基于zigbee技术的区域移动通信及定位系统设计

基于zigbee技术的区域移动通信及定位系统设计

周坤吕晓剑叶世界

中国船舶重工集团公司第七二二研究所湖北省武汉市430079

摘要：本文主要介绍了在一种基于zigbee技术的区域移动通信及定位系统。

关键词：zigbee通信无线移动

一概述

通常在煤井、矿井以及办公楼、小区等一些封闭或相对封闭的区域中，存在着人员查找、报警信息上传困难等问题，泄漏电缆安装困难，而用通常的手机通信手段，只能解决有基站的地面上的通信问题，对于偏远地区、地下、山里等情形，完全不适用。对讲机也只能适用于小范围遮挡少的地方。因此，本文提出一种基于zigbee技术的区域移动通信及定位系统设计。

二技术简介

zigBee技术是一种低复杂度、低距离、低成本、低功耗无线网络技术。IEEE802.15.4定义的物理物理层及媒体访问控制层，网络特点如下：

1网络容量：ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络。

2时延：设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值是15ms，活动设备信道接入时延为15ms。

3安全性：提供数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128。

4可靠性：使用碰撞避免机制，为固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

工作频段：使用的频段分别为2.4GHz频段和868/915MHz频段。分配了27个三种速率的信道：2.4GHz频段有16个速率25Ok的信道，915MHzMHz频段有10个40kb的信道，868MHz频段有1个20kbi灯S的信道，目前系统采用2.4G频段。

三原理及功能

区域移动通信及定位系统实现原理图如下所示：

1话音通信功能

话音通信由移动终端完成语音信号的编解码、压缩和解压缩、加解密，接入控制设备和通信服务器完成呼叫控制，媒体网关完成系统移动终端与其它系统用户通信时的信令和信号转换。

系统内部移动终端通信时，移动终端将用户拨叫的号码通过当前接入的无线接入设备及系统互连通道，以IP包发送至接入控制设备，接入控制设备根据被叫方的ID进行判断如果被叫设备在本接入控制设备的路由区域，则将呼叫请求发送至被叫终端，接入控制设备将呼叫转发到通信服务器进行后续的呼叫处理，如被叫方空闲，则完成通信链接建立，移动终端将用户语音进行编码、压缩、并进行加密，通过无线及系统互连通道以IP包方式传输至对端，由对端解密，并进行解压缩和解码，还原语音信号。

2短信息通信功能

短信息通信由移动终端完成短信息的编辑、格式转换、加解密、收/发及显示，通信服务器完成短信息的解析、保存、加解密和转发。

移动终端将用户编辑或预先定制（如报警信息）封装成IP包，并加密后，通过无线接入设备、接入控制设备及系统互连通道发送至通信服务器，由通信服务器对IP包进行解密、格式转换和保存，并解析接收方IP地址，对于接收方为系统内用户，转发至接收用户（移动终端），由移动终端完成解密和格式转换，并显示。

3人员定位功能

移动终端发送定位信息，无线接入设备接收到定位信息后，根据接收到的信号强度，转换为定位信息包，定位服务器接收到定位数据包以后，取出相关的定位信息，进行定位运算，计算出移动终端的位置值，发送到存储服务器。

4安全和信息加密功能

系统入网安全论证采用公钥密码技术实现，系统管理设备负责证书的颁发、验证与吊销等，移动终端与无线接入设备均安装系统管理设备颁发的公钥证书，作为自己的数字身份凭证。当移动终端登录至无线接入设备时，在访问系统网络之前必须通过系统管理设备对双方进行身份验证。根据验证的结果，持有合法证书的移动终端才能接入持有合法证书的无线接入设备。

系统信息加解密采用分组密码算法，由移动终端和通信服务器对数据链路层的数据帧进行加解密处理，实现端到端加密，可避免无线侦收所造成的泄密。

四系统方案

区域移动通信及定位系统由移动终端设备、无线接入设备、接入控制设备、人员定位服务器、通信服务器、系统管理设备及媒体网关等依托传输网提供的IP传输通道构成，人员定位服务器、通信服务器及系统管理设备均提供以太网接口接入传输网（或IP接入设备），如图1所示。为满足人员定位信息及时更新及报警信息实时上传的要求，系统的无线部分采用Zigbee协议，包括无线接入、交换和定位功能于一体。系统采用场强定位与物理地址关联技术实现人员定位功能；采用AES-128的128位的加解密技术实现用户接入认证、信息加密，保证网络和信息传输的安全。

a）移动终端完成音频信息的编、解码工作，把音频数据码流、短消息以及定位信息等各种数据按照Zigbee协议的格式形成数据包，发送出去，同时移动终端通过接收周围移动终端发送的定位信息，形成本机的对讲用户表，移动通信终端可以直接与该用户表中的移动通信终端进行对讲通信。全功能型终端具备话音通信、短信息编写及收发功能，简易型终端具有短信息收发功能。

b）无线接入设备在系统中完成和移动终端的信息交互，一方面，它将接收到的信息转换为IP数据格式以后，转发到接入交换设备，另外一方面，它将来自于接入交换设备的IP数据转换后下发到移动终端，无线接入设备安装布置在矿洞和通道、地面、办公室相关位置，所需的电源由分布在各处的用户接口盒或者接入控制设备提供。

c）接入控制设备完成语音信息在本地的交换处理功能，一方面接入交换设备完成来自于无线接入设备的各种数据包，对于非语音包，接入控制设备根据数据类型转发到相应的服务器进行处理，对于语音包，接入交换设备根据用户表判断，属于本地用户这直接完成语音的相关交互流程，非本地用户则转发至通信服务器进行下一步交换控制处理。

d）人员定位服务器完成移动终端位置信息处理、汇总、存贮功能，运行全区域地理信息系统（GIS），为动态显示人员所处位置提供支撑服务。

e）数据库服务器对计算出来的移动终端的位置值进行存储，查询处理；同时对系统配置信息，如拓扑图，移动终端ID等进行存储，查询处理；

f）通信服务器主要完成语音通信相关的信令信息、状态信息的维护管理，同时完成跨区域间语音交换控制管理。完成话音及短信息通信所需的呼叫控制、业务信令策略管理、媒体路由策略管理、媒体路由流量均衡、媒体路由心跳监听、业务保护、终端号码定位及短信息存贮、转发等功能。另外，通信服务器还完成短消息的处理功能。

g）系统管理设备完成移动终端入网认证和注册管理，并对系统各设备的状态进行监控和管理。

五结论

基于zigbee技术的区域移动通信定位系统实现了在封闭和半封闭环境下的人员通信和精确定位，在保障人员安全的同时，也能保证环境的密闭性，可以广泛地应用于矿山、矿井和小区、住宅等地方。