摘要：本文主要介紹新出現(xiàn)的短距離無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)Zigbee在單兵綜合作戰(zhàn) 系統(tǒng)中生命子系統(tǒng)中的應(yīng)用。利用生物傳感器對(duì)單兵生命體征數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利 用Zigbee無(wú)線傳輸模式將這些數(shù)據(jù)傳至單兵穿戴式計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù) 進(jìn)行分析整理后，利用衛(wèi)星通信將上述結(jié)果傳回后方指揮中心，為指揮員對(duì)部隊(duì) 戰(zhàn)斗力的準(zhǔn)確判斷提供依據(jù)。 關(guān)鍵詞： Zigbee 單兵作戰(zhàn)系統(tǒng) 生命子系統(tǒng) 該論文發(fā)表于《現(xiàn)代電子技術(shù)》2006年1月總第216期，國(guó)內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào)：CN61-1224/TN；國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)刊號(hào)：ISSN 1004-373X Zigbee using in Single-soldier system Abstract ： This paper is mainly about a newcomer stone’s throw wireless telecommunication standard “Zigbee” using in the Life-ensured subsystem of Single-soldier system. Keywords ： Zigbee Single-soldier system Life-ensured subsystem 引言 ZigBee是一種新興的短距離，低速率，低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。它此前被稱作“HomeRF Lite”或“FireFly”無(wú)線技術(shù)，主要用于近距離無(wú)線連接。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)由IEEE 802.15工作組負(fù)責(zé)制訂，Zigbee是IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)在商業(yè)推廣上的名稱。802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍非常貼近生產(chǎn)和生活，對(duì)數(shù)據(jù)速率和Qos的要求不高，目標(biāo)市場(chǎng)是工業(yè)，家庭以及醫(yī)療等需要低功耗低成本以及大面積使用無(wú)線監(jiān)控設(shè)備的領(lǐng)域。其基本技術(shù)參數(shù)如表1所示。 1 單兵作戰(zhàn)系統(tǒng) 單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)是以單兵為基本單元，人—機(jī)—環(huán)境統(tǒng)籌考慮，應(yīng)用多種先進(jìn)技術(shù)的高技術(shù)士兵裝備系統(tǒng)，它使士兵、武器、裝備間形成了一個(gè)有機(jī)的整體，從而全面增強(qiáng)單兵的火力、機(jī)動(dòng)、通信、觀瞄和防護(hù)能力，使每一個(gè)士兵都成為有效的火力攻擊單位，既能獨(dú)立作戰(zhàn)，又能協(xié)調(diào)行動(dòng)，全面提高單兵作戰(zhàn)效能，使士兵有條件在未來(lái)信息化戰(zhàn)場(chǎng)上贏得優(yōu)勢(shì)。 單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)一般分為五個(gè)子系統(tǒng)：武器子系統(tǒng)，通訊子系統(tǒng)，觀瞄子系統(tǒng)，生命子系統(tǒng)，防護(hù)子系統(tǒng)。 武器子系統(tǒng)，必須做到系統(tǒng)重量輕、持續(xù)作戰(zhàn)能力強(qiáng)、能對(duì)付多種目標(biāo)，可安裝一系列的附件，如光學(xué)瞄具、激光瞄具、激光測(cè)距儀等。 通訊裝備子系統(tǒng)，主要是提高單兵的全天候作戰(zhàn)能力及單兵之間、分隊(duì)之間、單兵與后方指揮員之間的聯(lián)系及情報(bào)交換能力。它包括分隊(duì)內(nèi)部成員之間短距離通信設(shè)備以及分隊(duì)與后方指揮員之間長(zhǎng)距離通信設(shè)備。 觀瞄子系統(tǒng)，主要為士兵提供觀察敵情，瞄準(zhǔn)射擊的裝備。它主要由夜視、夜瞄以及長(zhǎng)距離瞄準(zhǔn)裝置組成，并為消除帶頭盔后給士兵瞄準(zhǔn)帶來(lái)的不方便，可設(shè)計(jì)武器瞄準(zhǔn)具與頭盔正前方的顯示屏相連，士兵平視就能實(shí)施瞄準(zhǔn)及觀察。 生命子系統(tǒng)，主要是利用各種傳感器對(duì)士兵各種生命體征以及周圍環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，由單兵穿戴式計(jì)算機(jī)對(duì)傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，得出一個(gè)數(shù)值代碼并將其發(fā)送到后方指揮部，指揮員就可判斷出前線作戰(zhàn)士兵的生理狀態(tài)：是否受傷，傷情如何；是否處于疲勞、寒冷、疾病、恐懼等不良狀態(tài)等。這對(duì)傷病員的及時(shí)救護(hù)、給養(yǎng)的供應(yīng)提供了客觀依據(jù)，并使指揮員對(duì)部隊(duì)的戰(zhàn)斗力有一個(gè)準(zhǔn)確的判斷。Zigbee短距離，低成本，低功耗，易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)非常適合作為生命子系統(tǒng)的組成部件。 防護(hù)子系統(tǒng)，主要采用各種新材料以達(dá)到防襲擊、防激光致盲、防噪聲及防水、防潮和防寒等全環(huán)境防護(hù)能力，它包括多功能頭盔和防護(hù)服。 2 Zigbee在生命子系統(tǒng)中的應(yīng)用 Zigbee在生命子系統(tǒng)中的應(yīng)用工作流程如圖1所示： 2.1 工作原理 在一個(gè)單兵小分隊(duì)中，每個(gè)分隊(duì)成員佩戴一個(gè)Zigbee生物傳感器節(jié)點(diǎn)，它是集Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊與生物傳感器模塊為一體的，可以對(duì)士兵生命體征諸如脈搏、血壓、呼吸、體溫等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)Zigbee方式無(wú)線傳輸至主協(xié)調(diào)器。它主要由脈搏傳感器，溫度傳感器，狀態(tài)傳感器，模擬信號(hào)放大器，A/D轉(zhuǎn)換器，電平比較器，信號(hào)存儲(chǔ)器和Zigbee無(wú)線收發(fā)器及相關(guān)軟件組成。 位于小分隊(duì)中心位置的成員身上攜帶有Zigbee主協(xié)調(diào)器。主協(xié)調(diào)器的主要功能是為建立和啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)這一過(guò)程設(shè)置參數(shù)，其中包括選擇一個(gè)射頻信道、唯一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符以及一系列操作參數(shù)。每個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)都必須包括一臺(tái)主協(xié)調(diào)器，在本應(yīng)用中，由于小分隊(duì)成員的活動(dòng)范圍非常接近，所以無(wú)需中繼設(shè)備，可以直接將終端無(wú)線接入主協(xié)調(diào)器。 網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備都擁有一個(gè)64位的IEEE地址，也可以使用16位短地址來(lái)減少數(shù)據(jù)包大小，這樣只要記錄下終端地址就可以很容易確定士兵身份。路由選擇在默認(rèn)時(shí)使用樹(shù)形路由選擇，即在做路由選擇策略時(shí)利用樹(shù)形結(jié)構(gòu)選址。有了樹(shù)形路由選擇，設(shè)備不必保存占用龐大內(nèi)存的路由表或進(jìn)行任何額外的空中下載技術(shù)（over the air）操作來(lái)發(fā)現(xiàn)路徑，因此最小化了網(wǎng)絡(luò)流量，同時(shí)簡(jiǎn)化的設(shè)備結(jié)構(gòu)，降低了成本和設(shè)備功耗，適合在軍事上大面積裝備。 主協(xié)調(diào)器通過(guò)接口模塊與單兵穿戴式計(jì)算機(jī)相聯(lián)，接口模塊的主要作用是完成數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，去除各種干擾，以便讓計(jì)算機(jī)能識(shí)別處理生物傳感器收集來(lái)的各種參數(shù)。 穿戴式計(jì)算機(jī)內(nèi)部軟件要具備三種功能：Zigbee網(wǎng)絡(luò)控制功能，數(shù)據(jù)分析處理轉(zhuǎn)換功能，衛(wèi)星通信設(shè)備管理功能。Zigbee網(wǎng)絡(luò)控制主要包括系統(tǒng)啟動(dòng)關(guān)閉，終端地址分配，差錯(cuò)控制，各種參數(shù)設(shè)定等。數(shù)據(jù)分析處理轉(zhuǎn)換主要是將終端收集來(lái)的各種參數(shù)進(jìn)行波形分析，頻率分析，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等，得出士兵所處狀態(tài)結(jié)論，將之轉(zhuǎn)換成特殊編碼格式，加載到衛(wèi)星上傳回后方指揮中心。衛(wèi)星通信設(shè)備管理功能包括系統(tǒng)啟動(dòng)與否，接口控制，數(shù)據(jù)格式選擇等。 單兵衛(wèi)星系統(tǒng)由輕型便攜式無(wú)線電臺(tái)加衛(wèi)星天線組成。電臺(tái)用金屬包裝，經(jīng)久耐用，能夠抗得住野戰(zhàn)暴露或在機(jī)動(dòng)部隊(duì)使用時(shí)所處的惡劣環(huán)境。背負(fù)式電臺(tái)易于攜帶，包括天線和電池組在內(nèi)僅十幾公斤，體積不到0.02 立方米，可以在任何天氣條件下使用。 2.2 系統(tǒng)安全性可靠性 本應(yīng)用中的安全可靠性分為三步分：Zigbee傳輸?shù)陌踩煽啃裕┐魇接?jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的安全可靠性，衛(wèi)星傳輸?shù)陌踩煽啃?。其中后兩方面在其他文獻(xiàn)中已有大量論述，本文不再討論。 Zigbee采用了分級(jí)的安全性策略：無(wú)安全性、接入控制表、32比特AES和128比特AES。如果對(duì)系統(tǒng)安全性要求不高，可以選擇級(jí)別較低的安全措施，從而換取系統(tǒng)成本和功耗的降低；反之，在安全性要求較高時(shí)，可以選擇較高的安全級(jí)別。由于本例應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，所以應(yīng)采用較高的安全級(jí)別。 Zigbee分別在MAC層和網(wǎng)絡(luò)層采取了安全策略。在數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一跳就到達(dá)目的地時(shí)，Zigbee只用MAC層提供的安全機(jī)制；當(dāng)在多跳的情況下，Zigbee就要依賴高層來(lái)保證安全。 MAC層安全套件基于以下三種操作模式：計(jì)數(shù)器模式的AES加密、密碼塊鏈接模式的數(shù)據(jù)完整性、二者相結(jié)合的加密和完整性（CCM模式）。MAC層的AES加密算法可以保護(hù)MAC命令、信標(biāo)、信息幀和應(yīng)答幀的秘密性、完整性和真實(shí)性。MAC幀的頭部有一個(gè)比特用來(lái)指示MAC幀是否加密。每一個(gè)密鑰只與一個(gè)安全套件相關(guān)聯(lián)。為了保證數(shù)據(jù)完整性，MAC層計(jì)算頭部和凈荷數(shù)據(jù)得到一個(gè)消息完整碼，其長(zhǎng)度為4，8或16字節(jié)。同時(shí)，在每個(gè)MAC幀頭也都有一個(gè)幀編號(hào)，用于防止幀丟失和幀重傳。密鑰的建立、安全操作模式的選擇和對(duì)處理過(guò)程的控制則由高層來(lái)負(fù)責(zé)。 網(wǎng)絡(luò)層也使用AES，它的安全套件是基于CCM＊操作模式。CCM＊包括所有CCM的功能，同時(shí)提供只加密和只保證完整性的功能。使用CCM＊允許單個(gè)密鑰用于不同的安全套件。因此一個(gè)密鑰并不只屬于單個(gè)安全套件，一個(gè)高層應(yīng)用可以靈活地指定網(wǎng)絡(luò)層所用的安全套件。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)安全處理，但對(duì)處理過(guò)程的控制則由高層通過(guò)建立密鑰和決定使用哪一種CCM＊安全套件來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，幀序號(hào)和消息完整碼也可以加在網(wǎng)絡(luò)層幀中。 Zigbee的信道接入方式采用CSMA/CA（載波偵聽(tīng)多址/沖突避免），能有效地減少幀的沖突。為抗干擾和多徑衰落，Zigbee在物理層采用直接序列擴(kuò)頻和頻率捷變FA技術(shù)。為了保證幀的正確傳輸，Zigbee在MAC層采用了兩個(gè)措施：自動(dòng)請(qǐng)求重傳ARQ和幀緩存。當(dāng)一幀傳給一個(gè)設(shè)備時(shí)，如果接受設(shè)備處于忙或者休眠狀態(tài)而不能接收該幀，那么網(wǎng)絡(luò)的主協(xié)調(diào)設(shè)備就暫時(shí)緩存該幀，直到收端能接收該幀。在網(wǎng)絡(luò)層，Zigbee支持網(wǎng)狀網(wǎng)，存在冗余路由，保證了網(wǎng)絡(luò)的健壯性。 3 結(jié)論 Zigbee所具有的短距離，低成本，低功耗，易實(shí)現(xiàn)，安全可靠的特點(diǎn)非常適合作為單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)中生命子系統(tǒng)的組成部件。不僅能對(duì)士兵生命體征數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，后續(xù)的技術(shù)開(kāi)發(fā)還可以對(duì)敵核、生、化武器污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。當(dāng)傳感器的檢測(cè)信號(hào)表明敵方施放了核、生、化武器，就會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)Zigbee發(fā)送裝置傳輸?shù)街笓]部，為己方贏得較長(zhǎng)的預(yù)警時(shí)間。Zigbee的應(yīng)用為指揮人員提供了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的客觀依據(jù)，提高了部隊(duì)裝備的信息化含量，從而使我軍在未來(lái)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中處于有利地位。 參考文獻(xiàn) [1]金純，蔣小宇，羅祖秋，Zigbee與藍(lán)牙的分析與比較[J]，信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2004（6）-17-20 [2]實(shí)現(xiàn)無(wú)線嵌入式網(wǎng)絡(luò)[N],網(wǎng)絡(luò)世界，2004－9－6 [3]李洪義，王鍵埃．楊國(guó)勝．米新亞，焦純,單兵生理信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J],第四軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001-22（2）-103-104 作者簡(jiǎn)介 金純（Jinchun）：男，39歲，留美博士，歸國(guó)創(chuàng)辦重慶金甌科技，主要從事短距離通信技術(shù)研發(fā)，擔(dān)任重慶郵電學(xué)院研究生導(dǎo)師。 齊巖松（Qiyansong）：男，25歲,重慶郵電學(xué)院通信與信息系統(tǒng)專業(yè)碩士研究生，研究方向個(gè)人通信。 項(xiàng)目介紹：本文受到國(guó)家自然科學(xué)基金“基于無(wú)線通信的可穿戴式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目支持