ZigBee無線個人區(qū)域網(wǎng)技術(shù)在汽車網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

王建軍，秦振海

（陜汽集團西安蘭德新能源汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，陜西 西安 710200）

目前，在無線短距離通信傳輸方面，主要有Bluetooth、Wi-Fi、GPRS/GSM和ZigBee四種技術(shù)，4種無線傳輸技術(shù)的工作特性及優(yōu)缺點對比如表1所示。其中ZigBee技術(shù)因其成本低、功耗小和組網(wǎng)簡單靈活等諸多優(yōu)點，一問世便引起了各界工程師的廣泛關(guān)注。本文將介紹ZigBee技術(shù)的工作特性及在汽車網(wǎng)絡(luò)方面的具體應(yīng)用。

表1 4種無線傳輸技術(shù)的工作特性及優(yōu)缺點

1 ZigBee技術(shù)的淵源

ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過跳z形狀的舞蹈來分享新發(fā)現(xiàn)的食物源的位置、距離和方向等信息。ZigBee先前亦被稱為HomeRF Lite、RF-EasyLink或FireFly無線電技術(shù)，目前統(tǒng)一稱為ZigBee。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。ZigBee聯(lián)盟在IEEE802.15.4的介質(zhì)訪問控制層MAC和物理層PHY之上定義了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的Network and Security(網(wǎng)絡(luò)層和安全層)和Appliaction Interface（應(yīng)用層）的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE和ZigBee聯(lián)盟共同催生了ZigBee技術(shù)協(xié)議，并且最終免費向全世界公開。

2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜驮O(shè)備類型

ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星狀網(wǎng)、樹狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，定義了網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 （Coordinator）、路由器 （Router）和終端設(shè)備 （End Device）3種設(shè)備類型。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立的發(fā)起者和管理者，它管理ZigBee設(shè)備節(jié)點的準(zhǔn)入與退出，網(wǎng)絡(luò)地址的動態(tài)分配，對整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)進行維護。每個獨立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)只允許一個惟一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器來管理和維護整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)。路由器和終端設(shè)備是一般的ZigBee設(shè)備，路由器不但具有一般的終端設(shè)備的功能，而且還有路由功能，而終端設(shè)備沒有路由功能，但可以工作在睡眠模式。

3 ZigBee協(xié)議堆棧結(jié)構(gòu)

以Chipcon公司提供的基于CC2420芯片的ZigBee協(xié)議堆棧為例，ZigBee協(xié)議堆棧結(jié)構(gòu)如圖2所示。

ZigBee堆棧使用了IEEE802.15.4的介質(zhì)訪問控制層MAC和物理層PHY。ZigBee堆棧層之間及與IEEE802.15.4 MAC之間通過服務(wù)通道 （SAP）進行通信。SAP是層與層之間進行通信的接口，不同層與層之間有各自的SAP。堆棧中的多數(shù)層都為自己的上層提供保留一個數(shù)據(jù)實體SAP和管理實體SAP，數(shù)據(jù)實體SAP完成一般的數(shù)據(jù)傳輸，管理實體SAP完成網(wǎng)絡(luò)管理數(shù)據(jù)的傳輸。

物理層PHY使用了2.4 GHz和868/915 MHz兩個不同的物理層。它們都使用DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻）技術(shù)，物理層數(shù)據(jù)包格式相同。2個物理層的區(qū)別在于工作頻率，擴頻碼片長度和傳輸速率。2.4 GHz波段為全球統(tǒng)一的無需申請的ISM頻段，采用高階調(diào)制技術(shù)提供250 kb/s的傳輸速率。868 MHz是歐洲的ISM頻段，能提供20 kb/s的傳輸速率。915 MHz是美國的ISM頻段，能提供40 kb/s的傳輸速率。物理層PHY給上層介質(zhì)訪問層提供了物理層數(shù)據(jù)實體服務(wù)通道PDSAP和物理層管理實體服務(wù)通道PLME-SAP兩個接口，與MAC層進行數(shù)據(jù)交換。

ZigBee的網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)安全管理、路由管理、網(wǎng)絡(luò)管理。ZigBee協(xié)議中，設(shè)備類型不同，其對應(yīng)的NWK層的功能有所不同，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的NWK層主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、為允許加入該網(wǎng)絡(luò)的ZigBee設(shè)備分配16位的網(wǎng)絡(luò)地址、設(shè)備節(jié)點的退出等網(wǎng)絡(luò)管理功能。協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)地址固定為0。

網(wǎng)絡(luò)層通過介質(zhì)訪問控制層數(shù)據(jù)實體-服務(wù)通道MLDE_SAP和介質(zhì)控制層管理實體-服務(wù)通道MLME_SAP這兩類SAP，與下層介質(zhì)訪問控制層MAC完成通信。通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體-服務(wù)通道NLDE_SAP和網(wǎng)絡(luò)層管理實體-服務(wù)通道NLME_SAP，與應(yīng)用支持子層APS層進行通信。NLDE_SAP為應(yīng)用支持子層APS層提供數(shù)據(jù)傳輸請求和確認(rèn)，以及向APS層提供遠(yuǎn)程設(shè)備通信請求服務(wù)。NLME_SAP為應(yīng)用支持子層ASP提供加入網(wǎng)絡(luò)請求和確認(rèn)，允許加入網(wǎng)絡(luò)請求，確認(rèn)，網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)，建立請求，確認(rèn)等網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。

ZigBee的應(yīng)用層包含應(yīng)用支持子層 （Application Support Sublayer）APS、 ZigBee設(shè)備對象 （Zig-Bee Device Object）ZDO和廠商自定義的應(yīng)用設(shè)備對象層 （Application Object）。

應(yīng)用支持子層APS層是網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的中間層，直接服務(wù)于ZDO和廠商自定義的應(yīng)用對象。應(yīng)用支持子層APS層維護綁定表、APS層數(shù)據(jù)安全管理和對網(wǎng)絡(luò)中間接尋址消息的映射管理。APS層通過APS數(shù)據(jù)實體-服務(wù)通道 （APSDE-SAP）和APS管理實體-服務(wù)通道 （APSME-SAP）兩個實體，對上層AF和ZDO層提供服務(wù)。APS層通過APSDE_SAP Endpoit和AF層、ZDO完成通信。Endpoit是對網(wǎng)絡(luò)地址的一種擴展，是一組8位二進制整數(shù)。

ZigBee設(shè)備對象層 （ZDO）位于AF和APS之間。ZDO在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)ZigBee設(shè)備和為它們提供相應(yīng)的應(yīng)用服務(wù)。ZDO在網(wǎng)絡(luò)建立初期，ZDO層初始化APS、NWK、SSP和綁定管理、安全管理和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理等。ZDO通過Endpoit 0與協(xié)議棧中下層相接，數(shù)據(jù)信息通過APSDE-SAP發(fā)送到下層，控制信息則由APSME-SAP發(fā)送到下層。

應(yīng)用結(jié)構(gòu)層 （AF）給ZigBee設(shè)備的應(yīng)用提供應(yīng)用環(huán)境，最多可以定義240個相對獨立的應(yīng)用程序?qū)ο螅魏我粋€對象的Endpoit端點編號從1到240。Endpoit 0保留給ZDO數(shù)據(jù)接口，Endpoit 255是用來向各個Endpoit發(fā)廣播消息用的，Endpoit 241～254被保留 （擴展使用），Endpoit1～240可以自由使用。

SSP安全機制層通過接口與NWK、APS層進行通信，使用AES-128加密技術(shù)使每個層都受到安全保護。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)備被指定為信任中心，信任中心分配網(wǎng)絡(luò)中的安全密鑰，對整個網(wǎng)絡(luò)進行安全管理。

4 ZigBee的優(yōu)點

1）低速率、低功耗、低成本 ZigBee網(wǎng)絡(luò)只有10~250 kb/s,ZigBee芯片的功耗很低，2節(jié)普通5號干電池在低耗電待機模式下，可使用6個月到2年，免去了頻繁更換電池的麻煩。ZigBee免收協(xié)議專利費，協(xié)議免費公開，可以使用免費的ISM頻段，成本低。

2）安全性好 ZigBee網(wǎng)絡(luò)以IEEE802.15.4為基礎(chǔ)，定義了16個信道，工作頻段靈活，物理層使用了直接序列擴頻技術(shù)，高層ZigBee采用了AES-128加密算法，整個系統(tǒng)的安全性能好。

3）網(wǎng)絡(luò)動態(tài)管理 組網(wǎng)簡單可靠，網(wǎng)絡(luò)容量大，ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納255個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，而且能實現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)絡(luò)管理，網(wǎng)絡(luò)維護簡單。

5 ZigBee技術(shù)在汽車網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

1)ZigBee技術(shù)在汽車輪胎壓力檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前高速公路的車輛交通事故日益增多，其中大部分是由于輪胎的氣壓過高或過低導(dǎo)致輪胎爆胎引起的。輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)全天候?qū)喬ダ锏膲毫M行監(jiān)測，對輪胎的漏氣、低壓、高壓進行監(jiān)測和報警，使車輛始終處于安全運行狀態(tài)。輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)由輪胎壓力傳感器、控制器、射頻發(fā)射器和接收機組成，裝在每一個車輪胎里的壓力傳感器將探測輪胎里的壓力、溫度信息，通過射頻發(fā)射器將該信息從輪胎內(nèi)部的ZigBee模塊傳送給駕駛室里的接收器模塊，能夠讓駕駛員在汽車運行中了解到輪胎的工作情況，監(jiān)測輪胎的氣壓、溫度是否正常，并進行異常報警，確保安全。

2）ZigBee技術(shù)在智能交通中的應(yīng)用

以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)的智能交通控制圖如圖3所示。在每個交通路口設(shè)置ZigBee主節(jié)點，主節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)類型定義為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。在道路周邊設(shè)立大量的參考節(jié)點，參考節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)類型定義為路由器。每個主節(jié)點可以管理254個參考節(jié)點來組成一個Zig-Bee分網(wǎng)絡(luò)，而每個ZigBee中心可以管理254個Zig-Bee主節(jié)點，即在理論上可以控制254個交通路口，這樣就組成了以參考節(jié)點為最底層，每個交通路口主節(jié)點為中間層，ZigBee中心為最高層的三級網(wǎng)絡(luò)ZigBee交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。將ZigBee模塊做成便攜式移動裝置，裝在每臺車輛上，這樣就可以把每臺車輛看成一個移動的ZigBee參考節(jié)點，這個參考節(jié)點可以被定義為終端設(shè)備。當(dāng)車輛駛?cè)隯igBee交通網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍時，車內(nèi)的ZigBee模塊將被喚醒，作為一個待測點被納入ZigBee交通網(wǎng)絡(luò)，其信息會被傳輸至ZigBee中心。使用這樣的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼纯蓪崿F(xiàn)車輛短時間跟蹤、定位及交通流量的檢測。

3） ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在車輛自動識別系統(tǒng)中的應(yīng)用

車輛自動識別系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)組成包括車載子節(jié)點 （終端設(shè)備）、 數(shù)據(jù)采集單元 （路由器）、ZigBee網(wǎng)關(guān) （協(xié)調(diào)器）和控制中心、手持觀測器等5個部分。

其中安裝于車內(nèi)的車載子節(jié)點和安裝于道路邊或收費站的數(shù)據(jù)采集點為整個系統(tǒng)的核心部分。車載子節(jié)點里包含有車輛發(fā)動機、車架號、車牌和車輛編號等固有信息，也可以定時地利用傳感器元件采集車內(nèi)所需要的信息。布置于道路邊的數(shù)據(jù)采集單元一般分為兩個部分：激活設(shè)備和采集設(shè)備。當(dāng)任意一輛帶有內(nèi)置車載子節(jié)點的車輛進入已布置監(jiān)控系統(tǒng)的路段時，由激活設(shè)備激活車內(nèi)的車載子節(jié)點，發(fā)出命令讓子節(jié)點開始傳輸數(shù)據(jù)。但激活設(shè)備并不負(fù)責(zé)接收由子節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，以留下更多的時間和容量來激活高速運動的其他子節(jié)點。ZigBee休眠設(shè)備激活時間為15 ms，活躍設(shè)備信道接入時間為15 ms，采集設(shè)備應(yīng)位于激活設(shè)備后約40 m處。市區(qū)內(nèi)的車輛行駛速度大約為20 m/s，即在2 s的時間內(nèi)已經(jīng)足夠激活在道路上高速運動的子節(jié)點，并使其開始傳輸數(shù)據(jù)。

采集設(shè)備負(fù)責(zé)接收車載子節(jié)點傳來的信息，并轉(zhuǎn)交給ZigBee網(wǎng)關(guān)進行處理，然后傳到交警的手持觀測器中。手持觀測器可以為手機終端或者存儲量更強的PDA等。信息也可以通過Internet傳到控制中心?？刂浦行膶Σ杉臄?shù)據(jù)和子節(jié)點的固有信息進行整理，可得出行駛在該路段的車輛的詳細(xì)資料，然后再對數(shù)據(jù)庫里的保存信息進行更新，根據(jù)車輛行駛路段的采集設(shè)備的編號，可以自動對該車輛該段時間內(nèi)的行駛路線進行定位監(jiān)控。

ZigBee技術(shù)彌補了低成本、低功耗、低速率無線通信市場的空白，隨著ZigBee技術(shù)不斷應(yīng)用于汽車網(wǎng)絡(luò)及車聯(lián)網(wǎng)的普及，ZigBee技術(shù)的應(yīng)用越來越受到人們的關(guān)注。

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