新型无线协议

孙昌辉　王璐　王宇婷

摘 要：科技的发展使得人们的生活越来越方便，而毫无疑问，无线的设备在很多情况下都要比有线的方便得多，这也是为什么WiFi、蓝牙、局域网以及互联网发展得如此迅速。而无线的设备与设备之间进行信息交换是需要协议的，合适的协议才能使得收发双方了解如何发送或者接收。而ZigBee拥有很多其他协议所不具备的优点，使得其在最近发展迅速。

关键词：ZigBee；无线协议；微控制器

1 ZigBee的由来与发展

在以往对蓝牙技术的使用过程中，人们发现了蓝牙技术的许多缺陷。例如，对家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言，蓝牙技术存在太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等缺点。而对于工业自动化，对无线数据通信的需求越来越强烈。而且，要求这种无线传输必须是可靠的，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰，而蓝牙传输远远达不到这种要求。因此，经过人们长期努力，ZigBee协议在2003年正式问世。ZigBee译为”紫蜂”，是一种新兴的短距离无线通信技术，用于传感控制应用（Sensor and Control）。最早是由IEEE 802.15工作组提出的，后来TG4工作组对其进行了规范。2000年12月，相关的小组成立，负责起草IEEE 802.15.4标准。2004年12月，ZigBee1.0标准出台，之后于2005年9月公布并提供下载。2006年12月，又对ZigBee进行了修改，推出了ZigBee1.1版（又称ZigBee2006）。2007年TI公司宣布推出ZigBee协议栈，并于2007年4月提供免费下载版本V1.4.1。ZigBee协议栈符合ZigBee2006规范，支持多种平台，其中包括面向IEEE802.15.4/ZigBee的CC2430片上系统解决方案、基于CC2420收发器的新平台以及IT公司的MSP430超低功耗微控制器（MCU）。经历了长期的发展之后，ZigBee成为了一种高可靠的无线数传网络，ZigBee数传模块类似于移动网络基站，通讯距离从标准的75m到几公里，并且还可以支持无限扩展。

2 ZigBee技术特点

ZigBee采用了碰撞避免机制，避免了发送数据时的竞争和冲突。节点模块之间具有自动动态主网的功能，信息在整个ZigBee网络中自动选取路由进行传输，同时保证了信息传输的可靠性。ZigBee可以支持高达65000个节点，而且提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128。由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠电池的电量就可以维持长达数月的使用时间，这是其他同类产品望尘莫及的。ZigBee模块的初始成本在1.5～2.5美元左右， 并且ZigBee协议是免专利费的，而且与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，每个ZigBee“基站”的成本不到1000元人民币。同时，ZigBee设备具有无线网络自愈能力，ZigBee有组建星、树和网状网络结构的能力，因此通过ZigBee无线网络拓扑能简单地覆盖广阔范围，有效范围大，通常ZigBee的有效覆盖范围为10m～75m，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式面定，如果使用延长设备基本上能够覆盖绝大多数普通家庭或大型的办公室环境。

3 与ZigBee相关的硬件

3.1 MP430

MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器。其特别强调超低功耗，而且采用16位和常用数发生器，发挥了最高的代码效率，很适合应用于用电池供电的长时间工作场合。在这个系列中的大多数型号都是由一些基本功能模块按不同的应用目标组合而成的。它采用数字控制振荡器（DCO），使得从低功耗模式到唤醒模式的转换时间小于6μs。MSP430系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设包括看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A0（Timer-A0）、定时器A1（Timer-A1）、定时器B0（Timer-B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Σ-ΔADC、DMA、I/O端口、基本定时器（Basic Timer）、实时时钟（RTC）和USB控制器等若干外设的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位并报告给用户；模拟比较器进行模拟电压的比较，十分常用，配合定时器，可设计出A/D转换器；16位定时器具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于记时、时序发生、PWM、计数等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便地实现多机通信等应用；10/12位硬件A/D转换器能够满足大多数数据采集应用；实现两路的12位D/A转换；硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展；为了增加数据传输速度而采用的DMA模块。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的设计提供了很多可供选择的解决方案。

3.2 CC2520

CC2520是一款优秀的ZigBee/IEE802.15.4射频收发器，工作于249比频段，该芯片可以提供最先进的工业级应用，优越的链路估计。CC2520的关键参数包括1.8V～3.8V电源电压，-40～+125℃工作温度，103dB链路预算以及50dB相邻通道排斥能力等。CC2520还为CC2420RF收发器提供了方便的升级路径。此外，C2520提供了广泛的硬件处理技术，支持帧处理，数据缓冲、突发传输、数据加密、数据验证、信道评估、链路质量指示和帧定时信息这些功能，减轻了主机控制器的负荷。CC2520凭借着其优越性使得其专门用于企业、科学研究所与医疗部门的2.49Hz成为非正式频段。

4 ZigBee的安全性

ZigBee对于安全有一些独特的考虑，这基于其一些主要的特点：设备简单、成本低、设备数量大，自组织形成网络。因此，它不可能使用很复杂的安全机制，通常一个设备上不同的应用之间不会进行逻辑上的安全分离。例如，用防火墙，协议层之间也不会进行逻辑上的安全分离。因此，诞生一个假设是同一个设备上的应用之间，每一协议层之间必须要互相信任。当然，在一些较复杂的设备可以通过应用层的一些客户端应用程序来实现较复杂的安全机制，但底层通用的安全机制一定是要简单的。而ZigBee网络设备数量大，在一些场景下设备可能分散在很多个地方，如在环境监测的时候，大部分设备散布在室外各处，很难防止部分设备被破坏、控制或利用，因此一定的防盗措施是需要的。例如，把监测设备锁到箱子里，使得不能利用个别设备来影响整个网络的安全通信。

参考文献：

[1] 钟永锋，刘永俊. ZigBee无线传感器网络[M].北京邮电大学出版社，2001.

作者简介：孙昌辉（1996—），男，辽宁盘锦人，沈阳理工大学。

王璐（1995—），男，山东青岛人，沈阳理工大学。

王宇婷（1996—），女，山东阳谷人，沈阳理工大学。