ZigBee技术在生命子系统中的应用

[摘要] Zigbee技术特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备。简而言之,ZigBee就是一种便宜的,低功耗的近距离无线组网通讯技术...

  Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞,由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息,也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备。简而言之,ZigBee就是一种便宜的,低功耗的近距离无线组网通讯技术。

  ZigBee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术,他是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。他此前被称作“HomeRF Lite”或“FireFly”无线技术,主要用于近距离无线连接。其基本技术参数如表1所示。


  ZigBee在生命子系统中的应用

  1 单兵作战系统

  单兵综合作战系统是以单兵为基本单元,人机环境统筹考虑,应用多种先进技术的高技术士兵装备系统,他使士兵、武器、装备间形成了一个有机的整体,从而全面增强单兵的火力、机动、通信、观瞄和防护能力,使每一个士兵都成为有效的火力攻击单位,既能独立作战,又能协调行动,全面提高单兵作战效能,使士兵有条件在未来信息化战场上赢得优势。

  单兵综合作战系统一般分为5 个子系统:武器子系统、通讯子系统、观瞄子系统、生命子系统、防护子系统。

  (1)武器子系统

  必须做到系统重量轻、持续作战能力强、能对付多种目标,可安装一系列的附件,如光学瞄具、激光瞄具、激光测距仪等。

  (2)通讯装备子系统

  主要是提高单兵的全天候作战能力及单兵之间、分队之间、单兵与后方指挥员之间的联系及情报交换能力。

  (3)观瞄子系统

  主要为士兵提供观察敌情,瞄准射击的装备。他主要由夜视、夜瞄以及长距离瞄准装置组成,并为消除带头盔后给士兵瞄准带来的不方便,可设计武器瞄准具与头盔正前方的显示屏相连,士兵平视就能实施瞄准及观察。

  (4)生命子系统

  主要是利用各种传感器对士兵各种生命体征以及周围环境数据进行采集分析,由单兵穿戴式计算机对传感器的监测结果进行分析,得出一个数值代码并将其发送到后方指挥部,指挥员就可判断出前线作战士兵的生理状态:是否受伤,伤情如何;是否处于疲劳、寒冷、疾病、恐惧等不良状态等。

  (5)防护子系统

  主要采用各种新材料以达到防袭击、防激光致盲、防噪声及防水、防潮和防寒等全环境防护能力,他包括多功能头盔和防护服。

  2 ZigBee在生命子系统中的应用

  ZigBee在生命子系统中的应用工作流程如图1所示。

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  ZigBee在生命子系统中的应用

  2.1 工作原理

  在一个单兵小分队中,每个分队成员佩戴一个ZigBee生物传感器节点,他是集ZigBee无线网络模块与生物传感器模块为一体的,可以对士兵生命体征诸如脉搏、血压、呼吸、体温等进行数据采集,并通过ZigBee方式无线传输至主协调器。他主要由脉搏传感器、温度传感器、状态传感器、模拟信号放大器、A/D转换器、电平比较器、信号存储器和ZigBee无线收发器及相关软件组成。每个ZigBee网络都必须包括一台主协调器,在本应用中,由于小分队成员的活动范围非常接近,所以无需中继设备,可以直接将终端无线接入主协调器。

  网络中的所有设备都拥有一个64位的IEEE地址,也可以使用16位短地址来减少数据包大小,这样只要记录下终端地址就可以很容易确定士兵身份。路由选择在默认时使用树形路由选择,即在做路由选择策略时利用树形结构选址。穿戴式计算机内部软件要具备3种功能:ZigBee网络控制功能、数据分析处理转换功能、卫星通信设备管理功能。

  ZigBee网络控制主要包括系统启动关闭、终端地址分配、差错控制、各种参数设定等。数据分析处理转换主要是将终端收集来的各种参数进行波形分析、频率分析、数据统计等,得出士兵所处状态结论,将之转换成特殊编码格式,加载到卫星上传回后方指挥中心。

  卫星通信设备管理功能包括系统启动与否、接口控制、数据格式选择等。

  单兵卫星系统由轻型便携式无线电台加卫星天线组成。电台用金属包装,经久耐用,能够抗得住野战暴露或在机动部队使用时所处的恶劣环境。背负式电台易于携带,包括天线和电池组在内仅十几kg,体积不到0102m3 ,可以在任何天气条件下使用。

  2.2 系统安全性可靠性

  本应用中的安全可靠性分为3步分:ZigBee传输的安全可靠性,穿戴式计算机数据处理的安全可靠性,卫星传输的安全可靠性。其中后两方面在其他文献中已有大量论述,本文不再讨论。

  ZigBee采用了分级的安全性策略:无安全性、接入控制表、32b AES和128b AES。如果对系统安全性要求不高,可以选择级别较低的安全措施,从而换取系统成本和功耗的降低;反之,在安全性要求较高时,可以选择较高的安全级别。由于本例应用于军事领域,所以应采用较高的安全级别。

  ZigBee分别在MAC层和网络层采取了安全策略。在数据经过一跳就到达目的地时,ZigBee只用MAC层提供的安全机制;当在多跳的情况下,ZigBee就要依赖高层来保证安全。

  MAC层安全套件基于以下3种操作模式:计数器模式的AES加密、密码块链接模式的数据完整性、二者相结合的加密和完整性(CCM模式)。MAC层的AES加密算法可以保护MAC命令、信标、信息帧和应答帧的秘密性、完整性和真实性。MAC帧的头部有一个比特用来指示MAC帧是否加密。同时,在每个MAC帧头也都有一个帧编号,用于防止帧丢失和帧重传。密钥的建立、安全操作模式的选择和对处理过程的控制则由高层来负责。

  网络层也使用AES,他的安全套件是基于CCM 3操作模式。CCM 3包括所有CCM的功能,同时提供只加密和只保证完整性的功能。使用CCM 3允许单个密钥用于不同的安全套件。因此一个密钥并不只属于单个安全套件,一个高层应用可以灵活地指定网络层所用的安全套件。网络层负责安全处理,但对处理过程的控制则由高层通过建立密钥和决定使用哪一种CCM 3安全套件来实现。此外,帧序号和消息完整码也可以加在网络层帧中。

  ZigBee的信道接入方式采用CSMA/CA(载波侦听多址/冲突避免),能有效地减少帧的冲突。为抗干扰和多径衰落,ZigBee在物理层采用直接序列扩频和频率捷变FA技术。为了保证帧的正确传输,ZigBee在MAC层采用了两个措施:自动请求重传ARQ和帧缓存。在网络层,ZigBee支持网状网,存在冗余路由,保证了网络的健壮性。

  3 结语

  ZigBee所具有的短距离、低成本、低功耗、易实现、安全可靠的特点非常适合作为单兵作战系统中生命子系统的组成部件。不仅能对士兵生命体征数据进行传输,后续的技术开发还可以对敌核、生、化武器污染监测数据进行传输。当传感器的检测信号表明敌方施放了核、生、化武器,就会自动发出报警信号,同时将检测结果通过ZigBee发送装置传输到指挥部,为己方赢得较长的预警时间ZigBee的应用为指挥人员提供了准确评价部队战斗力的客观依据,提高了部队装备的信息化含量,从而使我军在未来信息化战争中处于有利地位。

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[责任编辑:郭小青]

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