浅谈ZigBee在军事物流中的应用
刘明磊1  李家齐1   饶 伟2
(1．清华大学深圳研究生院现代物流研究中心
2．中国人民解放军驻南昌铁路局军事代表办事处技术处）

摘  要：信息化战争要求军事物流准确、快速、安全、可控，要求能在最短的时间内以最少的投入完成最大量的物资输送任务。要想实现这个目标，首先必须实现军事物流管理的信息化、网络化，而ZigBee正是能够帮助军事物流满足信息化战争要求的有力手段之一。 ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本、安全可靠性高的无线网络技术，它可以广泛的用于自动控制领域，在2004年就被列为当今世界发展最快，市场前景最广阔的十大最新技术之一。本文首先介绍了ZigBee技术的发展状况，对ZigBee的协议架构，各通信层协议特点及组网方式进行了剖析，阐述了ZigBee的技术特点。结合现代军事物流的发展情况，论证了ZigBee技术在军事领域应用的可行性，并预测了发展方向。最后，将ZigBee技术应用于军事物流管理体系中，构造了性价比较高的军用物资调度管理系统。
关键词：军事物流；ZigBee

0引言
ZigBee无线网络技术是一种供固定、便携或移动设备使用的低复杂度、低成本和低功耗的低速率无线连接技术，是一种介于无线标记技术和BlueTooth（蓝牙）之间的技术提案。2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作组，专门负责制定物理层及MAC层的协议。2001年8月ZigBee联盟成立。2002年下半年，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司等四大公司加盟ZigBee联盟，这一事件成为ZigBee技术的里程碑。该联盟主要负责制定网络层到应用层的上层协议。到目前为止，加盟ZigBee联盟的不仅仅只有当初的四大公司，而是涵盖了IT领域以及其它行业的数百家企业。ZigBee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的，可以说是一种小的动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通。人们借此称呼该技术，亦包含此寓意。在标准林立的短距离无线通信领域，ZigBee的快速发展是令人始料不及的。从2004年底标准确立，到2005年底，相关芯片及终端设备总共卖出了1500亿美元。据业内人士估计，到2008年，ZigBee的节点数量将从目前不到1百万个骤增至1亿个。可以毫不夸张地说，在未来的数年内，ZigBee技术将从方方面面进入人们的生活、工作领域。
1ZigBee技术特点
1．1协议架构
    IEEE 802.15.4 满足国际标准组织 (ISO)开放系统互连(OSI)参考模式。它由高层应用规范、会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。其中，物理层和MAC层的协议由802.15.4工作组负责制定，其余协议主要参照和采用现有标准。
高层应用规范
应用会聚层
网络层
IEEE802.15.4逻辑链路控制层 IEEE802.2逻辑链路控制层
IEEE802.15.4媒质接入控制层
869MHz/915MHz物理层 2.4GHz物理层
                              图1   ZigBee协议架构
1．2物理层
IEEE 802.15.4 提供两种物理层的选择(868/915 MHz和2.4GHz)，物理层与MAC层的协作扩大了网络应用的范畴。这两种物理层都采用直接序列扩频(DSSS)技术，降低数字集成电路的成本，并且都使用相同的包结构，以便低作业周期、低功耗地运作。2.4G物理层的数据传输率为250kb/s，868/915MHz物理层的数据传输率分别是20 kbps、40 kbps。ZigBee物理层分组结构如图2所示，其中前导码主要用于前导同步；分组定界标志分组的开始；物理层头表示数据单元的长度；数据单元用于承载传输数据。
前导码
（4Byte） 分组定界起点
（1Byte） 物理层头
（1Byte） 物理层数据单元
（0-128Byte）
                        图2  ZigBee物理层分组结构
    2.4GHz物理层的较高速率主要归因于一个较好的调制方案：基于DSSS方法(16个状态)的准正交调制技术。来自PPDU的二进制数据被依次(按字节从低到高)组成4位二进制数据符号，每种数据符号(对应16状态组中的一组)被映射成32位伪噪音CHIP，以便传输。然后这个连续的伪噪音CHIP序列被调制(采用最小移位键控方式MSK)到载波上，即采用半正弦脉冲波形的偏移四相移相键控(O_QPSK)调制方式。868/915MHZ物理层使用简单DSSS方法，每个PPDU数据传输位被最大长为15的CHIP序列(m-序列)所扩展。即被多组+1，-1构成的 m-序列编码，然后使用二进制相移键控技术调制这个扩展的位元序列。
不同的数据传输率适用于不同的场合。举例如下，868/915MHz物理层的低速率换取了较好的灵敏度(-85dbm/2.4G，-92dbm/868，915MHz)和较大的覆盖面积，从而减少了覆盖给定物理区域所需的节点数。2.4G物理层的较高速率适用于较高的数据吞吐量、低延时或低作业周期的场合。
1．3 MAC层
     IEEE802系列标准将数据链路层分成逻辑链路控制（LLC）和媒介接入控制(MAC)两个子层。其中，LLC子层在802.6中定义为IEEE802标准系列共用，而MAC子层协议依赖于各自的物理层。
IEEE802.15.4的MAC层支持多种LLC标准，通过SSCS(Servic-Specific Convergence Sublayer)业务相关会聚子层协议承载IEEE802.2类型的LLC标准，且允许其他LLC标准直接使用802.15.4MAC层的服务。MAC和LLC层主要完成设备间无线链路的建立、维护和结束，信道接入控制，帧校验，传输可靠性保证和控制，数据的分段和重组等功能。
考虑到ZigBee MAC层的设计应尽可能地降低成本、易于实现、数据传输可靠、短距离操作以及低功耗，因此采用了简单灵活的协议，其帧有4种类型:数据帧、标志帧、命令帧和确认帧，其一般结构如图3所示。ZigBee网络中所有的设备都被动态分配唯一的IEEE地址。网络建立后，可以使用短地址使得网络可以支持多达65000个节点。
MAC头 MAC业务数据单元 MAC尾
图3  ZigBee帧结构
另外，ZigBee采用载波侦听多址/冲突(CSMA/CD)的信道接入方式和完全握手协议，分组传送的最大容量为128字节，其中最大净负荷为104字节，基本解决了低速的数据传送问题。其数据传输方式如图4所示。

      图4  ZigBee数据传输方式
1．4ZigBee网络拓扑结构
    ZigBee定义了2种类型的设备：全功能设备（Full Functional Device）和简化功能设备RFD（Reduced Functional Device）。依据FFD与RFD在拓扑结构中位置的不同，形成了两种基本网络拓扑结构——星型和对等型。这两种结构混合使用时，就构成了混合网型。如图5所示。
                                                                    RFD设备
         星型
                        
                                                                    FFD设备
         对等型                        混合型

                             图5  ZigBee网络拓扑结构

    在ZigBee网络中，RFD设备只能发送和接受信号，没有转发和路由功能。然而，FFD设备是具有转发和路由功能的节点。网络中的每一个FFD根据Adhoc网络路由协议来优化最短和最可靠的路径。如果其中一个FFD出现故障，失去了路由或断网，则其另一个邻近的FFD将快速承担其数据传送的作用。因此，ZigBee网络具有高度的动态拓扑结构和自维护功能。
2军事物流概述
所谓军事物流，是指军事物资经由采集、运输、加工、包装、仓储、供应等环节，最终抵达用户（部队）而被消耗的整个运动过程。军事物流活动并非近现代的产物，其历史源远流长。自从人类社会有了战争，围绕战争而进行的物资保障就随之产生，而物资保障任务的完成依赖的就是有效的军事物流活动。在早期冷兵器时代的战争中，军事物流活动较为简单，保障的物资主要是粮草、兵器、铠甲等，而采用的运输方式多为基于人力、畜力、风力的陆运和水运。物流内容简单、范围小、易组织。此后，随着战争规模的不断扩大，各类武器和装备的不断更新，战场物资消耗量逐渐增加，军事物流活动的范围和内容也随之发生了深刻变化，尤其是进入二十世纪，机械化战争使战场范围急剧扩大，战场消耗成倍增长，这就对军事物流提出了新的、更高的要求，使物流的内容更加复杂，范围更加广阔，物流活动的组织更加困难。据统计，一个士兵作战日平均物资消耗量，第一次世界大战时为6公斤，第二次世界大战时为20公斤；20世纪50年代朝鲜战争期间，美军人均日消耗量为29公斤，到60年代越南战争期间达到117公斤；70年代的第四次中东战争，以色列士兵人均日消耗作战物资250公斤；海湾战争时，美军装甲师人均日消耗物资500公斤。为了适应这一变化的需要，达到物流目标，各国军队都着手加强军事物流力量的建设，从人员的编配、装备的更新、技术的应用等方面提高军事物流活动的专业化、系列化、现代化水平。进入二十一世纪以来，现代信息技术的高速发展使得现代物流向着智能化、自动化和高效化不断前进。军事物流应该大胆借鉴其成功的经验，学习其理论、运用其技术，提高自身水平，以增强后勤保障能力。
3  ZigBee应用前景
3．1  ZigBee在军事领域应用的技术优势
     1．安全性高：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，硬件本身支持CRC和AES－128。这一安全特性使得ZigBee能很好地适应军事需要。
     2．可靠性高：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了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。这一特性保障了信息传递的准确性。
     3．成本低及工作频段灵活：模块的初始成本估计在６美元左右，很快就能降到1.5美元到2.5美元之间，且ZigBee协议是免专利费的。ZigBee使用的频段分别为2.4GHz(全球)，866MHz（欧洲）以及915MHz（美国），均为免执照频段。我军军费规模远远不及外军，既要实施从机械化、半机械化向信息化的转变，又要节省开支，在建设小型无线网络方面，ZigBee技术不失为一种不错的选择。
　   4．功耗低：在休眠状态下耗电量仅仅只有1μW，通信距离短的情况下工作状态的耗电为30mW，在低耗电待机模式下，两节普通5号电池可支持6个月到两年左右的时间。ZigBee这一独特优势，使得网络节点在危险（比如战场、核辐射）的区域或其它不便于经常更换电池的区域能长时间持续、稳定的工作，符合军事方面的需要。
     5．覆盖区域广：尽管ZigBee仅仅只是一个小型的局域网络，单个ZigBee网络覆盖面积有限，但它却可以与现有的移动网，互联网和其它通信网络相连接，将许多ZigBee局域网相互连成为一个整体，形成覆盖面积广阔的广域网。另外，现有移动网络在许多远离城镇的偏僻地方存在盲区，而这些网络的盲区恰恰是部队活动的区域。增加一个基站或直放站可以解决这个问题，但所需的费用是相当可观的，此时使用ZigBee网络进行盲区覆盖不仅经济有效，而且往往是现在唯一可行手段。
3．2  ZigBee在军事物流中的发展方向
现代战争正在从机械化向信息化转变，与机械化战争要求的规模型、数量型军事物流不同，信息化战争要求军事物流准确、快速、安全、可控，而ZigBee正是能够帮助军事物流实现信息化要求的有力手段之一， 因而ZigBee在军事物流领域中将得到极大的应用可以说是历史的必然，而且未来必将会得到更大的发展。
1．ZigBee将向着智能化发展。未来ZigBee将更多地结合各类传感器的功能，由此产生的智能型将使军事物流进入智能化的境界。例如，未来安装在军用仓库中结合了温度、湿度和光线强度传感器功能的ZigBee模块，可以持续监控仓库内部的环境温度、湿度和光线强度，并将仓库内的实时信息及时传递给网络控制中心，再由该控制中心将处理过的信息以命令的形式反馈给安装在仓库中的温度、湿度及照明控制设备，从而实现温度、湿度和光线强度的自动调节。
2．ZigBee与RFID技术的结合。身份识别是管理中非常重要的一件事，为了便于管理人们将个人，车辆，货物进行了编号，这就产生了身份证号，银行卡号，车牌号，条形码等。人们使用了条形码读码器，刷卡机等设备将这些编号读进计算机，进行数字化处理以提高管理的效率。为了进一步改进这个数字化的手段，人们又发明了射频识别(RFID)技术。然而，对于汽车，集装箱等大型移动性强的物体，RFID技术仍然存在许多问题，特别是读写距离问题，读写系统工作灵活性问题，更多的数据储存和功能扩展问题等。而在这些问题上，结合了网络通信功能的ZigBee技术，无疑给身份识别和管理技术注入新的强大的活力。
3．ZigBee与广域网的结合。ZigBee除了支持上文介绍的RFD和FFD两种设备节点外，还支持第3种节点，即网络主机或网关节点。通过网络主机和网关，ZigBee可以与外部系统接口或协调与其他网络的路由作用，实现信息在更大范围内的传递。
4．将ZigBee的发展纳入我军物流信息化的整体规划之中。方兴未艾的ZigBee技术的成熟与发展为我军的物流信息化提供了有力的硬件支持。但我军不能仅仅注重ZigBee技术硬件的利用和发展，更重要的是要将ZigBee纳入我军信息化的整体规划之中，为将来ZigBee广泛使用后充分发挥作用创造条件。这里需要解决三个主要问题：首先，我军推动物流信息化的过程中要注重原有信息自动化系统的升级改造，要注重解决ZigBee与我军军网的接口问题，这是硬件问题；其次，要结合我军特点开发出专用软件对ZigBee网络的信息加以处理，这是软件问题；最后，要注重专业人才的培养。
3．3   ZigBee在军事物流中的应用构想
3．3．1  军用物资调度中心系统结构设计
军事物流系统的信息化在很大程度上取决于军用仓库管理和军用物资配送的信息化。利用ZigBee无线网络技术的特点，可设计如图6的军用物资调度自动化系统。
 
                         图6  军用物资调度中心系统组成

1．军用仓库管理子系统。射频识别系统即RFID系统，负责进出仓库物资的信息读写工作，根据货物上的RFID标签，获取货物的种类、数量以及在仓库的存放时间或写入入库时间等信息，并通过ZigBee无线网络节点与调度中心交换信息。物资定位系统，从调度中心获取出入库货物的数量和种类信息，实时确定仓库内存货的空间信息，利用ZigBee无线网的物资精确定位（PAL）功能，将货物的存放位置传递给位于仓库终端的工作人员，可以在LED显示牌上指明信息，方便工作人员查看。物资查询系统，仓库内的各种终端（手持或车载或固定的）通过调度中心，查询存货的数量、位置等信息。数据统计系统，统计仓库的各种相关信息。比如，某一段时间内某种货物的出库情况，以便及时补货。物资查询系统与数据统计系统要根据实际情况设置不同的查询和统计权限，以保证军事安全。
2．军用物资调度子系统。运输工具终端即车载终端，在运输车辆上设置显示屏，通过车载的ZigBee无线网络节点与调度中心联系，获取送货地址、最佳行进路线等信息。物资安全系统，通过调度中心获取从射频识别系统中传来的进出货信息，与调度进出货信息进行核对，防止未经允许的货物进出，保证物资与仓库的安全。手持终端系统可以方便仓库工作人员及时获取调度中心的命令和其他一些信息。
3．系统维护管理子系统。负责系统的日常维护，统计和报表打印等功能。
3．3．2   ZigBee无线网络设计
在单个军用仓库内利用ZigBee组建无线网络，采用混合型网络结构。为节省成本，将人员手持和车载的终端设计为简化功能设备（RFD）节点，其余节点为全功能设备（FFD）。目前ZigBee的有效覆盖范围为10－75m，一般都能够满足要求。下图7为模拟示意图，粗实线矩形表示ZigBee网络覆盖范围，细实线矩形表示全功能设备节点，虚线矩形部分表示简化功能设备节点。
 
图7  ZigBee组网示意图

4  结束语
ZigBee所具有的安全性高、可靠性高、功耗低、覆盖区域广、成本低及工作频段灵活的特点非常适合其在军事领域内的应用。利用ZigBee无线组网技术和信息化管理方式来构建军用物资调度中心，基本实现了军用仓库管理和军用物资配送的信息化，大大提高了军事物流的效率和安全性，为实现军事物流的现代化、信息化奠定了基础。

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(本文参加了第五次中国物流学术年会论文评审工作）