时间：2023-05-30 08:52:42
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇zigbee协议，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
作为互联在形式上面的扩展，其主要发展的主要技术分别是：传感器、嵌入式自动化只能技术、RFID以及纳米技术。而作为物联网当中一项关键性的技术――无线传感器网络，对其的研究已经逐步成为了目前计算机领域当中的一个热点，它不仅在生产生活，还是在医学军事方面的应用都相当的广阔。但是随着计算机技术的快速发展，目前各种无线传感器网络都是如雨后春笋板出现，这样一来就不利于各个网络之间的网节点互联以及网络之间的管理。
ZigBee协议的出现标准的规范了网络直接的节点互联以及网络之间的管理，有效的解决了网络拓展之间存在的问题。
1 无线传感器网络的简介
无线传感器网络（Wireless Sensor Network， WSN）是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域或者是区内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。它综合了网络技术的方方面面，并通过了无线网的传感实现了无处不在的运算理念。图1为无线传感网络的结构示意图。
由于传感器一般情况下都是嵌入到各个电子设备当中，外加监测区域环境往往比较复杂，传感器的网络节点非常多，导致了网络的维护十分麻烦甚至就是不能进行维护。因此，导对于无线传感器的设计要做到网络容量要大，传感器体积小，消耗低等特点，以实现自组网络的动态性，并且还要加强无线传感器的网络安全，在无线信道上分布式的控制传感器所受到的攻击。
2 Zigbee协议概述
Zigbee协议是在无线网基础上延伸出来的一种网络安全协议，Zigbee是一种新兴的无线网络技术，其具有复杂程度低、距离近、功耗低、成本低、低数据速率等特点。其不仅可以适用于各种自动控制以及远程控制当中，还可以嵌入到不同的设备中去，强大了网络的应用。Zigbee的发射速率是10～250KB/s，延时时间在15～30ms之间，通讯的有效范围是10～75m，工作频率是2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），单个的Zigbee可支持255个网络节点插入。
2.1 Zigbee协议栈简介
一个完整的Zigbee协议是从下而上依次由物理层、数据链路层、网络层、应用汇聚层和应用层五个层面组成。其中应用层是面对各种不用应用型业务的最高层用户；应用汇聚层主要的工作是将不用的应用需求反馈到Zigbee网络层上；网络层主要是功能层针对一些网络问题进行MAC、拓扑、安全等等管理；数据链路层又分为LLC和MAC，对输送过来的数据进行一个逻辑的分析建立，以保证数据管理的正常运行。
2.2 Zigbee的网络拓扑结构
Zigbee技术目前支持3中通讯技术的网络拓扑，其中包括星形（Star）、网状（Mesh）和树状（Cluster Tree）。Star网络技术是一种被常用于长期操作当中的网络；Mesh网络则是一种高检测性的网络，其可以通过无线网实现多个数据通道互联的效果，减少故障的发生，提高数据通道的安全性能；Cluster Tree网络是结合了Star网络与Mesh网络两者的优点，所拓扑出来的一种网络模式。
3 Zigbee技术的应用
Zigbee技术的发展应该根据当前网络技术当中所存在问题而进行推广，以弥补其他无线网技术的短距离、传送数据少、传送速率低等缺点，做到低成本、大容量、功耗低、智能化强的特点，以完善传感器领域的空白作用。
Zigbee技术的开发是一项工作较为复杂的技术工程，其涉及到的技术不仅有网络领域当中的传输、射频等技术，还涉及到了底层软件硬件控制等技术。在对Zigbee技术进行无线传感器网络开发时，主要也就考虑到网络的节点以及相适应的功能型软件。目前，在科研人员的努力之下在硬件上已经将Zigbee技术应用到了射频芯片等，这些高科技含量的硬件设施降低了开发者的设计要求，只需要在其中加入一些元件就可以实现应节点的应用，在加上Zigbee相关软件的开发利用，加速了Zigbee系统的设计，已经进一步的简化了用户命令接口，普通的用户只要使用一些简单的命令，就可以实现Zigbee的网络控制。
Zigbee是一项新的无线网络通讯技术，其相应的标准还待于完善，也正是如此Zigbee技术在现实生活中的应用也受到了一定的阻碍。但是不管如何在标准化来临之前，这是一个技术发展的趋势，象征着网线网络时代的真正到来，只有逐步完善无线网络的标准，才可以实现网络无处不在的理想。目前随着Zigbee组织的联盟，更加加速了IT技术的发展，Zigbee技术也会将变得越来越可靠灵活。
[参考文献]
关键词：无线传感器网络；ZigBee协议；多跳；协调器；路由器；终端设备
中图分类号：TP79
无线传感器网络（WSN，WirelessSensorNetwork）是由多个节点组成的面向任务的无线自组织网络，它综合了无线通信技术，传感器技术，微机电技术，计算机网络技术等多学科的技术领域，借助各类传感器对检测目标进行数据采集，通过无线通信的方式把信息发送给观测者。由于无线传感器网络具有不依赖有线基础设施，可以自组网和允许网络具有动态的拓扑结构等优点，特别适用于一些不适合人类直接参与的检测环境进行数据采集，因此无线传感器网络在军事、空间探索和灾难拯救等特殊领域有其得天独厚的技术优势，在环境、健康、家庭和其他商业领域有广阔的应用前景。
1 ZigBee协议
ZigBee协议是一种建立在IEEE802.15.4标准之上的短距离，低速率的无线通信协议，其中物理层和链路层由IEEE802.15.定义，网络层和应用层由ZigBee联盟规范。与其他短距离无线通信技术相比，ZigBee协议具有以下优点：（1）功耗低。低功耗待机模式下，两节5号电池就可以是由6个月以上。（2）具有3个无线收发器频段。868MHZ（欧盟）；902MHZ（美国）；2.4GHZ。（3）网络容量大。可支持6500个节点设备。（4）采用CSMA-CA机制，有效的避免了数据发送时因碰撞产生的冲突。（5）网络安全性高。采用了密钥长度为128位的加密算法，对所传输的数据进行了加密算法，有效的保证了数据传输的有效性和安全性。
2 系统硬件设计
无线传感器网络节点的组成一般都由传感器模块、处理模块、无线通信模块和能量供应模块这四部分构成：（1）传感器模块。本设计中传感器采用数字湿度温度传感器SHT10，SHT10是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全量程标定的数字输出。产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。该传感器品质卓越、响应超快、抗干扰能力强、极高的性价比。每个传感器芯片都在极为精确的恒温室中进行标定。通过两线制的串行接口与内部的电压调整，使系统集成变得快速而简单。（2）处理模块。处理器单元采用ATMEL公司的ATmega128L芯片。ATmega128L为基于AVRRISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。它具有非常丰富的资源，具有片内128K字节的程序存储器（Flash），4K字节的数据存储器（SRAM，可外扩到64K）和4K字节的EEPROM。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，ATmega128L的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。（3）无线通信模块。无线通信单元采用Chipcon公司的CC2420射频芯片。是ChipconAs公司推出的首款符合2.4GHzIEEE802.15.4标准的射频收发器。该器件包括众多额外功能，是第一款适用于ZigBee产品的RF器件。只需极少外部元器件，性能稳定，功耗极低。（4）能量供应模块。能量供应模块主要是电池来实现，目前常用的传感器电池有两种，一种是常用可充电电池，如可充电锂钮扣电池LIR2450，该类电池具有电压高、平均电压为3.6伏，充放电循环特性优秀，但是由于其额定容量小，而且许多传感器都会放在一些特殊的环境中，再次充电的可能性很小，从而减少了网络的生命周期；如果是在一些允许的环境中采集数据，常采用两节普通的5号AA电池，则可以维持更长的网络生命周期。
3 软件设计
Zigbee协议定义了三种设备类型：（1）协调器程序设计。每个ZigBee网络都必须包含一台协调器。协调器的主要功能是为建立和启动网络这一过程设置参数。（2）路由器程序设计。本程序设计的路由器就有两部分组成，一个是路由器入网程序流程图，另一个是路由程序流程图。（3）终端设备程序设计。终端设备不参与路由选择，由于路由器和终端设备被整合到网络之中，所以它们从协调器或从任何已经处于网络中的路由器那里可以获得有关网络的信息。这些信息可以让其他设备设置操作参数，并因此加入网络之中。
图1 协调器程序
图2 路由器程序流程图
4 实验调试结果
按照上述设计组建网络后，把对应的程序烧录到协调器节点，路由器节点和终端设备节点。等待终端设备节点传感器数据采集完成后，数据发送到路由器节点，并由路由器节点发送给协调器节点，最终传送到计算机，在串口调试助手中可以看到如下的提示信息：
其中阴影部分为采集到的数据，表示收到长度为41的数据帧，发送数据的节点地址为0x1430，一共采集到了八组数据。说明所有节点通过自组织的方式，成功的组成了一个基于路由的多跳网络，并能够正确工作，达到了设计的目的。
5 结束语
无线传感器网络是资源受限网络，节点因受能源限制，其发射功率较低，因此网络中节点通信距离有限，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过路由器节点进行路由，从而形成多跳网络，本文基于ZigBee协议，通过对无线传感器网络节点的硬件和软件设计来成功实现数据在无线传感器网络节点间的多跳路由。
参考文献：
[1]于海斌，曾鹏.智能无线传感器网络系统[M].北京：科学出版社，2006：40-50.
[2]顾瑞红，张宏科.基才ZigBee的无线网络技术及其应用[J].电子技术应用，2005，6：1-3.
关键词 IPV6;ZigBee;无线传感网;虚拟IPv6网
中图分类号TP311文献标识码 A文章编号 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
无线传感器网(wireless sensor network WSN)是微电子机械系统、计算机、通信、自动控制和人工智能的交叉发展的结果,它由:传感器节点(Sensornode)、汇聚节点(sinknode)和管理器节点3部分组成,用于对无人值守的监控区域的测控。传感节点监测数据并以多跳的方式通过路由节点把这些数据传送给汇聚节点。汇聚节点通过Internet或通信卫星与任务管理器节点(如手机、计算机等)进行通信[1]。
ZigBee协议是由ZigBee联盟制定的近几年发展起来的一种近距离无线通信技术,它功率低、成本低,以2.4GHz为主要频段,广泛应用于无线传感网[2]。
IPv6是IPv4的升级版本,是下一代互联网络的核心,它把IP地址长度由32位增加到128位,彻底解决了IPv4的地址短缺问题,同时它还具有地址自动配置,服务质量控制等多方面的优点[3]。
本文旨在设计一个基于ZigBee技术的无线传感网与IPv6网的嵌入式协议转换网关,进行ZigBee与IPv6的协议转换,使传感器将传感数据能在这两种不同的网络中进行传输。具体模型为:当有传感数据时,传感节点通过ZigBee协议把传感数据封装成的ZigBee分组格式,通过传感路由算法到达该传感网的协议转换网关,协议转换网关在接到ZigBee分组后,把传感数据提取出来,交给IPv6协议栈,IPv6协议栈再通过以太网发给IPv6网络。反之,IPv6网络通过相反的方向将控制和配置数据发送给传感节点。在这个过程中主要解决的问题有:1)把无线传感网虚拟成IPv6网,使外部网络能通过IPv6协议对传感接点进行配置和数据传送;2)协议转换模型的设计,传感数据的在ZigBee协议和IPv6协议中如何实现转换;3)安全思想设计,无线传感网部署在无人监守区域,而且有广播特性,容易遭受攻击,需要可靠的安全设计。
1 无线传感网虚拟IPv6网
无线传感网的传感节点不具有IP地址,只有一个节点ID,要将无线传感网与IPv6网通信,我们必须将无线传感网中的传感节点与一个IPv6地址对应,外部网络使用这个IPv6地址与该传感节点通信,因此在外部来看,我们把传感节点虚拟成一个IPv6节点,如果我们把一个无线传感网的中的每个节点都进行虚拟,就可以把传感网虚拟成一个虚拟的IPv6网,在这个虚拟的IPv6网中,每个节点都有一个IPv6地址与外部IPv6网通信,但是在实际网络中还是使用节点ID进行分组传送。因此,在无线传感网与IPv6网之间的网关要进行一个虚拟,在转换网关内部,维持一个传感节点IPv6地址与传感节点内部节点ID的转换表,当收到IPv6网发给内部节点对应的虚拟IPv6节点时,在转换网关内部需要找到和虚拟IPv6地址对应的内部节点ID,并用这个ID进行传感网数据传送[4]。
如图1所示A是IPv6通信节点,对传感网发送配置和控制数据分组,实现对传感网的控制,B为IPv6网与传感网的转换网关,主要进行IPv6地址与传感节点内部ID转换,分组格式转换等,C为与A进行通信的传感节点,它用节点ID和其他传感节点进行通信,在网关里,它被虚拟分配一个IPv6地址,D为与C对应的虚拟节点,在网关里,C节点被虚拟成D这个IPv6节点,D的IPv6地址和C的传感节点ID是唯一对应的。当A发送配置或控制数据到传感节点C,转换网关B提取出目标IPv6地址,发现是D,然后在地址转换表里找到D的IPv6地址对应的节点ID,利用这个节点ID重新组合成新的传感网报文分组,并发给C,C在收到报文分组后进行相应的动作。
不足之处主要包括:WSN的大规模组网需要多个网关的参与,网关的存在使得WSN对移动性的支持不足等。
2 协议转换模型
网关要进行ZigBee协议和IPv6协议的转换,必须分成两部分,一个是用于与IPv6网进行通信的IPv6协议栈,另一个是用于与传感网进行通信的ZigBee传感网协议栈,如图2所示,与传感网通信的协议栈由物理层(PHY),安全层(SL),数据处理层(DPL),数据封装层(DEL)组成。各层功能如下:数据封装层的交互对象是IPv6协议栈的应用进程,完成的功能是IPv6协议栈与ZigBee无线传感协议栈的应用层的数据接受、应答,以及由下层协议和上层应用程序发送过来的查询数据和应用数据的封装;数据处理层(DPL)是最复杂的层,它要完成传感网内部数据的融合,根据传感信息数据进行信息的更新、转换,然后再根据自己的转发策略进行转发,在这一层主要的数据结构是节点信息列表和地址转换信息表,节点信息列表记录了当前传感网络个节点的信息状态和路由信息,给传感数据的转发提供基本参考数据,地址列表记录了每个传感节点的节点ID和虚拟IPv6地址的对应信息,发往虚拟IPv6地址的报文都要在地址列表中找到对应节点ID才能在无线传感网中传输;安全层(SL)主要是解决网络层的汇聚节点攻击、链路层的碰撞攻击、物理层的拥塞攻击、以及传输层的洪泛攻击等常用网络攻击手段,在安全层,对接入的用户要进行认证,认证通过后才能收发数据,如果重复大量发数据则会被限制。当数据通过安全层的合法认证后才能交给上层协议进行处理。在图2中传感节点产生传感数据,形成WSN分组,发给转换网关,在协议转换网关,WSN数据经过安全层的人证,然后在数据处理层经过信息分析后交给数据封装层,封装层对数据进行封装处理后交给IPv6协议栈的应用层,应用层把数据封装成TCP数据段后交给网络层,网络层把数据段封装上IPv6头,形成IPv6报文并叫给链路层封装,链路层再交给物理层进行具体发送,发送给外部IPv6网络[5]。在另外一个方向上,协议转换网关收到外部IPv6网络的IP数据包后,交给传输层,传输层交给应用层,应用层交ZigBee协议栈,在ZigBee协议栈里,首先提取出数据,然后交数据处理层,在数据处理层里找到虚拟IPv6地址对应的节点ID,选择好转发策略,最后交给安全层,安全层通过安全认证后交物理层发送。最终将数据传给传感节点。
3 面向安全的设计思想
无线传感网部署的时候都是部署在一些人不能到达的特殊地方,容易被人破坏,而且传感节点是使用无线传输容易被别人截获,容易被别人截获信号,并进行数据篡改和恶意攻击,使整个网络瘫痪或者能量耗尽。因此,无线传感协议的安全设计非常重要,本课题中对几种常见的攻击手法给出了应对措施,WSN拒绝服务攻击,有些攻击者只要掌握了查询分组的格式就可向传感网发送大量匿名查询分组,使节点忙于应付查询,从而达到耗尽网络带宽和传感器能量的目的,对这样的攻击,在协议转换网关的安全层加入认证机制,只允许认证用户建立对等连接,不允许外部的匿名连接。如果采用匿名连接可以考虑查询分组流量控制策略,对于频繁请求的匿名连接不进行处理,对同一个地址发送的多次查询请求也不进行处理。
4 结论
IPv6技术和ZigBee技术是这几年发展起来的,给互联网和传感网带来革命性的变化,将两者结合进行协议转换是本课题的创新点。在测试中我们使用10个压力传感节点来构建一个无线传感网,网关无线通信模块采用射频芯片CC2430。处理器模块采用8051单片机,进行系统的整体控制与协议转换。与计算机的接口采用以太网(802.3) 。软件方面移植一个嵌入式操作系统uC/OS-II,用于系统任务调度和进程通信等操作系统功能。在测试中,我们通过PC机通过IPv6网向网关发送组网命令后,10个节点都能加入传感网,并能进行相互通信。系统运行后能准确获取来自10节点的压力传感数据。由此证明本文所提设计思想可以在实际生产中进行应用,并具有良好的市场前景。
参考文献
[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.
关键词：无线传感器网络； ZigBee； 网关； GPRS
中图分类号：TP393.08 文献标志码：A 文章编号：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作为一种新兴的无线通信技术，其低速率、低成本、低功耗、自配置和灵活的网络结构，非常适合无线监控系统。而GPRS（General Packet Radio Service）网络是一种长距离的移动通讯网络具有信号覆盖范围广、数据传输速率高等特点，其协议规程展示了无线和网络相结合的特征。因此可以通过GPRS技术来拓展ZigBee测量控制网络的作用范围。而将两者的特点结合起来后，就在众多长距离、多监控点的系统中得到了广泛应用[1-3].。
基于ZigBee和GPRS的网关设计就是在ZigBee 无线传感器网络和互联网之间搭建一条数据传输通道，由此实现Zigbee协议数据包和TCP/IP 协议数据包的相互转换，并且进一步实现数据在Zigbee 协议和TCP/IP 协议之间的双向传输，完成ZigBee 网络和IP 网络的互通。系统设计的关键技术就是两种协议的转换。
1总体设计及网关作用
在监控系统中，网关的主要功能有[4-5]：
（1） 侦测并选定物理信道，分配ZigBee网络中的网络地址，初始化网络设置；
（2） 配合网络所采用的MAC算法和路由协议，协助其他网络节点建立路由；
（3） 完成ZigBee网络与GPRS网络之间的协议转换；
（4） 接收传感器节点数据，对数据进行分析、融合等处理；
（5） 接受监控中心的命令，对命令分析后转发给传感器节点执行。
网关节点由CC2430协调器模块，GPRS模块、电源模块等组成。作为区域环境远程监控系统的一部分，网关发挥着数据传输和协议转换的关键作用。网关在系统中的部署如图1所示。监控系统内部包含一个Zigbee无线传感器网络，由ZigBee数据采集节点构成网状网络，所有的数据最终汇聚到网关，再由网关中的协调器节点完成数据的过滤、融合及转发。除此之外，协调器模块还具有ZigBee网络的建立和协议转换及命令的转发等功能。GPRS模块用来进行远距离数据传输，并与远程服务器建立起TCP/IP连接，数据可以通过Internet传输到服务器上，在服务器中完成数据的存储、显示和分析，而后根据设定的监控条件发出相应的控制命令，实现对ZigBee数据采集节点的控制。
图1 网关的部署结构
Fig.1 Structure of？gateway？deployment
2协议栈分析及转换
2.1 ZigBee协议栈
ZigBee 是电气电子学会（IEEE） 无线个域网的802.15.4 技术标准，是基于开放系统互联（OSI） 参考模型的体系结构， 如图2所示。ZigBee是由多达65 000个无线节点组成的一个无线网络，在整个网络范围内，节点之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，延拓至扩展后的几百米，而且通过增加放大电路，通信距离甚至可延伸成几公里。在ZigBee 协议栈里，IEEE 802.15.4定义了物理层（PHY） 协议和介质访问控制层（MAC） 协议；同时，ZigBee 联盟又制定了网络层（NWK）、应用支持层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）等协议。一般情况下，用户则可根据需求及接口来制定应用程序层[6]。
图2 ZigBee协议栈
Fig.2 Protocol stack of ZigBee
2.2 GPRS技术
GPRS 技术是在GSM（Global System for MobileCommunications，全球移动通讯系统）技术的基础上发展起来的一种新的移动通信技术，可为用户提供分组形式的数据业务， 还可在移动用户和数据网络之间提供高速的无线数据传输。GPRS 采用与GSM 相同的无线调制标准、频带、突发结构、跳频规则以及一般无二的TDMA帧结构。GPRS也是分组交换技术，并且具备实时在线、按量计费、高速传输等优点[7]。为方便开发，有些GPRS模块内嵌了完整的TCP /IP 协议，支持数据的透明传输与非透明传输，还为用户提供了更简单的网络接口。同时，GPRS模块将可支持标准的AT 指令集。通过终端设备、终端适配器发送AT 指令来控制移动台的功能，从而与GSM网络业务进行交互[8]。
2.3 ZigBee 协议与TCP/IP 协议的转换
ZigBee协议与GPRS之间的转换在网关完成，其协议转换如图3 所示。ZigBee协调器节点接收到来自ZigBee网络的数据包后，对数据包进行处理。按照已经定义的数据格式将数据重新封装由串口发送到GPRS模块。利用模块内嵌的TCP/IP 协议，将模块设置成透明数传模式，当GPRS联网成功时，网关将获得由GSM网络运营商随机分配的内网IP地址，此时利用这个IP通过移动运营商的网关访问Internet网，再将数据发送到服务器上，实现由ZigBee到GPRS的数据传送。需要注意的是，移动GPRS网关提供的NAT（网络地址翻译）端口映射服务具有很短的时效，若需要维持双向的通信必须设置GPRS-DTU定时发送的心跳数据包，从而保持NAT端口映射。由Internet端向ZigBee端的协议转换与前述过程相反，按照图3即可实现类似解决。
图3 ZigBee协议与GPRS之间的转换
Fig.3 Conversion？between ZigBee protocol and？GPRS
3网关硬件平台设计
网关硬件按照模块化思想进行设计，电路主要由控制器模块CC2430、GPRS模块、液晶显示模块和电源模块等组成，其硬件电路结构框图如图4所示。CC2430内嵌有加强功能的8051处理器和高效的无线射频芯片，通过软件编程的方式将其设置为ZigBee协调器节点。具体设计实现可做如下描述。
3.1 控制器模块
在该网关系统中，将控制器、协调器和通信模块集成为一个整体，基于这种结构，就减少了通常网关中单独使用的控制模块。由于在协议转换的全过程并不需要用户干预，从而实现了透明的协议转换和数据传输。由分析可知，这种设计方案不仅降低了成本，简化了设计，对网关的可靠性也获得了一定程度的提升。CC2430内部不仅有加强型的单片机，内置的Flash存储器还可以保存全部的ZigBee协议栈，并有足够的空间保证应用程序的流畅运行。
图4 网关硬件结构
Fig.4 Structure of gateway hardware？？
3.2 GPRS模块
GPRS模块采用COMWAY WG-8010组件，其中内置工业级GPRS无线模块，提供标准RS232数据接口，可以方便地连接RTU、PLC、工控机等设备。完成初始化配置后，网关就可以与服务器端通过GPRS无线网络和Internet网络建立连接，实现数据的透明传输。
4 软件设计
4.1 ZigBee协调器软件设计
ZigBee协调器实现了网络的建立、传感器节点的数据收集和节点管理等功能。软件流程如图5所示。网关上电后，首先进行硬件的初始化，并扫描可用的通信信道，建立ZigBee网络，进一步设置网络的PAN ID，等待传感器节点加入网络。当传感器节点加入网络之后，接收传感器节点发送的传感器数据。协调器通过RS232与GPRS模块相连，将采集到的数据发送到GPRS模块。具体来说，协调器软件设计基于Z-Stack协议栈，使用C语言在IAR嵌入式编程环境下开发。Z-Stack是TI中操作系统、而且是基于优先级的轮转查询式操作系统，系统初始化后开始执行操作系统。在操作系统中进行的是一个轮询式无限循环。协调器的数据收集和串口通信分别部署在两个不同的任务中，任务之间即通过事件进行通信。
图5 协调器软件流程图
Fig.5 Software flow chart of coordinator
4.2 GPRS模块参数配置
由于GPRS模块实现了DTU功能，需要对模块的一些参数进行配置。基本内容主要有选择TCP/IP协议作为通信协议；设定远程主机的IP和端口号；设置DTU的工作模式为自动连接模式，保证模块掉线后能立即重新连接，最大限度地防止数据丢失；设置DTU串口的通信参数：波特率、数据位、停止位和校验位。这些参数要和ZigBee协调器的串口通信参数一致，保证串口通信的正常。此外，为了确保远程数据通信的连续性，还需要设置心跳包的内容（ASCII码或16进制数据）和时间间隔，心跳包是为了在GPRS通信空闲中避免运营商切断连接而定时发送的数据包。
5 结束语
本文提出了一种轻量级无线通信网关的设计和实现方案，该方案采用CC2430为核心，在网关内部完成了ZigBee协议与GPRS的转换，并通过GPRS将数据发送到远端的具有独立IP的服务器，实现了数据的远距离传输。系统将近距离的ZigBee通信和远距离的GPRS通信结合起来，发挥两种不同特点的无线通信技术的优势，该网关已在区域环境监控系统中得到了应用，实践结果表明，该网关可靠性高、抗干扰能力强，具有很好的通用性。
参考文献：
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关键词：环境监测；ZigBee；WiFi；无线网关
中图分类号：X83 文献标识码：A
引言
随着环保意识的日益加强，对于环境的监测要求越来越高，不仅监测的参数越来越多，而且监测范围越来越细，手段也更加灵活。因此，用信息技术来提升环境监测设备不仅可能而且必要。早期环境监测设备中的监控数据多采用有线传输或者人工抄表，因其布线繁冗，成本高，位置固定，灵活度低而受到很大限制。智能化的数据采集处理与无线传输是环境监测设备的重要发展趋势。
ZigBee是目前应用最为广泛的近场无线通信技术之一，具有自组织、低成本、低功耗、高可靠性和短时延的特点，是需要较多传感控制节点应用的首选。ZigBee工作在2.4GHz ISM频段，最多可容纳65536个节点，节点不仅能进行数据采集，还能以多跳的方式承担网内节点的数据转发。但ZigBee单跳通信距离较短，数据传输速率最高仅为250kb/s@2.4GHz且不能直接与Internet互联[1]。
为了拓展通信距离和实现远程应用，文献【2】直接给出了基于WiFi的监控方案，但是WiFi节点功耗相对较高，组网方式限制了其覆盖范围。文献【3】采用ZigBee和以太网相结合的方式实现数据采集与远程应用，具体是通过ARM+Linux控制通信模块，如GPRS/CDMA或其他以太网接口来实现的。ARM芯片分别与ZigBee和通信模块相连，通过运行ARM中Linux平台上的代码进行总体控制和协议转换，此类方案虽可实现ZigBee与以太网之间的协议转换，但是网关的功耗大，成本高，协议转换效率低，可靠性与稳定性相对较差。
为充分利用ZigBee和WiFi的优点，实现设施环境监测数据与Internet无缝链接，拓展设施环境监测设备的应用范围。本文给出并实现了一种新的ZigBee-WiFi无线网关，该网关以STM32W108及AX22001为核心芯片，通过固化在芯片中的代码实现ZigBee网络与WiFi网络的协议转换，经测试，该无线网关稳定可靠，功耗低，能够满足设现代环境监测对数据采集、无线传输和数据远程应用的要求。
1.网关硬件设计与实现
ZigBee-WiFi无线网关位于ZigBee网络和WiFi网络之间，实现两种不同协议的转换。本文设计并实现的网关既是ZigBee网络的协调器，负责构建和配置整个ZigBee无线传感器网络，又是WiFi的无线节点，具有收集分发ZigBee节点数据、协议转换功能。其结构和功能如图1所示：
图1 ZigBee-WiFi网关结构能功能
ZigBee部分以STM32W108CBU61为核心芯片，它是集成了符合IEEE 802.15.4标准2.4GHz收发器的32位ARM Cortex-M3微处理器，固化了Ember ZigBee协议栈，支持星型、树状和网状三种ZigBee基本网络结构[6]。
网关中ZigBee射频部分在使用片内功率放大器时，无阻挡传输距离约为75M，能够满足布局简单，范围较小的场合。
网关中WiFi部分主控核心芯片AX22001是内置802.11无线网MAC/基带双CPU架构的TCP/IP微处理器，其中MCPU负责应用程序和TCP/IP协议处理，WCPU则负责WLAN协议处理以及以太网封包格式的转换，支持软件设置TCP 服务器、TCP客户端以及UDP工作模式。WiFi射频部分的核心芯片是AL2230S，它工作于2.4GHz频段，支持802.11b/g。STM32W108与AX22001间的数据交换通过UART完成。
ZigBee和WiFi都使用2.4GHz ISM频段，其间干扰是影响网关稳定工作的重要因素。ZigBee将工作得2.4GHz频段划分为16个信道，信道带宽为2MHz；WiFi则将该频段划分为11个信道，信道带宽为22MHz。ZigBee与WiFi有12个信道重叠，无重叠信道最多有4个，如图2所示。
图2 WiFi与ZigBee信道分配图
虽然ZigBee信号相对于WiFi属于窄带干扰源，WiFi通过扩频技术可以充分抑制ZigBee信号。同时ZigBee网络在信道访问上采用了CSMA-CA碰撞避免机制，通过检测信道上能量判断信道状态，这种信道占用检测和动态信道选择的方式对ZigBee和WiFi抗同频干扰，实现共存非常重要[7] 。在网关的硬件设计中仍需尽可能的将ZigBee和WiFi模块隔开且用铁壳覆盖以减少辐射外泄，软件设置ZigBee与WiFi信道选择范围，以减少二者信道相互重叠的可能性。此外，ZigBee和WiFi模块分别单独供电，软件实现“时分复用”，尽可能避免出现ZigBee和WiFi同时发送数据的情况出现，提高网关无线数据传输的可靠性和稳定性。
2.网关软件设计与实现
ZigBee采用IEEE 802.15.4协议，根据节点地址进行通信，WiFi采用TCP/IP协议，根据IP地址进行通信。ZigBee传感节点采集到的数据按照IEEE 802.15.4协议传送到网关，网关解析出数据的有效载荷并转发给WiFi网络。当WiFi网络需要发送数据给ZigBee中节点时，网关会根据TCP/IP数据包中含有的ZigBee节点地址将有效数据转发到指定节点。网关软件通过调用协议栈建立并维护网络通信，数据转换在应用层上实现。
网关中ZigBee模块作为协调器，负责ZigBee网络的建立，信息接收、汇总及传输。协调器上电后扫描信道创建ZigBee网络，选定一个PANID作为协调器的网络标识，创建路由表，广播网络允许节点加入网络。ZigBee模块的工作流程如图3所示：
图3 ZigBee协调器工作流程图
WiFi模块负责WiFi网络中的数据收发，支持AD-HOC直连和基础网络模式两种通信模式。本文将WiFi节点配置成基础网络模式，通过无线路由与上位机进行数据交换。WiFi模块上电后，初始化硬件和网络协议栈，设置模块参数，扫描信道加入无线局域网络。图4为WiFi模块工作流程图：
图4 WiFi模块工作流程图
ZigBee向WiFi发送数据：网关内的ZigBee协调器接收到节点传来的数据后将其与发送节点地址通过UART发送给AX22001主MCU，运行在主MCU中的程序将数据及节点地址打包通过WiFi发送出去。WiFi向ZigBee发送数据：AX22001主MCU将接收到的IP数据包解包提取目的节点地址和数据，通过UART将其发送给网关内的ZigBee协调器，协调器根据目的节点地址将数据发送到指定节点上。
3.系统测试与结果分析
为测试ZigBee-WiFi无线网关的运行情况，本文采用多线程技术开发了上位机监控测试程序，其中主线程用来接收数据，发送线程用来发送数据。ZigBee-WiFi网关与测试程序之间通信通过Socket套接字来完成，网关运行在服务器模式下，测试程序运行在客户端模式下，通信流程如图5所示。
图5 socket通信流程图
测试时将ZigBee采集节点设置为全功能路由节点，外接温湿度、光强、二氧化碳浓度传感器。在一112M×49M食品生产车间中布置15个数据采集结点，测试程序运行在PC上，配置PC使得ZigBee-WiFi网关和PC工作在同一无线网络中。ZigBee-WiFi网关首先加电启动，然后运行位于WiFi网络中PC上的测试程序，输入指定的IP地址和端口后，点击连接。接收数据结果如图6所示。
图6 上位机接收数据
接收到的数据包括ZigBee节点64位全球唯一的物理地址地址，如图中“0080E102001BC0A8”，接收到的信号的强度RSSI，该参数可被用来判定链接质量，其余分别为传感器测得的环境参数值。同时上位机通过WiFi向ZigBee中所有节点循环依次发送数据，ZigBee节点均可正确接收。经多天连续运行测试，数据传输多在单跳内完成且时延小于10ms，丢包与信号强度及频率有关，据测试结果可知网关丢包率小于1%。上述结果表明设计的网关节点功能符合要求且系统运行稳定、可靠。
4.结论
本文以STM32W108及AX22001为核心芯片设计并实现了一个用于环境监测中的ZigBee-WiFi无线网关。该网关能够满足ZigBee与WiFi两种不同网络间数据互联要求，实现了ZigBee网络与WiFi网络的无缝连接，拓展了ZigBee网络的覆盖范围，方便与远程环境监测系统实现无缝连接。同时，该网关较其他方案具有功耗低，结构简单，组网方便等特点。
参考文献：
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关键词：ZigBee;SCS;网关;安防监控
中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：2095-1302（2014）11-00-03
0 引 言
智能家居是以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境。在智能家居系统中安防监控技术在可视对讲，防盗报警，家庭监控，小区一卡通等领域都有广泛的应用。根据不同的家庭建筑情况，智能家居系统可采取不同的家庭网络设计，对于已经装修过的建筑可以采取无线自动控制系统，而未装修的建筑，可以采取无线与有线相结合的控制方法，这样弥补了无线不稳定等问题。
1 系统构建概述
安防监控报警系统针对非法闯入、火灾险情、煤气泄漏、水管泄漏、电路故障等危险状况进行紧急求助与报警。该安防监控系统重点阐述三个设计：ZigBee/SCS智能网关，ZigBee无线家庭网络以及安防终端设计。ZigBee/SCS智能网关连接ZigBee无线和SCS总线系统，可以使无线控制器控制SCS总线设备。ZigBee无线家庭网络是无线局域网，主要由ZigBee终端节点和ZigBee协调节点组成。用户通过无线网络把查询和控制信息发送给智能网关，智能网关对接收到的信息进行处理，进而发送给协调器，协调器根据接收的信息地址，最终把指令信息发送给ZigBee终端节点，实现对智能家居系统的安防监测。此外，ZigBee/SCS智能网关具有语音识别单元，通过语音识别功能可以实现智能家居设备的语音控制。图1为智能家居系统结构图。
2 系统硬件设计
2.1 安防监控网关设计
安防监控网关是该系统的核心设计，是外网和家庭内部ZigBee网络的一个节点。系统设计的是基于SCS协议的ZigBee/SCS智能网关，该网关主要接收采集节点，安防节点，控制节点传输过来的数据，并对其进行转换，同时对外网传来的数据信息进行转发以及传递采集节点的数据，把SCS协议或ZigBee协议转换到TCP协议。该ZigBee/SCS智能网关可以连接到ZigBee无线系统和SCS总线系统，在智能家居实际实施过程中，在该网关的作用下，可以实现无线电控制器控制结构化布线系统（SCS）执行器，同时结构化布线系统（SCS）控制器能够控制无线电ZigBee调光器开关。
图1 系统结构图
网关的硬件电路主要有7个部分组成，分别是控制器模块ARM9处理器，64 MB的存储单元NAND FLASH和64MB SDRAM，ZigBee模块（ZigBee协调器CC2530），LCD显示模块，JTAG调试接口模块以及SCS/BUS接口模块。图2为安防监控网关硬件电路结构框图。
图2 安防监控网关硬件电路结构框图
安防监控网关设计的核心是控制器的选择，该设计选择ARM9芯片（S3C2440A）作为主控制器，它是以ARM920T为核心的RISC微处理器。该处理器集成了外部存储控制器，中断控制器，LCD控制器，DMA控制器，时钟和电源管理等丰富资源。同时，通过外扩存储器，串口，JTAG调试接口和SCS/SCS接口等构成硬件开发平台。
SCS-BUS是指结构化布线/总线系统，SCS（Sistema Cablaggio Semplificato，简化布线系统）是一个现场总线网络协议，目前在Bticino和罗格朗得到广泛的应用。SCS总线基于护套双绞线，可以调制4种不同的信号：电力供应信号、数据信号、音频信号、视频信号。其传输控制协议是CSMA/CA（载波侦听/碰撞避免）。该网关是双向的，他们将SCS帧转化为OpenWebNet帧，相反，开放协议OpenWebNet让大家来构建软件与SCS interact设备。SCS协议是一种专有Bticino协议。与其他现场总线交互必须仅使用OpenWebNet编写软件。
ZigBee模块选择CC2530作为射频收发器，完成与主控制器之间的数据通信。CC2530 芯片是2.4 GHz的片上系统，建立在基于IEEE 802.15.4标准协议上面，或是专门的网络协议上面。CC2530模块大致可以分为CPU 和内存相关的模块，外设、时钟和电源管理相关的模块，无线电相关的模块。此外，CC2530提供了一个IEEE 802.15.4兼容无线收发器，RF内核控制模拟无线模块。
系统无线网络部分，主控制器通过串口与无线收发模块CC2530连接，同时对无线模块进行相应的设置，并对采集节点，安防节点，控制节点的数据信息接收与处理。有线设计部分，实在网关硬件平台外扩一个SCS接口，实现与终端设备的连接，进行数据采集，传输数据，主控机根据接收到的信息进行控制。
2.2 协调节点设计
ZigBee网络的根本是充当多个网络之间的桥梁，每个网络必须有一个协调器，可以存储其所属网络的信息，并且充当安全键的保险装置。该系统中ZigBee/SCS网关的协调器必须是ZigBee协调器。
本系统协调节点选择无线片上系统设计的CC2530射频芯片作为ZigBee芯片，该芯片集成了系统所需要的一般基本电路，只需设计简单的电路就可以实现系统的无线收发功能。图3为协调节点结构图。
图3 协调节点结构图
2.3 终端硬件电路设计
安防监控报警模块通过布置在室内外的安防传感器来探测警报事件，由智能家居管理终端向用户和小区保安系统发出报警信息。安防传感器主要有门磁、窗磁、煤气泄露传感器、烟雾传感器、红外探头等。
采用的技术路线：无线部分采用ZigBee芯片作为安防传感器的执行器，安防传感器通过ZigBee网络实现与智能家居管理终端的通信。有线部分智能家居管理终端可以通过SCS口连接来实现。ZigBee网络终端节点设备定时上传安防传感器的参数，通过智能家居管理终端可以查询安防传感器的工作状态和警报信息。图4为安防监控系统终端管理硬件结构图。
图4 安防监控终端系统硬件结构图
控制器S3C2440A核心板是智能家居管理终端的中央控制器，负责分析处理各功能模块传输的数据，并作出相应的决策来实现智能家居系统的各项功能。底板上的电源和复位模块负责为核心板和各功能模块提供工作电压，复位电路使管理终端稳定可靠的工作。下载调试接口负责智能家居管理终端软件操作系统的定制、安装和应用程序的下载调试。ZigBee模块作为协调器负责组建ZigBee网络，实现与各种智能家电和安防传感器之间的通信。SD卡可以作为事件记录。监控设备可以是多个网络摄像头，通过网线与路由器相连接，在对其进项相关设置。LCD触摸显示屏和音频模块组合可以实现家居安防里的可视对讲分机的功能。智能家居管理终端本地控制的功能是通过LCD触摸显示屏来实现的。WiFi模块、GPRS模块和SCS模块使智能家居管理终端可以通过无线和有线网络，实现音频视频图像传输和远程控制。
3 系统软件设计
3.1 安防监控网关主要程序设计
安防监控网关连接外网和家庭内部ZigBee网络，进行不同的协议转换，确保不同的网络之间能够正常通信。在本系统中ZigBee/SCS智能网关把SCS协议或ZigBee协议转换成TCP/IP协议。采集节点将监控的信息进行打包处理，包括该节点的地址信息与检测到的数据信息，无线部分以ZigBee帧的方式发送给ZigBee/SCS网关节点，有线部分将SCS帧转化为OpenWebNet帧，网关节点接收到信息后，对原始数据进行处理，接着再以以TCP/IP协议进行打包处理。图5为安防监控网关主程序流程图。
图5 安防监控网关主程序流程图
在硬件平台的基础上，首先对硬件进行上电操作，启动实时操作系统Linux，同时对应用程序进行初始化。安防监控网关起初是处于监听网络状态，当有数据信息转发过来时，将进入中断处理状态。如果数据来自ZigBee网络节点，则对数据进行处理，同时显示节点数据，进行存储打包发给外网，最终回到监听网络状态。如果数据是SCS数据，则执行指令信息，把安防监测信息发送给主机，与ZigBee数据信息一样，最终回归到监听网络状态。
3.2 ZigBee协调节点入网设计
协调节点能够成功通信的条件是协调节点建立的新网络在可用的信道上，即空闲信道上。图6为协调节点的入网设计主程序流程图。首先对节点进行上电操作，硬件进行初始化，同时要求协议栈进行初始化。协调节点通过扫描搜索可用信道尝试建立新的网络。在射频单元搜索过程中，如果有任何一个ZigBee网络在该信道上，协调节点将认为该信道已经被占用，为不可用信道。协调节点将重复此过程直到搜索到可用信道。成功建立新的网络后，节点将进入监听网络状态。当终端节点发送入网请求时，将产生中断，判断是否为安防监测终端数据，如果是将进行数据数据转发与处理，协调节点最终回归于监听网络状态。
3.3 安防监控终端入网设计
终端节点需要完成两项工作，一是网络之间的通信，二是对终端设备进行操作。在终端节点中，采集节点需要采集家庭安防数据信息，再发送给协调节点，同时接收处理发送给它的查询信息。控制节点在接收到控制命令后对家电进行控制，同时也要完成射频信息接收的工作，这要求设备操作与网络通信之间建立连接。安防节点相对简单一些，只需要在规定的时间内进行安防数据采集与发送。进行终端节点操作时已经确定终端节点的网络了，因此，终端节点进行上电操作与系统初始化后，开始搜寻ZigBee无线网络，直至确认无线网络所载的信道，否则将重复进行搜寻过程。申请加入网络，入网成功后，终端节点将进行发送数据与接收命令。
图6 协调节点入网主程序设计
4 结 语
设计的智能家居安防监控系统是针对家庭住宅未装修的情况，它采取无线网络与有线网络相结合的方法，实现安防监控功能。该系统是以ARM9为硬件平台，Linux为实时操作系统，SCS协议为智能家居总线协议，ZigBee/SCS为智能网关，将家庭内部无线传感采集节点采集的安防数据信息发送到控制主机，实现了对非法闯入，火灾险情，电路故障等状况的实时监测。该设计可以使安防监控报警系统获得稳定的网络通信，同时该系统在实际布线过程中可实现无线电控制器与SCS（结构化布线系统）执行器的相互控制，对智能家居系统的发展与建设有重要的意义。
参考文献
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1 ZigBee技术简述
在无限互联传感技术中，ZigBee技术是一种新型、开放的短距离、低功耗、低速率的无线互联传感技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。这种技术目前只适合应用在一些短距离的无线网络通信等方面。
ZigBee是基于IEEE 802.15.4的远程监控，其中其应用已经渗入到智能家居、智能交通、无线测绘以及医疗等领域，具有较大的发展空间。并在2001年成立了ZigBee联盟，为以后的技术发展提供更广阔的技术指导。
2 ZigBee协议栈体系结构分析
ZigBee协议栈主要有物理层、网络层、链路层以及应用层等组成。一般物理层主要负责最基本的无线通信，经常是由调制和传输以及数据的加密及接收等构成。而链路层主要是提供设备之间的单跳通信和可靠传输以及通信安全。网络层一般主要提供通用的网络层的功能，常见有拓扑结构的搭建和维护、寻址和安全路由等。而应用层一般主要包括应用支持子层和ZigBee设备对象以及各种应用对象。而应用支持子层主要是提供安全与映射管理的服务，ZDO一般主要负责设备的管理，其中包括安全的策略和安全的配置等的管理，并且应用层提供对ZDO和ZigBee应用的服务。
3 ZigBee网络结构分析
在ZigBee的规范定义中，对ZigBee协调器和ZigBee路由器以及ZigBee终端设备进行定义。其中ZigBee协调器主要是负责启动和配置整个网络，一般在一个ZigBee网络中只能允许有一个ZigBee融协调器。而ZigBee路由器它是属于一种支持关联的重要设备，一般一个网络可以有多个ZigBee路由器，它主要是将消息进行转发到其它的设备上，但是其在星型的网络结构中不支持ZigBee路由器，但是ZigBee的终端设备可以进行执行与其相关的基本功能，从而使网络和设备之间的通信。
4 ZigBee技术的应用分析
在无线传感网络技术中，ZigBee技术的发展为短距离的无线通信技术提供革命性的变化，它的低速率和短距离以及传输数据最少的特点，填补了我国自组网的传感器领域应用的空白。下面对当前几中无线互联传感网络技术进行对比分析
我们可以看出，每一种无线通信技术都具有自己的独特优势和发展应用的领域，通过分析可知，ZigBee技术更适合在一些大量的微小传感器之间进行传输通信，是一种新型的无线传感网络技术，在工业、军事、农业、环境以及医疗等领域都有巨大的发展应用价值。
ZigBee技术的发展涉及到的范围比较广泛，常见的有网络传输和射频技术以及底层软硬件控制等技术。一般在应用ZigBee技术来进行实现无线传感器网时，一般需要考虑网络的节点硬件的设计以及实现相应功能中所需要的软件设计。目前，市场上在硬件上的设计主要是应用ZigBee的射频芯片及片上系统，例如，TI公司的CC2420和CC2430以及Ember公司的EM250和260等等，一般这些芯片大大的降低了硬件的设计要求，一般在芯片上加入一些少量的元件就可以实现应用的节点，而对于其软件设计主要是利用ZigBee协议栈，它是ZigBee技术的核心部分，可以实现数据的收发和校验以及各种网络拓扑和路由计算等复杂的功能。随着ZigBee联盟对ZigBee协议栈的逐渐开放，从而降低了软件上的一些限制。
目前ZigBee技术的提供有三种方式：1）利用ZigBee RF+MCU ZigBee协议栈然后在MCU上进行运行的方式，其主要具有超低功耗和较好的无线电性能以及成本低等特点；2）利用集成的MCU和RF收发器以及ZigBee协议栈进行的单芯片集成SOC方式，这种方式具有占位面积小和集成度高以及成本控制地等特点；3）利用ZigBee协处理器和MCU双芯片的组合方式，其方式在用户进行设计和使用的过程中，具有较高的弹性和灵活度，一般不需要牵涉到较多的ZigBee开发技术，经常可以任意进行选择MCU和加速产品。
5 ZigBee技术发展的展望
在无线传感网络技术中，ZigBee技术作为一种新型、开放的无线传感网络技术，由于其具有短距离、低功耗、低速率的优越特性，因此，奠定了其在以后的短距离传输中具有较大的发展优势，但是这种技术只适合短距离的传输，因此，在远距离的传输中还是面临一定的问题。同时这种技术带动了无线传感网络技术的发展，而且解决了一些传统的通信技术不能解决的问题。从其整体性来说，ZigBee技术在以后的发展中还是处于比较有优势的，同时需要技术人员的不断创新和发展，使其在以后的发展中得到更广泛的应用。
6 结束语
综上所述，ZigBee是一种新型、开放的无线通信技术，在一些短距离的传输过程中还是比较有优势的，但是其实现的成本还是相对其他技术的要高。随着国际化组织和ZigBee联盟的推动，相信ZigBee协议的发展会越来越完善，为以后其他的领域应用带来革命性的变化。
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【关键词】物联网 ZigBee 网关设计与实F
1 引言
物联网的概念是在2005年的国际电信联盟上提出的。在信息化的时代，物联网的提出的应用，加强了人与人之间甚至人与物之间的通道，为人们的生活带来了便利，使人们的生活更加智能化、简单化。物联网的发展伴随这无线传感器技术的不断成熟，无线传感器结构简单、成本低廉、工作时间长等优点为物联网的发展带来了极大地发展空间。但是由于物联网中广泛采用的BigZee网关的网络结构与TCP/IP的网络结构不同，如何使两种异构网络结构的网关进行有效地融合成为我们要探讨的关键技术。本文主要从网管的需求分析、软件各模块之间的设计与实现等两大部分进行论述，以求解救此问题。
2 网关的需求分析
物联网的网络结构设计一般分为感知层、传输层、和应用层三层。感知层的主要作用是收集信息并进行数据的传输。在感知层中，通过传感器、REID、摄像头等技术对农场、交通等的数据信息进行收集并通过无线网络将数据传输出去。在传输层中，运用现代的宽带技术对感知层收集的数据进行收集，一方面扩展了感知层的传输距离，另一方面加强了感知层和传输层之间的联系。而应用层主要负责的传输层输送的数据的处理、加工，应用层的技术数据处理的结果也是物联网的最终目的。物联网的BigZee网关位于传输层中，其连接传感器和传统通信网络的作用。网关的主要功能有协议转换、数据收发、传感网络管理等。
2.1 协议转换功能
在网络设计与数据传输过程中，网关最基本的功能就是使数据在不同的协议之间进行转换。当收到物联网的ZigBee网关发送的数据之后，网关根据ZigBee协议进行去除PHY层、包头等之后再对数据进行封装，然后传送给下一个网络节点。因此，在大的网络中，应有ZigBee和TCP/IP两种协议，才能使数据在以太网中顺利传输。
2.2 数据收发功能
网关作为沟通传感器和通信网络之间的桥梁，能够起到数据中专的作用。ZigBee的数据在节点内容进行处理之后通过传输层传递给网关，网关在进行数据封装之后通过以太网传输给IP主机。同时，IP主机的数据信息也可以通过网络中转传递给物联网的ZigBee节点。网关中转站的功能完美实现了数据在哥节点之间的传递。
2.3 传感器网络管理功能
ZigBee的一个很重要的功能是实现ZigBee网络的管理，处理网络的建立、网络的申请等事项，在数据传输过程中，分配网络地址、完善网络的拓扑结构等，同时在节点完成数据传输时及时对节点进行回收。
3 网关的总体设计与软件各模块之间的的设计与实现
3.1 网关的总体设计
网关的总体设计主要包括网关的硬件设计和软件设计两大部分。网关总体设计与实现对后续各个软件之间的设计及数据的处理传递至关重要。
3.1.1 硬件设计
网关的硬件设计大致都是CPU 结构，CPU结构中主要包括ZigBee和CC2530两个模块。两个模块分别采用了ZigBee开发套件和龙芯1B开发板。在两个模块进行连接时，主要通过套件和开发板进行连接，从而共同完成网关的功能。
3.1.2 软件设计
软件的设计主要采用嵌入式Linux操作系统和Stack协议栈，根据各个软件模块的需求分析确定网关的各个功能模块，软件设计的主要目的是完成网关软件结构、网关与IP网络主机及ZigBee网关节点之间的有效连接。
在软件设计中，我们着重讨论Linux的设计与实现。从自身性能来考虑，Linux操作系统的内存较小，并且内核可以进行裁剪，相对于其他操作系统更能符合服务器的需求。而且，Linux操作系统的源码是开发的，并进行模块化设计，能更好地在后期进行完善。再者，Linux操作系统本身支持TCP/IP的协议网关，能够实现较为复杂的功能。最后，Linux操作系统和Zstack提供串口驱动，可以实现串口的读写工作，方便后期的开发。
3.2 ZigBee内容通信模块设计
ZigBee网络内部主要由终端节点、路由器、协调器三个节点完成。ZigBee网络的主要功能有：网络建立与入网申请。数据收发、包装盒接受ZigBee网络上传的数据。ZigBee内部通信模块的有效设计对各个模块之间的有效运行和数据的传递、封装都提供了有效的条件。同时，也应该注意到，ZigBee内部通信模块的设计涉及到很多的理论知识，在设计时将这些理论知识相融合使用。
3.3 网关主控模块设计
网络主控模块的主要功能是完成与ZigBee和IP主机之间的通信。网关主控与ZigBee取得通信，接受ZigBee的数据信息并对ZigBee传递命令。同时网关主控模块与IP主机之间获得通信，获取命令或取得数据信想。同时，其他模块与网关主控模块进行交互时则主要是通过Linux操作系统对串口的操作。其在交互中运用的命令会根据不同的需求来进行定义。
4 总结
物联网ZigBee网管的设计与实现对物联网以后的发展及对人们生活的影响都有深刻的影响。在网关的设计与实现中，ZigBee网关与IP网络的融合成为关键技术。为了更好地实现ZigBee网关的连接，也要更多的从网管的需求、内部结构以及同其他模块的相互连接的角度考虑，只有这样，才能从实际需求出发，更好地促进发展，同时带动物联网的发展成熟。
参考文献
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作者单位
牛作领（1980-），男，陕西省咸阳市人。现为西安交通工程学院讲师，目前主要从事计算机与通信信号教学与研究。
项目背景 随着我国逐渐进入老龄化社会，老年人数量越来越多，许多老年人患有各种老年性疾病，严重者会失去生活自理能力而长期卧床，而子女和家人不可能时刻伴随着老人。基于ZigBee技术的无线紧急呼叫系统，就是在此背景下进行研究和开发的。当老人需要帮助，而家人又不在身边时，可以通过手持终端上的按键发送求助信息，家人看到灯闪或听到声音就明白老人需要帮助，可及时前往而有效地利用时间。
ZigBee技术简介 ZigBee协议是2001年6月成立的ZigBee联盟专门为实现家庭及办公室自动化的控制系统、医疗保健设备及自动化检查系统的通信应用而开发的一种无线通信标准。与其他无线通讯协议相比，具有低速率、近距离、短时延、高安全、免执照频段等特点，是以低复杂度、低成本、低功耗为目标的一种无线通讯协议。老年求助呼叫系统对数据传输可靠性要求很高，但每次需要传输的数据信号容量很小，要求呼叫端设备的重量和体积较小，这些应用要求与ZigBee协议的特点很吻合[1]。
2 系统总体结构设计
ZigBee网络通常由协调器、路由器、终端设备三个节点构成，每个ZigBee网络需要且只需要一个协调器，用来创建ZigBee网络，并为最初加入网络的节点分配地址；路由器节点有转发数据功能，起到路由的作用；终端设备节点之间，只能与协调器节点通信，通常只周期性地发送数据[2]。本系统用于家庭网络，研究表明，一般家庭面积25*25 m2内，ZigBee在此范围的通讯误包率基本为零[3]，因此不设ZigBee路由节点。本系统由一个协调器节点和五个终端设备节点形成一个星型网络拓扑结构。
系统由病人呼叫器、协调器、应答器构成。系统总体结构如图1所示。其中，中控器在网络中充当协调器，负责建立和管理网络、信号的转发。呼叫器和应答器在网络中充当终端设备。呼叫器用来发送呼叫请求和取消 。
3 系统硬件及软件设计
系统硬件设计
1）中央处理器模块。本研究选用德州仪器的CC2530 F256集成芯片，该芯片集成了增强型8051微控制内核与的2.4 GHz的RF收发器，具有256 K的内存，系统内包括可编程闪存、8 KB RAM、A/D转换器以及许多其他功能。同时具有网络节点功能强大、唤醒与休眠工作模式多样、材料成本低廉的特点，使得它更适应超低功耗要求的系统[2]。本系统节点主要由CC2530片上系统接收发射模块、电源模块、下载接口模块（同时兼顾仿真接口）、发光二极管显示模块和独立按键模块等组成[6]。同时结合该公司开发的ZigBee协议栈（Z-Stack）为用户提供了一个较好的ZigBee应用解决方案，可在此协议栈基础上开发特定应用场合下的应用程序。选用CC2530，可相对简化并降低硬件系统的设计难度。
2）协调器设计。网络协调器是ZigBee簇状网内各节点通信的核心，在网络建立之初，每个网络有且仅有一个协调器节点，主要负责网络的发起、参数的设定、信息的管理及维护。根据所选择的微处理器，硬件总体设计方案如图2所示。协调器节点主要由处理器模块、射频模块、电源管理模块、复位电路、蜂鸣器、IDC10下载器插槽、串口等各外部接口等组成。因协调器要根据需要不停地查询网络中的信息，因此要外接稳定的电源，在终端的电源模块基础上增加了外部稳压源接口。CC2530芯片作为射频模块，用于数据处理、接收和发射信号；蜂鸣器和LED指示灯分别用于声、光报警。
3）呼叫器和应答器设计。呼叫器和应答器均为无线可移动设备，由电池供电。其电路框图如图3、图4所示。CC2530芯片作为射频模块，用于数据处理、接收和发射信号；呼叫器的按键1、按键2可根据需要设置成不同需求的按键，如“卫生”“服药”等，LED指示灯用于报警提示。
系统软件设计 系统由1个协调器、1个呼叫器和4个应答器共6个节点组成一个星型网络，由于本文使用TI公司的CC2530芯片进行硬件设计，故在软件设计时采用了与之配套的，同为TI公司的Z-Stack协议栈，开发环境选用IAR7.60，TI Z-STACK协议栈可方便地组建自己的无线通信网络。在ZigBee协议栈中，已经实现了协调器、路由器以及呼叫器的程序，在此基础上，根据无线呼叫系统的硬件设备的实际情况，用IAR Embedded Workbench软件开发工具编写相应的应用程序并进行调试，最终下载到芯片上加以实现。
1）协调器。协调器的工作流程如图5所示。协调器上电后，首先进行设备初始化，包括硬件电路初始化、寄存器初始化、协议栈初始化、操作系统初始化。然后进入执行操作系统，进入无限循环的任务执行程序中。系统定义了“UARTGetchar（）”函数，负责接收呼叫终端发送过来的字符，ZigBee将接收到的字符传给此函数。
本项目定义一个变量，通过if语句来判断老人是否发送了请求。当条件满足后，才会执行控制函数，从而控制协调器上LED警示灯闪烁[7]。
2）呼叫器与应答器。作为ZigBee网络终端节点的呼叫器、应答器的初始化过程与协调器基本类似。如图6所示，呼叫节点首先进行系统初始化，然后加入网络，进入休眠模式；当有呼叫请求时，按键中断唤醒，把请求信息发送给协调器。在CC2530开发板本身设计的3个按键中任选一个按键，定义“key_get（）”函数，用来判断按键是否被按下，若按下了，则通过“uart_puts（）”函数把设定好的字符通过UART串口给发送出去。与此同时，执行“BuzzerSound（）”求助警铃函数，通过定时器来控制声音。在接收到控制命令数据后，发送数据到协调器，若发送不成功，将延迟1 s后重发。
如图7所示，应答器工作流程与呼叫器基本一致，不再赘述。
测试结果 通过抗干扰能力测试，ZigBee通信网络数据传输可靠性高，基本不受家庭中各种家用设备的干扰[3]，在普通的家庭环境中误包率基本为零。
4 结束语
本文利用ZigBee自组网络技术，采用CC2530作为射频收发芯片，设计了老年呼叫系统，创新点在于呼叫器可根据老人不同需求发出不同信号。老人求助终端不仅适用于家里的老人，其他因伤、病、残等原因造成行动不便而需要被人照顾饮食、卫生、就医等病人也可使用该功能。系统能耗低，价格便宜，有较好的市场应用前景。
参考文献
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关键词：无线传感网络；物联网；医疗监护；ZigBee；GPRS；Yeelink
中图分类号：TP336 文献标示号：A 文章编号：2095-1302（2013）10-0034-03
0 引 言
随着物联网的不断普及和技术的广泛推广，物联网技术给医疗卫生行业带来了深远的影响。“物联网医学”[1]成为了人们关注的另一个焦点，“物联网医学”是复旦大学附属中山医院在第七届上海国际呼吸研究研讨会上向国内医学界提出的。所谓物联网医学，指的是利用传感技术，将传感器固定在人体上，传感器的终端嵌入和连接到医疗检测设备里，医生可通过手机或电脑连接到该终端，实时地实现对病人全天候、远程检测及诊断[2]。
1 远程智能医疗监护系统
针对物联网医学提倡的全方位互联的特点[3]，本文将ZigBee和GPRS技术相结合，充分利用网络资源，设计了对智能医疗多监护参数进行处理、传输和可视化的网关系统，在一定范围内配置一处或者多处血压、体温、血氧和脉搏传感器[4]，组成ZigBee无线传感器网络。ZigBee网络作为低功耗、低复杂度、低成本且可自动组网的无线网络技术，支持传感器信息采集、传输和处理，可以将不同点的多个传感器数据利用无线网络进行通信[5]，同时结合GPRS技术实现远程监控，改变了传统无线传感网络需要依托有线公共网络进行数据传输的限制，解决了同时安装大量检测装置、布线量大、线路维护和更改困难的难题，使网络显示出巨大的优势[6]。
图1所示是远程智能医疗监护系统架构图。该系统将信息通过HTTP POST数据包上传到互联网云端Yeelink平台，从而实现对体征数据的实时采集、处理、可视化和远程监测。实际测试结果表明，该系统稳定可靠，方便扩展、实时性强。
2 网关节点硬件设计
设计实现了一种基于STC12C5A60S2为主控芯片的智能网关系统，单片机负责GPRS与ZigBee网络之间的双向数据转换[7]，网关实际上是一个基于GPRS协议和ZigBee协议的转换网关。在ZigBee网络中，网关起到网络协调器的作用，主要工作包括ZigBee组网组建、监听终端节点以及与终端节点之间的双向通信等；另外，网关节点还承担GPRS协议与ZigBee协议间数据的转换，GPRS网络数据的接收和发送，以及处理GSM短信息查询等任务。
该系统的网关硬件节点电路分为ZigBee通信模块、GPRS通信模块和电源供电模块。网关硬件结构图如图2所示。
2.1 电源供电模块
因ZigBee模块和GSM模块所需电压分别为3.3V和5.5V，故系统的电源模块将9V的电压输入转化为3.3V和5.5 V这两种电压输出供处理器和其他模块使用。该方式的特点：一是系统电源模块能留出足够的余量，最大可提供3 A的电流，从而防止因功率输出过大造成电源芯片发热、烧毁；其二是本系统通过LDO芯片LM2575-5和LM1117-3.3两级降压，设计电源精度为98%，纹波为30 mV，能满足系统要求。
2.2 ZigBee通信模块
ZigBee通信模块是基于TI公司CC2530F256芯片，内部运行ZigBee2007/PRO协议栈，具有ZigBee的全部特性。针对复杂的ZigBee协议，本模块将协议栈嵌入模块内部，只留出串口，在与主控芯片通信时无需考虑ZigBee内部协议栈，只需要读写串口即可实现数据的无线传输，简单易用，可大大减少开发周期[9]。ZigBee模块可通过串口连接到PC，可直接配置参数设置为协调器、路由器和终端节点。协调器为最初加入网络的节点分配网络地址（16位），每个ZigBee网络需要唯一的一个协调器；路由器可以接收、转发数据，起到路由和中继的作用；终端节点通常为电池供电的低功耗设备，用于采集传感器数据，周期性发送数据。ZigBee组网状况使用Sensor Monitor软件观察。本网关系统采用星型网络[8]，因此只用到ZigBee协调器和终端节点。图3所示是星型网状的ZigBee组网。
2.3 GPRS通信模块
GPRS模块使用的是龙尚的A8000，其采用德国英飞凌的基带芯片，具有超高的接收灵敏度，是一款双频900/1800MHz高集成度的GSM/GPRS模块。内嵌TCP/IP协议模块，使用简单，支持GSM Rec.07.07/07.05及其特有扩展指令集，通过UART控制，与单片机通过串口直接通信[9]。
3 网关节点软件设计
软件设计包括2个部分：网关软件和监控中心管理软件。网关的软件开发平台为Keil C51，ZigBee内部运行ZigBee2007/PRO协议栈，ZigBee组网监控软件为Sensor Monitor，监控中心PC服务管理软件开发平台为云端Yeelink。
3.1 ZigBee/GPRS网关的程序设计
ZigBee/GPRS网关的程序流程如图4所示。系统上电后网关节点进行初始化操作，接着搜索空闲工作信道、启动ZigBee网络并等待终端节点的连接请求。待所有终端节点成功加入ZigBee网络后，进入等待状态，直到监测平台发出数据采集命令，则将该命令经ZigBee网络转发至所有终端节点。终端节点根据命令或者定时调用数据采集程序获取当前生理数据，对数据进行初步处理后上传至网关节点。网关节点收集所有的数据进行分析、处理、融合，得到统一格式的数据包，通过GPRS模块将数据包上传互联网云端Yeelink平台，平成对数据的处理和分析工作。
3.2 ZigBee网络指令设计[10]
针对系统数据传输方式为阶段性唤醒查询方式，ZigBee无线网络数据传输采用点对点数据传输方式。点对点数据传输可以在网络内部任意节点直接通过点对点指令来设置传输，指令格式为0XFD+数据长度（用户自定义）+目标地址+数据，下面以源节点（地址0x0001）发送数据01 02 03 04 05 06到网关地址（0X143E）为例，源节点发送数据格式如图5所示。
数据传输指令 数据区长度 目的地址 数据
FD 01 3E 14 01 02 03 04 05 06
该格式发送的数据为FD 01 3E 14 01 02 03 04，接收到的数据也为FD 01 3E 14 01 02 03 04 05 06。但需特别注意数据区的长度，它可自由定义，不一定等于数据区实际长度，也可以作为其他表示用途。目的地址，低位在前，高位在后，合起来是0X143E。点对点传输具有任意节点之间传输的好处，在路由加入网络后，短地址不会发生改变。目标地址=FFFF，为广播发送；目标地址=0000，则表示发送给协调器。
3.3 GPRS移动网络指令
Yeelink物联网平台是一个免费的物联网平台，允许用户将设备接入到网站，从而实现对设备的监测和控制。利用现成的物联网平台可大大节省开发周期。以下是单片机发送AT指令控制GPRS模块连接互联网，并向Yeelink物联网平台发送HTTP POST数据包的部分过程指令：
AT+CGATT=1（GPRS附着状态）
AT+CGDCONT=1，"IP"，"CMNET"（定义PDP上下文）
AT+CGACT=1，1（接除或者激活PDP移动场景）
AT+CIPSTART="TCP"，"202.136.56.203"（服务器IP），80（端口号）
CONNET OK（表示GPRS与互联网连接成功）
AT+CIPSEND（开启TCP连接）
发送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"：待发送参数}
AT+CIPCLOSE（关闭TCP连接）
3.4 系统测试
本测试过程中，以测量多点室温为监测量，系统采用阶段性的休眠和唤醒状态。每个节点每隔1 min被唤醒一次，进行数据的采集，并等待协调器发出传输命令将数据传送到协调器，然后进入休眠状态。系统的一个节点的温度在互联网Yeelink平台的监视界面如图6所示。
图6 系统测试运行结果
4 结 语
本设计将ZigBee技术和GPRS技术应用于生理参数智能医疗监护系统中，实现无人值守时被监护人生理参数实时远程监测、异常情况警告和短信查询等功能，避免人工测量的麻烦，减轻医护人员的负担，保证受监护人始终处于监控状态。本方案在实际运行中稳定、可靠，可广泛应用于各类无人值守远程智能监护系统。
参 考 文 献
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1基于ZigBee无线网的POS系统倌息安全环境
1.1ZigBee网P0S系统环境配置
具有安令特性的高性能、低功耗、自组网的ZigBee组网是当今WSN和物联网RFID技术组合的主流高新技术之一，相比蓝牙、Wi_Fi和GPRS,ZigBee组网电其有特别的安全性:而STM32单片机高效能、高可靠、低成本和技术成熟，还可以实现51单片机不能完成的复杂功能用途，是很有发展前途的一款单片机。因此，STM32单片机是安全、稳定的ZigBee组网节点的恰当选择。nC/OSII操作系统具有执行效率高、空间占用小、多任务、可扩展能力强和稳定可靠的特点，符合WSN的信息安全稳定工作要求。建立在STM32单片机，ZigBee组网和mC/OSII操作系统基础上的软硬件系统是建立低成本、高可靠、高安全的无线N的必要条件。将无线网络信息安全建立在使用STM32单片机、基于ZigBee组网和Mc/osn等实时操作系统上的POS系统环境，相比建立在基于51单片机裸机上的ZigBee组网的POS系统环境,安全度更高更可靠。
1.2ZigBee无线网的安全特性
ZigBee无线网是-种短距离、低功耗、自组网和高安全性的高新无线通信网络，由个高性能的FFD(全功能节点)和多个的RFD(精简功能节点)组成PAN(私人用局域网)。只能有FFD建立PAN网，由多个PAN网建立整个ZigBee组网。万一有FFD被击毁，可以由临近有效范围的FFD自动重新组网：当孤立的KFI)不在FFD范围内，可以通过其他附近的FFD加人PAN网，灵活性和稳定性很高。由于ZigBee无线网的有群集性多跳性，定位节点位置是技术难题，就需要再组合GPS应用模块进行补充。
1.3ZigBee无线网安全的关键技术ZigBee的无线通信安全的关键是通信协议，ZigBee协议规范提供了信任中心、网络层安全和APS层安全，不提供链路层安全。ZigBee遵守IEEE802.15.4协议，并可以在简单的IEEE802.15.4协议基础上开发简单的WSN应用协议，用于建立小规模简易局域网如星型网。甚至在此基础上自行开发大规模复杂的协议栈，比如用于智能家居自动监控系统的Mesh网。还可以创新多种功能的应用程序和系统软件。我们甚至可以把开发出来的有安全保护的协议栈固化到芯片中去，使用AES协处理器实现信息的硬件加密加速的功能，而我们的软件只需要设计一个自己的API接口就行。
1.4ZigBee无线网的P0S系统信息安全架构
针对ZigBee组网的POS系统信息安全问题，从上层到底层可分为:操作安全、网络安全、软件算法安全、底层硬件安全。操作安全要求有一套严格的操作规章制度，禁止未授权人非法使用、越权使用。网络安全要求网路的安全，包括接入点安全和网络协议族安全。软件算法安全最重要也很复杂，包括各种加解密算法安全、电子签名和身份认证。底层硬件安全包括、扣測安全和意外安全。
2基于ZigBee无线网的POS系统软件算法安全及算法比较
身份认证可以使用不对称加密算法和对称加密算法,一般应使用不对称加密的RAS算法。使用预定好的密钥进行身份认证，身份认证成功后，对存储器的任何操作都是加密的。身份认证共有三轮，如图，流程为：第一轮:a)读写器指定要访问的存储区，并选择预定密钥A或BA)射频卡从位块读取密钥和访问条件。然后，射频卡向读写器发送随机数。第二轮:c)读写器利用密钥和随机数计算回应值。回应值连同读写器的随机数，发送给射频卡。d)射频卡通过与自己的随机数比较，验证读写器的回应值，再计算回应值并发送。第三轮：读写器通过比较，验证射频卡的回应值，正确后才能对卡进行读写操作。这样认证加密后，就有效的保护了个人隐私。身份认证成功后，读写器,成;片指定后续读取的存储器位置，数据加密采用TEA、DES、AES等。为保证终端设备的安全，必须一卡一码，并且每次只能对一张卡操作。认证完成后才能迸行卡的读写操作，每次只能有一张卡选中，获得认证后进行读写操作，其他的卡则进入休眠态,以保证不会出现由串卡现象引起的误操作。射频卡读写器的安全软件由生产商配备，并且通常要固化到硬件。
RSA算法的难度在于如何产生密钥对，RSA生成公钥的方法:任意选两个大素数M、N，选择一个加密密钥E，使E不是(M-1)和(N-丨)的因子;
生成私钥D的公式:(D*E)MOD(P-1)*(Q-1)=1;
用公钥E加密公式:CT=PTEMOD(M*N),
用私钥D解密公式:PT=CTDMOD(M*N)。
在ZigBee网中，对于敏感性信息的安全保护没有太高要求的应用领域，在32位CPU或MPU处理器主频80Mhz情况下，使用对称加密方法的DES，加解密的速度为26.75Mbyte/s，加解密的速度水平较高。如强化安全性能可以升级为更先进对称加密方法的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网中，对于敏感性信息的安全保护有很高要求的领域，特别是在财务、金融和军用领域，必须要保证身份认证和数据信息的绝对安全。所以，算法必须使用复杂加密方法RSA，并配合数字签名。在32位CPU或MPU处理器t频80MHz情况下，1M的RSA签名次数32次/秒，认证次数32次/秒，正所谓慢工出细活。RSA使用公钥密钥对机制，再配合数字认证可避免中间人攻击，这对于开放性更强的无线网络尤为重要。如果采用对称密钥算法，密钥容易被人侵者截获，对收发双方进行欺骗并非法获利。并且RSA伸缩性更好，所需密钥数与消息交换参与者个数相等。而对称加密算法容易受到中间人攻击，密码会被盗用，并且一旦网络规模加大，密钥对的数目的需求成指数级别增长，是消息交换参与者个数的平方，在密钥发放过程中很容易泄密。因此，身份认证应釆用安全度更高但速度慢的RSA;经常大量的数据包加密采用速度快的DES或AES，并可用ZigBee节点自带的AES协处理器进行硬件加速。若要进-步加速数据包加解密速度，可以将主节点与上位机的串行数据接口改为高速的USB接口，就可加快加解密速度。以下简述AES的应用程序设计。
3POS系统的ZigBee网络安全
在TCP/IP各层数据安全中，ZigBee的网络数据信息安全的数据安全主要特点有:彳®网络节点的过滤和无线网信息加密，可有效避免网络的非法入侵。通过IEEE802.15.4协议栈的应用库，例如如在基于MAC协议栈的MAC库API上，通过建立PAN网，每个PAN都有独有的PAN地址ID，这样就可通过PAN网ID和节点ID过滤来区分ZigBee网节点的合法性。在发送和接收数据包过程中，通过AE$法来加密来实现数据的信息安全。
据最新报道,AES加密算法已被国外顶尖专家破解，但是也不必惊慌，对于绝大多数情况下，附加其他综合安全措施，它目前还是很安全。AES高级加密标准(Rijndael算法)明文分块和密钥为可变长，加密的轮数为可变次，每一轮4步：第一步:使用键技术进行字节替换。第二步移行，第一行不变，其他的行移动可变次数。第三步混合列。第四步，轮密钥加法，将密钥与输人的字符进行字节异或操作。其中的可变部分由用户自行确定后，生成的密文更难破译。
此外，网络接人点的防火墙也很重要，防火墙保护可信任内部网络免受不可信网络的入侵威胁，能极大地提高政府部门、企业内部网络的信息安全，同时允许信任的双方通信，并通过过滤不安全的网络服务而降低风险。ZigBee无线网的接人点也必须要有完备的防火墙设置,采用路由器相互认证、地址翻译等方法，方可有效防止假冒的路由器接入内网和非法截取私有敏感数据，以确保无线网的信息安全。
在以STM32单片机为节点的ZigBee无线网，可加载GPS卫星定位模块，将关键的可读写的FFD节点中嵌人GPS块并且全部定好位，并将地址上传到主控机节点,而执行多跳的RFD节点不加载GPSm块，以减少信息安全成本。这样，凡是不在正确的GPS位置的非法人侵FFD节点一律无法加人ZigBee网并且会导致启动入侵报警程序。
4P0S系统碾件安全
由于是无线网，ZigBee网的安装和P0S机人网离网非常方便，易于随身携带，比固定POS机好保管、防盗。在POStfL内置髙容量缓存，可暂时保存网络通信延迟信息。内置后备供电池，防止突发停电。配置后备存储器，暂时断网后可脱机保存消费信息。
5结束语
关键词：ZigBee；无线传感器网络；能量均衡；NS2
中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：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
近年来对于无线传感器网络在不同场合的应用，针对能量的有效利用出现了许多改进的路由算法。ZigBee技术因其低成本、低功耗、低复杂度等优点成为了无线传感器网络的代表技术。随着ZigBee技术的发展，它被广泛应用于工业控制、家居智能化、消费电子、医疗设备等需要低功耗、低成本、对数据速率要求不高的无线通信应用场合[1-2]。
在ZigBee无线网络通信中，应用合适路由协议来均衡能量利用延长网络的生存时间非常有必要。该文通过对ZigBee路由深入分析研究，结合已有的ZigBee能量均衡路由算法提出一种改进的ZigBee路由，并通过仿真对实际的效果进行了分析比较。
2 ZigBee网络
一个完整的ZigBee网络一般有三种类型的节点：协调节点（ZC）、路由节点（ZR）、终端节点（ZED）[4]。其中整个网络的主控者是ZC，它相比与其它节点具有更强大的功能，网络的组建和相关参数设定都由它发起，而且每个无线网络中协调节点有且只有一个。在无线网络中按通讯能力的不同将无线设备分为全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD),FFD既能跟FFD通信又能和RFD通信,而RFD只能跟FFD通信。而ZigBee网络的协调节点和路由节点必须是FFD,终端节点既可以是FFD,又可以是RFD[5]。ZigBee网络的拓扑结构主要有三种星形拓扑、树形拓扑和网状拓扑[3]。星形拓扑：结构简单，成本低，但灵活性差，覆盖范围小且网络易阻塞。树形拓扑:结构简单，覆盖范围大，但只有一条传输路径，网络可靠性差。网状拓扑：结构较复杂，但灵活性好，覆盖范围大，网络可靠性差。
3 ZigBee路由及改进
3.1 ZigBee路由
为符合多数网络拓扑结构的应用，ZigBee路由协议采用了簇树路由（Cluster-Tree）与简化的按需距离矢量路由(AODVjr)相结合的路由算法[6]。在ZigBee网络中，节点可以按照父子关系使用Cluster-Tree算法选择路径，即当一个节点接收到分组后发现该分组不是给自己的，则只能转发给它的父节点或者子节点。当然这并不一定是最优的路径，因此为提高路由效率，ZigBee让网络中具有路由功能的节点用AODVjr去发现最优路由，而不具有路由功能的节点仍使用Clueter-Tree路由发送数据分组和控制分组。
3.2问题的提出