片上系統接收發射模塊、電源模塊、下載接口模塊（同時兼顧仿真接口）、發光二極管顯示模塊和獨立按鍵模塊等組成[6]。同時結合該公司開發的ZigBee協議棧（Z-Stack）為用戶提供了一個較好的ZigBee應用解決方案，可在此協議棧基礎上開發特定應用場合下的應用程序。選用CC2530，可相對簡化并降低硬件系統的設計難度。
2）協調器設計。網絡協調器是ZigBee簇狀網內各節點通信的核心，在網絡建立之初，每個網絡有且僅有一個協調器節點，主要負責網絡的發起、參數的設定、信息的管理及維護。根據所選擇的微處理器，硬件總體設計方案如圖2所示。協調器節點主要由處理器模塊、射頻模塊、電源管理模塊、復位電路、蜂鳴器、IDC10下載器插槽、串口等各外部接口等組成。因協調器要根據需要不停地查詢網絡中的信息，因此要外接穩定的電源，在終端的電源模塊基礎上增加了外部穩壓源接口。CC2530芯片作為射頻模塊，用于數據處理、接收和發射信號；蜂鳴器和LED指示燈分別用于聲、光報警。
3）呼叫器和應答器設計。呼叫器和應答器均為無線可移動設備，由電池供電。其電路框圖如圖3、圖4所示。CC2530芯片作為射頻模塊，用于數據處理、接收和發射信號；呼叫器的按鍵1、按鍵2可根據需要設置成不同需求的按鍵，如“衛生”“服藥”等，LED指示燈用于報警提示。
系統軟件設計 系統由1個協調器、1個呼叫器和4個應答器共6個節點組成一個星型網絡，由于本文使用TI公司的CC2530芯片進行硬件設計，故在軟件設計時采用了與之配套的，同為TI公司的Z-Stack協議棧，開發環境選用IAR7.60，TI Z-STACK協議棧可方便地組建自己的無線通信網絡。在ZigBee協議棧中，已經實現了協調器、路由器以及呼叫器的程序，在此基礎上，根據無線呼叫系統的硬件設備的實際情況，用IAR Embedded Workbench軟件開發工具編寫相應的應用程序并進行調試，最終下載到芯片上加以實現。
1）協調器。協調器的工作流程如圖5所示。協調器上電后，首先進行設備初始化，包括硬件電路初始化、寄存器初始化、協議棧初始化、操作系統初始化。然后進入執行操作系統，進入無限循環的任務執行程序中。系統定義了“UARTGetchar（）”函數，負責接收呼叫終端發送過來的字符，ZigBee將接收到的字符傳給此函數。
本項目定義一個變量，通過if語句來判斷老人是否發送了請求。當條件滿足后，才會執行控制函數，從而控制協調器上LED警示燈閃爍[7]。
2）呼叫器與應答器。作為ZigBee網絡終端節點的呼叫器、應答器的初始化過程與協調器基本類似。如圖6所示，呼叫節點首先進行系統初始化，然后加入網絡，進入休眠模式；當有呼叫請求時，按鍵中斷喚醒，把請求信息發送給協調器。在CC2530開發板本身設計的3個按鍵中任選一個按鍵，定義“key_get（）”函數，用來判斷按鍵是否被按下，若按下了，則通過“uart_puts（）”函數把設定好的字符通過UART串口給發送出去。與此同時，執行“BuzzerSound（）”求助警鈴函數，通過定時器來控制聲音。在接收到控制命令數據后，發送數據到協調器，若發送不成功，將延遲1 s后重發。
如圖7所示，應答器工作流程與呼叫器基本一致，不再贅述。
測試結果 通過抗干擾能力測試，ZigBee通信網絡數據傳輸可靠性高，基本不受家庭中各種家用設備的干擾[3]，在普通的家庭環境中誤包率基本為零。
4 結束語
本文利用ZigBee自組網絡技術，采用CC2530作為射頻收發芯片，設計了老年呼叫系統，創新點在于呼叫器可根據老人不同需求發出不同信號。老人求助終端不僅適用于家里的老人，其他因傷、病、殘等原因造成行動不便而需要被人照顧飲食、衛生、就醫等病人也可使用該功能。系統能耗低，價格便宜，有較好的市場應用前景。
參考文獻
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關鍵詞：無線傳感網絡；物聯網；醫療監護；ZigBee；GPRS；Yeelink
中圖分類號：TP336 文獻標示號：A 文章編號：2095-1302（2013）10-0034-03
0 引 言
隨著物聯網的不斷普及和技術的廣泛推廣，物聯網技術給醫療衛生行業帶來了深遠的影響。“物聯網醫學”[1]成為了人們關注的另一個焦點，“物聯網醫學”是復旦大學附屬中山醫院在第七屆上海國際呼吸研究研討會上向國內醫學界提出的。所謂物聯網醫學，指的是利用傳感技術，將傳感器固定在人體上，傳感器的終端嵌入和連接到醫療檢測設備里，醫生可通過手機或電腦連接到該終端，實時地實現對病人全天候、遠程檢測及診斷[2]。
1 遠程智能醫療監護系統
針對物聯網醫學提倡的全方位互聯的特點[3]，本文將ZigBee和GPRS技術相結合，充分利用網絡資源，設計了對智能醫療多監護參數進行處理、傳輸和可視化的網關系統，在一定范圍內配置一處或者多處血壓、體溫、血氧和脈搏傳感器[4]，組成ZigBee無線傳感器網絡。ZigBee網絡作為低功耗、低復雜度、低成本且可自動組網的無線網絡技術，支持傳感器信息采集、傳輸和處理，可以將不同點的多個傳感器數據利用無線網絡進行通信[5]，同時結合GPRS技術實現遠程監控，改變了傳統無線傳感網絡需要依托有線公共網絡進行數據傳輸的限制，解決了同時安裝大量檢測裝置、布線量大、線路維護和更改困難的難題，使網絡顯示出巨大的優勢[6]。
圖1所示是遠程智能醫療監護系統架構圖。該系統將信息通過HTTP POST數據包上傳到互聯網云端Yeelink平臺，從而實現對體征數據的實時采集、處理、可視化和遠程監測。實際測試結果表明，該系統穩定可靠，方便擴展、實時性強。
2 網關節點硬件設計
設計實現了一種基于STC12C5A60S2為主控芯片的智能網關系統，單片機負責GPRS與ZigBee網絡之間的雙向數據轉換[7]，網關實際上是一個基于GPRS協議和ZigBee協議的轉換網關。在ZigBee網絡中，網關起到網絡協調器的作用，主要工作包括ZigBee組網組建、監聽終端節點以及與終端節點之間的雙向通信等；另外，網關節點還承擔GPRS協議與ZigBee協議間數據的轉換，GPRS網絡數據的接收和發送，以及處理GSM短信息查詢等任務。
該系統的網關硬件節點電路分為ZigBee通信模塊、GPRS通信模塊和電源供電模塊。網關硬件結構圖如圖2所示。
2.1 電源供電模塊
因ZigBee模塊和GSM模塊所需電壓分別為3.3V和5.5V，故系統的電源模塊將9V的電壓輸入轉化為3.3V和5.5 V這兩種電壓輸出供處理器和其他模塊使用。該方式的特點：一是系統電源模塊能留出足夠的余量，最大可提供3 A的電流，從而防止因功率輸出過大造成電源芯片發熱、燒毀；其二是本系統通過LDO芯片LM2575-5和LM1117-3.3兩級降壓，設計電源精度為98%，紋波為30 mV，能滿足系統要求。
2.2 ZigBee通信模塊
ZigBee通信模塊是基于TI公司CC2530F256芯片，內部運行ZigBee2007/PRO協議棧，具有ZigBee的全部特性。針對復雜的ZigBee協議，本模塊將協議棧嵌入模塊內部，只留出串口，在與主控芯片通信時無需考慮ZigBee內部協議棧，只需要讀寫串口即可實現數據的無線傳輸，簡單易用，可大大減少開發周期[9]。ZigBee模塊可通過串口連接到PC，可直接配置參數設置為協調器、路由器和終端節點。協調器為最初加入網絡的節點分配網絡地址（16位），每個ZigBee網絡需要唯一的一個協調器；路由器可以接收、轉發數據，起到路由和中繼的作用；終端節點通常為電池供電的低功耗設備，用于采集傳感器數據，周期性發送數據。ZigBee組網狀況使用Sensor Monitor軟件觀察。本網關系統采用星型網絡[8]，因此只用到ZigBee協調器和終端節點。圖3所示是星型網狀的ZigBee組網。
2.3 GPRS通信模塊
GPRS模塊使用的是龍尚的A8000，其采用德國英飛凌的基帶芯片，具有超高的接收靈敏度，是一款雙頻900/1800MHz高集成度的GSM/GPRS模塊。內嵌TCP/IP協議模塊，使用簡單，支持GSM Rec.07.07/07.05及其特有擴展指令集，通過UART控制，與單片機通過串口直接通信[9]。
3 網關節點軟件設計
軟件設計包括2個部分：網關軟件和監控中心管理軟件。網關的軟件開發平臺為Keil C51，ZigBee內部運行ZigBee2007/PRO協議棧，ZigBee組網監控軟件為Sensor Monitor，監控中心PC服務管理軟件開發平臺為云端Yeelink。
3.1 ZigBee/GPRS網關的程序設計
ZigBee/GPRS網關的程序流程如圖4所示。系統上電后網關節點進行初始化操作，接著搜索空閑工作信道、啟動ZigBee網絡并等待終端節點的連接請求。待所有終端節點成功加入ZigBee網絡后，進入等待狀態，直到監測平臺發出數據采集命令，則將該命令經ZigBee網絡轉發至所有終端節點。終端節點根據命令或者定時調用數據采集程序獲取當前生理數據，對數據進行初步處理后上傳至網關節點。網關節點收集所有的數據進行分析、處理、融合，得到統一格式的數據包，通過GPRS模塊將數據包上傳互聯網云端Yeelink平臺，平成對數據的處理和分析工作。
3.2 ZigBee網絡指令設計[10]
針對系統數據傳輸方式為階段性喚醒查詢方式，ZigBee無線網絡數據傳輸采用點對點數據傳輸方式。點對點數據傳輸可以在網絡內部任意節點直接通過點對點指令來設置傳輸，指令格式為0XFD+數據長度（用戶自定義）+目標地址+數據，下面以源節點（地址0x0001）發送數據01 02 03 04 05 06到網關地址（0X143E）為例，源節點發送數據格式如圖5所示。
數據傳輸指令 數據區長度 目的地址 數據
FD 01 3E 14 01 02 03 04 05 06
該格式發送的數據為FD 01 3E 14 01 02 03 04，接收到的數據也為FD 01 3E 14 01 02 03 04 05 06。但需特別注意數據區的長度，它可自由定義，不一定等于數據區實際長度，也可以作為其他表示用途。目的地址，低位在前，高位在后，合起來是0X143E。點對點傳輸具有任意節點之間傳輸的好處，在路由加入網絡后，短地址不會發生改變。目標地址=FFFF，為廣播發送；目標地址=0000，則表示發送給協調器。
3.3 GPRS移動網絡指令
Yeelink物聯網平臺是一個免費的物聯網平臺，允許用戶將設備接入到網站，從而實現對設備的監測和控制。利用現成的物聯網平臺可大大節省開發周期。以下是單片機發送AT指令控制GPRS模塊連接互聯網，并向Yeelink物聯網平臺發送HTTP POST數據包的部分過程指令：
AT+CGATT=1（GPRS附著狀態）
AT+CGDCONT=1，"IP"，"CMNET"（定義PDP上下文）
AT+CGACT=1，1（接除或者激活PDP移動場景）
AT+CIPSTART="TCP"，"202.136.56.203"（服務器IP），80（端口號）
CONNET OK（表示GPRS與互聯網連接成功）
AT+CIPSEND（開啟TCP連接）
發送http post：
POST
/1.0/device/2182/sensor/2848/datepoints HTTP/1.1
Host： pi.yeelink，net
Accept：*/*
U-ApiKey：f6dff9e05de8ff0d84c115709a478a6a
Content-Length：14
Content-Type： pplication/x-www-form-urlencoded
Conection： lose
{"value"：待發送參數}
AT+CIPCLOSE（關閉TCP連接）
3.4 系統測試
本測試過程中，以測量多點室溫為監測量，系統采用階段性的休眠和喚醒狀態。每個節點每隔1 min被喚醒一次，進行數據的采集，并等待協調器發出傳輸命令將數據傳送到協調器，然后進入休眠狀態。系統的一個節點的溫度在互聯網Yeelink平臺的監視界面如圖6所示。
圖6 系統測試運行結果
4 結 語
本設計將ZigBee技術和GPRS技術應用于生理參數智能醫療監護系統中，實現無人值守時被監護人生理參數實時遠程監測、異常情況警告和短信查詢等功能，避免人工測量的麻煩，減輕醫護人員的負擔，保證受監護人始終處于監控狀態。本方案在實際運行中穩定、可靠，可廣泛應用于各類無人值守遠程智能監護系統。
參 考 文 獻
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1基于ZigBee無線網的POS系統倌息安全環境
1.1ZigBee網P0S系統環境配置
具有安令特性的高性能、低功耗、自組網的ZigBee組網是當今WSN和物聯網RFID技術組合的主流高新技術之一，相比藍牙、Wi_Fi和GPRS,ZigBee組網電其有特別的安全性:而STM32單片機高效能、高可靠、低成本和技術成熟，還可以實現51單片機不能完成的復雜功能用途，是很有發展前途的一款單片機。因此，STM32單片機是安全、穩定的ZigBee組網節點的恰當選擇。nC/OSII操作系統具有執行效率高、空間占用小、多任務、可擴展能力強和穩定可靠的特點，符合WSN的信息安全穩定工作要求。建立在STM32單片機，ZigBee組網和mC/OSII操作系統基礎上的軟硬件系統是建立低成本、高可靠、高安全的無線N的必要條件。將無線網絡信息安全建立在使用STM32單片機、基于ZigBee組網和Mc/osn等實時操作系統上的POS系統環境，相比建立在基于51單片機裸機上的ZigBee組網的POS系統環境,安全度更高更可靠。
1.2ZigBee無線網的安全特性
ZigBee無線網是-種短距離、低功耗、自組網和高安全性的高新無線通信網絡，由個高性能的FFD(全功能節點)和多個的RFD(精簡功能節點)組成PAN(私人用局域網)。只能有FFD建立PAN網，由多個PAN網建立整個ZigBee組網。萬一有FFD被擊毀，可以由臨近有效范圍的FFD自動重新組網：當孤立的KFI)不在FFD范圍內，可以通過其他附近的FFD加人PAN網，靈活性和穩定性很高。由于ZigBee無線網的有群集性多跳性，定位節點位置是技術難題，就需要再組合GPS應用模塊進行補充。
1.3ZigBee無線網安全的關鍵技術ZigBee的無線通信安全的關鍵是通信協議，ZigBee協議規范提供了信任中心、網絡層安全和APS層安全，不提供鏈路層安全。ZigBee遵守IEEE802.15.4協議，并可以在簡單的IEEE802.15.4協議基礎上開發簡單的WSN應用協議，用于建立小規模簡易局域網如星型網。甚至在此基礎上自行開發大規模復雜的協議棧，比如用于智能家居自動監控系統的Mesh網。還可以創新多種功能的應用程序和系統軟件。我們甚至可以把開發出來的有安全保護的協議棧固化到芯片中去，使用AES協處理器實現信息的硬件加密加速的功能，而我們的軟件只需要設計一個自己的API接口就行。
1.4ZigBee無線網的P0S系統信息安全架構
針對ZigBee組網的POS系統信息安全問題，從上層到底層可分為:操作安全、網絡安全、軟件算法安全、底層硬件安全。操作安全要求有一套嚴格的操作規章制度，禁止未授權人非法使用、越權使用。網絡安全要求網路的安全，包括接入點安全和網絡協議族安全。軟件算法安全最重要也很復雜，包括各種加解密算法安全、電子簽名和身份認證。底層硬件安全包括、扣測安全和意外安全。
2基于ZigBee無線網的POS系統軟件算法安全及算法比較
身份認證可以使用不對稱加密算法和對稱加密算法,一般應使用不對稱加密的RAS算法。使用預定好的密鑰進行身份認證，身份認證成功后，對存儲器的任何操作都是加密的。身份認證共有三輪，如圖，流程為：第一輪:a)讀寫器指定要訪問的存儲區，并選擇預定密鑰A或BA)射頻卡從位塊讀取密鑰和訪問條件。然后，射頻卡向讀寫器發送隨機數。第二輪:c)讀寫器利用密鑰和隨機數計算回應值。回應值連同讀寫器的隨機數，發送給射頻卡。d)射頻卡通過與自己的隨機數比較，驗證讀寫器的回應值，再計算回應值并發送。第三輪：讀寫器通過比較，驗證射頻卡的回應值，正確后才能對卡進行讀寫操作。這樣認證加密后，就有效的保護了個人隱私。身份認證成功后，讀寫器,成;片指定后續讀取的存儲器位置，數據加密采用TEA、DES、AES等。為保證終端設備的安全，必須一卡一碼，并且每次只能對一張卡操作。認證完成后才能迸行卡的讀寫操作，每次只能有一張卡選中，獲得認證后進行讀寫操作，其他的卡則進入休眠態,以保證不會出現由串卡現象引起的誤操作。射頻卡讀寫器的安全軟件由生產商配備，并且通常要固化到硬件。
RSA算法的難度在于如何產生密鑰對，RSA生成公鑰的方法:任意選兩個大素數M、N，選擇一個加密密鑰E，使E不是(M-1)和(N-丨)的因子;
生成私鑰D的公式:(D*E)MOD(P-1)*(Q-1)=1;
用公鑰E加密公式:CT=PTEMOD(M*N),
用私鑰D解密公式:PT=CTDMOD(M*N)。
在ZigBee網中，對于敏感性信息的安全保護沒有太高要求的應用領域，在32位CPU或MPU處理器主頻80Mhz情況下，使用對稱加密方法的DES，加解密的速度為26.75Mbyte/s，加解密的速度水平較高。如強化安全性能可以升級為更先進對稱加密方法的AES，如使用AES加解密，加解密的速度11.69Mbyte/s，加解密的速度水平中等，比前者慢。
在ZigBee網中，對于敏感性信息的安全保護有很高要求的領域，特別是在財務、金融和軍用領域，必須要保證身份認證和數據信息的絕對安全。所以，算法必須使用復雜加密方法RSA，并配合數字簽名。在32位CPU或MPU處理器t頻80MHz情況下，1M的RSA簽名次數32次/秒，認證次數32次/秒，正所謂慢工出細活。RSA使用公鑰密鑰對機制，再配合數字認證可避免中間人攻擊，這對于開放性更強的無線網絡尤為重要。如果采用對稱密鑰算法，密鑰容易被人侵者截獲，對收發雙方進行欺騙并非法獲利。并且RSA伸縮性更好，所需密鑰數與消息交換參與者個數相等。而對稱加密算法容易受到中間人攻擊，密碼會被盜用，并且一旦網絡規模加大，密鑰對的數目的需求成指數級別增長，是消息交換參與者個數的平方，在密鑰發放過程中很容易泄密。因此，身份認證應釆用安全度更高但速度慢的RSA;經常大量的數據包加密采用速度快的DES或AES，并可用ZigBee節點自帶的AES協處理器進行硬件加速。若要進-步加速數據包加解密速度，可以將主節點與上位機的串行數據接口改為高速的USB接口，就可加快加解密速度。以下簡述AES的應用程序設計。
3POS系統的ZigBee網絡安全
在TCP/IP各層數據安全中，ZigBee的網絡數據信息安全的數據安全主要特點有:彳?網絡節點的過濾和無線網信息加密，可有效避免網絡的非法入侵。通過IEEE802.15.4協議棧的應用庫，例如如在基于MAC協議棧的MAC庫API上，通過建立PAN網，每個PAN都有獨有的PAN地址ID，這樣就可通過PAN網ID和節點ID過濾來區分ZigBee網節點的合法性。在發送和接收數據包過程中，通過AE$法來加密來實現數據的信息安全。
據最新報道,AES加密算法已被國外頂尖專家破解，但是也不必驚慌，對于絕大多數情況下，附加其他綜合安全措施，它目前還是很安全。AES高級加密標準(Rijndael算法)明文分塊和密鑰為可變長，加密的輪數為可變次，每一輪4步：第一步:使用鍵技術進行字節替換。第二步移行，第一行不變，其他的行移動可變次數。第三步混合列。第四步，輪密鑰加法，將密鑰與輸人的字符進行字節異或操作。其中的可變部分由用戶自行確定后，生成的密文更難破譯。
此外，網絡接人點的防火墻也很重要，防火墻保護可信任內部網絡免受不可信網絡的入侵威脅，能極大地提高政府部門、企業內部網絡的信息安全，同時允許信任的雙方通信，并通過過濾不安全的網絡服務而降低風險。ZigBee無線網的接人點也必須要有完備的防火墻設置,采用路由器相互認證、地址翻譯等方法，方可有效防止假冒的路由器接入內網和非法截取私有敏感數據，以確保無線網的信息安全。
在以STM32單片機為節點的ZigBee無線網，可加載GPS衛星定位模塊，將關鍵的可讀寫的FFD節點中嵌人GPS塊并且全部定好位，并將地址上傳到主控機節點,而執行多跳的RFD節點不加載GPSm塊，以減少信息安全成本。這樣，凡是不在正確的GPS位置的非法人侵FFD節點一律無法加人ZigBee網并且會導致啟動入侵報警程序。
4P0S系統碾件安全
由于是無線網，ZigBee網的安裝和P0S機人網離網非常方便，易于隨身攜帶，比固定POS機好保管、防盜。在POStfL內置髙容量緩存，可暫時保存網絡通信延遲信息。內置后備供電池，防止突發停電。配置后備存儲器，暫時斷網后可脫機保存消費信息。
5結束語
關鍵詞：ZigBee；無線傳感器網絡；能量均衡；NS2
中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2012)24-5864-03
One kind of Improment ZigBee Network Routing Algorithm
MU Chun-guang，GUAN Wei-guo
(Electron & Information Engineering College, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001,China)
Abstract: In order to make use of ZigBee network energy and extend the network lifetime.This article’s purpose is to improve the algo? rithm based on ZigBee for energy balance routing algorithm.Because the location realationship between nodes, the node RN+ can control the forwarding for RREQ.Provent RN+ node tranfer RREQ to the opposite direction of destination node and update nodes energy levels in time. Simulation results shows that this algorithm optimizes the overrall energy consumption and network nodes the time and the num? ber compared to ZigBee routing and ZigBee for energy balance routing .
Key words: ZigBee;wireless sensor network;energy balance; NS2
1概述
近年來對于無線傳感器網絡在不同場合的應用，針對能量的有效利用出現了許多改進的路由算法。ZigBee技術因其低成本、低功耗、低復雜度等優點成為了無線傳感器網絡的代表技術。隨著ZigBee技術的發展，它被廣泛應用于工業控制、家居智能化、消費電子、醫療設備等需要低功耗、低成本、對數據速率要求不高的無線通信應用場合[1-2]。
在ZigBee無線網絡通信中，應用合適路由協議來均衡能量利用延長網絡的生存時間非常有必要。該文通過對ZigBee路由深入分析研究，結合已有的ZigBee能量均衡路由算法提出一種改進的ZigBee路由，并通過仿真對實際的效果進行了分析比較。
2 ZigBee網絡
一個完整的ZigBee網絡一般有三種類型的節點：協調節點（ZC）、路由節點（ZR）、終端節點（ZED）[4]。其中整個網絡的主控者是ZC，它相比與其它節點具有更強大的功能，網絡的組建和相關參數設定都由它發起，而且每個無線網絡中協調節點有且只有一個。在無線網絡中按通訊能力的不同將無線設備分為全功能設備（FFD）和精簡功能設備（RFD),FFD既能跟FFD通信又能和RFD通信,而RFD只能跟FFD通信。而ZigBee網絡的協調節點和路由節點必須是FFD,終端節點既可以是FFD,又可以是RFD[5]。ZigBee網絡的拓撲結構主要有三種星形拓撲、樹形拓撲和網狀拓撲[3]。星形拓撲：結構簡單，成本低，但靈活性差，覆蓋范圍小且網絡易阻塞。樹形拓撲:結構簡單，覆蓋范圍大，但只有一條傳輸路徑，網絡可靠性差。網狀拓撲：結構較復雜，但靈活性好，覆蓋范圍大，網絡可靠性差。
3 ZigBee路由及改進
3.1 ZigBee路由
為符合多數網絡拓撲結構的應用，ZigBee路由協議采用了簇樹路由（Cluster-Tree）與簡化的按需距離矢量路由(AODVjr)相結合的路由算法[6]。在ZigBee網絡中，節點可以按照父子關系使用Cluster-Tree算法選擇路徑，即當一個節點接收到分組后發現該分組不是給自己的，則只能轉發給它的父節點或者子節點。當然這并不一定是最優的路徑，因此為提高路由效率，ZigBee讓網絡中具有路由功能的節點用AODVjr去發現最優路由，而不具有路由功能的節點仍使用Clueter-Tree路由發送數據分組和控制分組。
3.2問題的提出
