ZigBee技术在生命子系统中的应用

　　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。

　　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。