ZigBee无线个人区域网技术在汽车网络的应用

王建军，秦振海

（陕汽集团西安兰德新能源汽车技术开发有限公司，陕西 西安 710200）

目前，在无线短距离通信传输方面，主要有Bluetooth、Wi-Fi、GPRS/GSM和ZigBee四种技术，4种无线传输技术的工作特性及优缺点对比如表1所示。其中ZigBee技术因其成本低、功耗小和组网简单灵活等诸多优点，一问世便引起了各界工程师的广泛关注。本文将介绍ZigBee技术的工作特性及在汽车网络方面的具体应用。

表1 4种无线传输技术的工作特性及优缺点

1 ZigBee技术的渊源

ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术。ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳z形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。ZigBee先前亦被称为HomeRF Lite、RF-EasyLink或FireFly无线电技术，目前统一称为ZigBee。

ZigBee网络架构如图1所示。ZigBee联盟在IEEE802.15.4的介质访问控制层MAC和物理层PHY之上定义了ZigBee网络的Network and Security(网络层和安全层)和Appliaction Interface（应用层）的技术标准。IEEE和ZigBee联盟共同催生了ZigBee技术协议，并且最终免费向全世界公开。

2 ZigBee网络拓扑和设备类型

ZigBee网络支持星状网、树状网和网状网3种网络拓扑结构，定义了网络协调器 （Coordinator）、路由器 （Router）和终端设备 （End Device）3种设备类型。网络协调器是整个ZigBee网络建立的发起者和管理者，它管理ZigBee设备节点的准入与退出，网络地址的动态分配，对整个ZigBee网络进行维护。每个独立的ZigBee网络只允许一个惟一的网络协调器来管理和维护整个ZigBee网络。路由器和终端设备是一般的ZigBee设备，路由器不但具有一般的终端设备的功能，而且还有路由功能，而终端设备没有路由功能，但可以工作在睡眠模式。

3 ZigBee协议堆栈结构

以Chipcon公司提供的基于CC2420芯片的ZigBee协议堆栈为例，ZigBee协议堆栈结构如图2所示。

ZigBee堆栈使用了IEEE802.15.4的介质访问控制层MAC和物理层PHY。ZigBee堆栈层之间及与IEEE802.15.4 MAC之间通过服务通道 （SAP）进行通信。SAP是层与层之间进行通信的接口，不同层与层之间有各自的SAP。堆栈中的多数层都为自己的上层提供保留一个数据实体SAP和管理实体SAP，数据实体SAP完成一般的数据传输，管理实体SAP完成网络管理数据的传输。

物理层PHY使用了2.4 GHz和868/915 MHz两个不同的物理层。它们都使用DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频）技术，物理层数据包格式相同。2个物理层的区别在于工作频率，扩频码片长度和传输速率。2.4 GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段，采用高阶调制技术提供250 kb/s的传输速率。868 MHz是欧洲的ISM频段，能提供20 kb/s的传输速率。915 MHz是美国的ISM频段，能提供40 kb/s的传输速率。物理层PHY给上层介质访问层提供了物理层数据实体服务通道PDSAP和物理层管理实体服务通道PLME-SAP两个接口，与MAC层进行数据交换。

ZigBee的网络层主要负责网络层数据安全管理、路由管理、网络管理。ZigBee协议中，设备类型不同，其对应的NWK层的功能有所不同，网络协调器的NWK层主要负责网络的建立、为允许加入该网络的ZigBee设备分配16位的网络地址、设备节点的退出等网络管理功能。协调器的网络地址固定为0。

网络层通过介质访问控制层数据实体-服务通道MLDE_SAP和介质控制层管理实体-服务通道MLME_SAP这两类SAP，与下层介质访问控制层MAC完成通信。通过网络层数据实体-服务通道NLDE_SAP和网络层管理实体-服务通道NLME_SAP，与应用支持子层APS层进行通信。NLDE_SAP为应用支持子层APS层提供数据传输请求和确认，以及向APS层提供远程设备通信请求服务。NLME_SAP为应用支持子层ASP提供加入网络请求和确认，允许加入网络请求，确认，网络发现，建立请求，确认等网络管理服务。

ZigBee的应用层包含应用支持子层 （Application Support Sublayer）APS、 ZigBee设备对象 （Zig-Bee Device Object）ZDO和厂商自定义的应用设备对象层 （Application Object）。

应用支持子层APS层是网络层和应用层的中间层，直接服务于ZDO和厂商自定义的应用对象。应用支持子层APS层维护绑定表、APS层数据安全管理和对网络中间接寻址消息的映射管理。APS层通过APS数据实体-服务通道 （APSDE-SAP）和APS管理实体-服务通道 （APSME-SAP）两个实体，对上层AF和ZDO层提供服务。APS层通过APSDE_SAP Endpoit和AF层、ZDO完成通信。Endpoit是对网络地址的一种扩展，是一组8位二进制整数。

ZigBee设备对象层 （ZDO）位于AF和APS之间。ZDO在网络中发现ZigBee设备和为它们提供相应的应用服务。ZDO在网络建立初期，ZDO层初始化APS、NWK、SSP和绑定管理、安全管理和网络节点管理等。ZDO通过Endpoit 0与协议栈中下层相接，数据信息通过APSDE-SAP发送到下层，控制信息则由APSME-SAP发送到下层。

应用结构层 （AF）给ZigBee设备的应用提供应用环境，最多可以定义240个相对独立的应用程序对象，任何一个对象的Endpoit端点编号从1到240。Endpoit 0保留给ZDO数据接口，Endpoit 255是用来向各个Endpoit发广播消息用的，Endpoit 241～254被保留 （扩展使用），Endpoit1～240可以自由使用。

SSP安全机制层通过接口与NWK、APS层进行通信，使用AES-128加密技术使每个层都受到安全保护。在ZigBee网络中，网络协调器设备被指定为信任中心，信任中心分配网络中的安全密钥，对整个网络进行安全管理。

4 ZigBee的优点

1）低速率、低功耗、低成本 ZigBee网络只有10~250 kb/s,ZigBee芯片的功耗很低，2节普通5号干电池在低耗电待机模式下，可使用6个月到2年，免去了频繁更换电池的麻烦。ZigBee免收协议专利费，协议免费公开，可以使用免费的ISM频段，成本低。

2）安全性好 ZigBee网络以IEEE802.15.4为基础，定义了16个信道，工作频段灵活，物理层使用了直接序列扩频技术，高层ZigBee采用了AES-128加密算法，整个系统的安全性能好。

3）网络动态管理 组网简单可靠，网络容量大，ZigBee网络最多可以容纳255个网络节点，而且能实现动态网络管理，网络维护简单。

5 ZigBee技术在汽车网络的应用

1)ZigBee技术在汽车轮胎压力检测系统中的应用

目前高速公路的车辆交通事故日益增多，其中大部分是由于轮胎的气压过高或过低导致轮胎爆胎引起的。轮胎压力监测系统全天候对轮胎里的压力进行监测，对轮胎的漏气、低压、高压进行监测和报警，使车辆始终处于安全运行状态。轮胎压力监测系统由轮胎压力传感器、控制器、射频发射器和接收机组成，装在每一个车轮胎里的压力传感器将探测轮胎里的压力、温度信息，通过射频发射器将该信息从轮胎内部的ZigBee模块传送给驾驶室里的接收器模块，能够让驾驶员在汽车运行中了解到轮胎的工作情况，监测轮胎的气压、温度是否正常，并进行异常报警，确保安全。

2）ZigBee技术在智能交通中的应用

以ZigBee技术为基础的智能交通控制图如图3所示。在每个交通路口设置ZigBee主节点，主节点的网络类型定义为网络协调器。在道路周边设立大量的参考节点，参考节点的网络类型定义为路由器。每个主节点可以管理254个参考节点来组成一个Zig-Bee分网络，而每个ZigBee中心可以管理254个Zig-Bee主节点，即在理论上可以控制254个交通路口，这样就组成了以参考节点为最底层，每个交通路口主节点为中间层，ZigBee中心为最高层的三级网络ZigBee交通网络系统。将ZigBee模块做成便携式移动装置，装在每台车辆上，这样就可以把每台车辆看成一个移动的ZigBee参考节点，这个参考节点可以被定义为终端设备。当车辆驶入ZigBee交通网络覆盖范围时，车内的ZigBee模块将被唤醒，作为一个待测点被纳入ZigBee交通网络，其信息会被传输至ZigBee中心。使用这样的网络拓扑即可实现车辆短时间跟踪、定位及交通流量的检测。

3） ZigBee网络技术在车辆自动识别系统中的应用

车辆自动识别系统的网络结构如图4所示。系统组成包括车载子节点 （终端设备）、 数据采集单元 （路由器）、ZigBee网关 （协调器）和控制中心、手持观测器等5个部分。

其中安装于车内的车载子节点和安装于道路边或收费站的数据采集点为整个系统的核心部分。车载子节点里包含有车辆发动机、车架号、车牌和车辆编号等固有信息，也可以定时地利用传感器元件采集车内所需要的信息。布置于道路边的数据采集单元一般分为两个部分：激活设备和采集设备。当任意一辆带有内置车载子节点的车辆进入已布置监控系统的路段时，由激活设备激活车内的车载子节点，发出命令让子节点开始传输数据。但激活设备并不负责接收由子节点传输的数据，以留下更多的时间和容量来激活高速运动的其他子节点。ZigBee休眠设备激活时间为15 ms，活跃设备信道接入时间为15 ms，采集设备应位于激活设备后约40 m处。市区内的车辆行驶速度大约为20 m/s，即在2 s的时间内已经足够激活在道路上高速运动的子节点，并使其开始传输数据。

采集设备负责接收车载子节点传来的信息，并转交给ZigBee网关进行处理，然后传到交警的手持观测器中。手持观测器可以为手机终端或者存储量更强的PDA等。信息也可以通过Internet传到控制中心。控制中心对采集的数据和子节点的固有信息进行整理，可得出行驶在该路段的车辆的详细资料，然后再对数据库里的保存信息进行更新，根据车辆行驶路段的采集设备的编号，可以自动对该车辆该段时间内的行驶路线进行定位监控。

ZigBee技术弥补了低成本、低功耗、低速率无线通信市场的空白，随着ZigBee技术不断应用于汽车网络及车联网的普及，ZigBee技术的应用越来越受到人们的关注。

［1］翟 雷，刘盛德，胡咸斌.ZigBee技术及应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

［2］赵军发，梁晓斌.GPRS技术在智能化高速道路交通管制系统中的应用［J］.天津理工大学学报，2006,（6）：34-36.

［3］李文仲，段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2007.