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(MIC，Message Integrity Code)，其長度為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)處理過程的控制則由高層來負(fù)責(zé)。

NWK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NWK所用的安全套件。NWK層負(fù)責(zé)安全處理，但對(duì)處理過程的控制則由高層通過建立密鑰和決定使用哪一種CCM*安全套件來實(shí)現(xiàn)。此外，幀序號(hào)和MIC也可以加在NWK幀中。

藍(lán)牙協(xié)議在基帶部分定義了設(shè)備鑒權(quán)和鏈路數(shù)據(jù)流加密所需要的安全算法和處理過程。設(shè)備的鑒權(quán)是強(qiáng)制性的，所有的藍(lán)牙設(shè)備均支持鑒權(quán)過程，而鏈路的加密則是可選擇的。藍(lán)牙設(shè)備的鑒權(quán)過程是基于問詢一響應(yīng)模式和共享的加密方式。為了使藍(lán)牙鏈路的數(shù)據(jù)流具有隱蔽性，可以使用1比特的流密碼對(duì)鏈路進(jìn)行加密。密鑰大小隨著每個(gè)基帶分組數(shù)據(jù)單元(BB—PDU)傳輸而改變。加密密鑰可以從對(duì)設(shè)備鑒權(quán)中得到。這意味著，在使用鏈路加密之前，兩個(gè)設(shè)備之間至少已經(jīng)進(jìn)行了一次鑒權(quán)。密鑰的最大長度為128比特。

從以上分析可以看出，ZigBee和藍(lán)牙在一定程度上都能夠保證安全性。但ZigBee比藍(lán)牙更為靈活，這更有利于控制系統(tǒng)成本。

3、ZigBee和Z-Wave的區(qū)別與未來

ZigBee和Z-Wave短距離無線技術(shù)都用于遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制，但兩種技術(shù)的規(guī)格和應(yīng)用卻不同。在美國應(yīng)用越來越廣泛的家庭局域網(wǎng)(home-area network, HAN)中，兩種技術(shù)都是理想選擇。本文將對(duì)比這兩種廣泛使用的無線技術(shù)(見表格)。

Z-Wave

Zensys在2008年被Sigma Designs收購之前開發(fā)了Z-Wave私有無線標(biāo)準(zhǔn)。Sigma Designs的產(chǎn)品是IC和電力線通信(PLC)和無線相關(guān)設(shè)備。Z-Wave標(biāo)準(zhǔn)不像很多無線標(biāo)準(zhǔn)那樣開放，但Zensys、Sigma Design的客戶都可以使用。最近，國際電信聯(lián)盟(ITU)把Z-Wave PHY和MAC層作為其新標(biāo)準(zhǔn)G.9959的選擇，該標(biāo)準(zhǔn)為1GHz一下的窄帶無線設(shè)備提供了一套指南。

Z-Wave無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)讓任何節(jié)點(diǎn)都能直接或間接地和通信范圍內(nèi)的其它臨近節(jié)點(diǎn)通信。如果兩個(gè)不在通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)想要通信，則可以通過連接另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)獲取或交換信息。Z-Wave網(wǎng)絡(luò)最多支持232個(gè)節(jié)點(diǎn)，還支持設(shè)置多個(gè)控制器，以區(qū)分開所需的各種功能。

Z-Wave使用Part 15免費(fèi)ISM頻帶，運(yùn)行在美國和加拿大的908.42MHz頻率上，在其他國家則根據(jù)各國規(guī)定使用其他不同頻率。調(diào)制方式是高斯移頻鍵控(FSK)。數(shù)據(jù)速率包括9600 bits/s和40kbits/s.輸出功率為1mW和0 dBm.和其他無線技術(shù)類似，傳輸范圍取決于環(huán)境。在開闊空間中，最大范圍可達(dá)30米。穿墻的話范圍會(huì)有一定減小。

Sigma Designs的ZM3102模塊專為和其它產(chǎn)品集成而設(shè)計(jì)，用于監(jiān)控和控制。除了無線收發(fā)器外，還包括板載一塊CPU,以及內(nèi)置的23kbytes閃存和2kbytes的SRAM,另外還支持有四個(gè)模擬輸入的12位ADC.接口包括GPIO、SPI、UART和脈沖寬帶調(diào)制(PWM)，也提供Triac控制器。模塊電壓范圍為2.1V到3.6V直流，功耗非常低。典型的轉(zhuǎn)發(fā)周期僅為0.1%,也就是說大多數(shù)時(shí)候設(shè)備處于休眠模式。

ZigBee和Z-Wave的目標(biāo)應(yīng)用一致。其中ZigBee的通用性遠(yuǎn)超Z-Wave,幾乎可以配置并實(shí)現(xiàn)任何短距離無線功能，應(yīng)用規(guī)范也可以大大縮短普通應(yīng)用的開發(fā)時(shí)間。另一方面，ZigBee的協(xié)議更復(fù)雜，開發(fā)時(shí)間也更長。Z-Wave采用更簡單的協(xié)議，開發(fā)更快也更簡單。

Z-Wave芯片只能通過Sigma Designs這一唯一來源獲取。Sigma Designs只賣給OEM、ODM和其它主要客戶。在Home Depot和Lowes這樣的商店里，可以買到500多種家庭控制產(chǎn)品，但很多并沒有說明使用了Z-Wave.

ZigBee芯片廠商包括Ember、飛思卡爾、Microchip和德州儀器。完善且立即可用的ZigBee模塊也可以通過多個(gè)來源獲得，包括Atmel、CEL、Digi、Jennic、Lemos和RFM.

在0 dBm的特定功率下，Z-Wave的范圍比ZigBee更大，這是因?yàn)閆-Wave運(yùn)行在更低的頻率下(根據(jù)Friis公式)。這也意味著Z-Wave在某些應(yīng)用中連接也更穩(wěn)定。

ZigBee使用應(yīng)用廣泛的2.4GHz ISM頻段，因此必須與Wi-Fi、藍(lán)牙和其它無線標(biāo)準(zhǔn)共享頻段，會(huì)產(chǎn)生干擾。大多數(shù)ZigBee設(shè)備都有有助于緩解干擾的共存功能，但潛在的2.4GHz干擾比Z-Wave所處的908.42MHz通道更大。

四、ZigBee的技術(shù)應(yīng)用-智能家居篇

基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

本文介紹一種基于ZigBee 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。系統(tǒng)硬件上以S3C2440A 為控制核心，利用CC2430 組建家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)來采集家庭設(shè)備的數(shù)字信號(hào)， 用USB camera 采集家庭內(nèi)部的視頻信號(hào)。軟件上利用嵌入式Web服務(wù)器和CGI 技術(shù)實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)網(wǎng)和Internet 相連，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。通過實(shí)際測試證明系統(tǒng)功能強(qiáng)大，運(yùn)行穩(wěn)定，滿足了家庭信息網(wǎng)絡(luò)化的要求。本系統(tǒng)選用S3C2440A 作為核心控制器， 它是Samsung 公司推出的一款基于ARM920T 核的處理器， 采用了16/32 位RISC 處理器， 具有外部存儲(chǔ)器控制器，LCD 控制器，4 通道DMA控制器，三通道UART，兩通道SPI，兩路全速USB 主設(shè)備芯片，帶有MMU 虛擬存儲(chǔ)器單元，這一特性可以移植linux 系統(tǒng)和建立Web 服務(wù)器，主頻400MHz，有130 個(gè)I/O 端口和24 路外部中斷源，有多種通信接口，體積小，功耗和成本低，可靠性高，特別適合作為嵌入式微處理器。

ZigBee 協(xié)調(diào)器和設(shè)備節(jié)點(diǎn)程序

ZigBee 家庭無線網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場各種信息的監(jiān)控以及數(shù)據(jù)的采集， 并將內(nèi)部處理過的數(shù)據(jù)經(jīng)家庭網(wǎng)關(guān)傳送到外部網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)中ZigBee 協(xié)調(diào)器主要用于建立無線網(wǎng)絡(luò)，分配地址，向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令和接收終端節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，并將接收到的狀態(tài)數(shù)據(jù)全部上傳至Web 服務(wù)器， 最后通過Internet傳送到遠(yuǎn)端的用戶端。終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)主要有加入網(wǎng)絡(luò)，接收控制命令，以及發(fā)送狀態(tài)信息給協(xié)調(diào)器等。協(xié)調(diào)器主程序流程如圖2所示。

基于ZigBee技術(shù)的無線智能照明系統(tǒng)

基于ZigBee的智能照明系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

ZigBee是一種在無線個(gè)人網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。電子與電氣工程師協(xié)會(huì)IEEE于2000年底成立了802.15.4工作組，規(guī)定了ZigBee的物理層和媒體接入控制層。2001年8月成立了 ZigBee聯(lián)盟，負(fù)責(zé)ZigBee規(guī)范的制定和應(yīng)用推廣工作，2004年12月推出ZigBee規(guī)范的正式版本ZigBee SpecificationV1.0。目前，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)在ZigBee聯(lián)盟的推動(dòng)下正日趨增強(qiáng)和完善，其實(shí)際工程應(yīng)用正日益普及。世界各大半導(dǎo)體巨頭TI，F(xiàn)reeScale和Ember等各自推出了符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的芯片及協(xié)議棧。其中，TI公司的CC2430加Z-Stack協(xié)議棧是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的最佳解決方案。本文的無線智能照明系統(tǒng)就是在這個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的。

硬件設(shè)計(jì)

無線智能照明系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)三種。其中，協(xié)調(diào)器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。