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1、泉 州 师 范 学 院毕业论文（设计）题 目 基于无线局域网技术的居民小区电子公告牌系统安全性研究与实现物理与信息工程学院 学 院 通信工程 专 业 0x 级学生姓名 学 号 指导教师 武存江 职 称 高级工程师 完成日期 2012-5-2 教务处 制基于无线局域网技术的居民小区电子公告牌系统安全性研究与实现物理与信息工程学院 通信工程专业 0803070* 谢*指导教师武存江 高级工程师【摘要】 我们本次设计的任务是基于ZigBee协议的无线局域网的居民小区智能公告牌系统的设计与实现，使用Zigbee协议和芯片CC2430将社区或单位的LED公告牌连成网络，构成无线局域网，并显示信息。其中有
2、一个主控站点（连接输入设备）负责发出公告内容，其它公告牌通过无线局域网接收并显示公告信息。本文中我首先介绍所研究课题的背景和研究意义、然后对整个系统的设计所需的硬件设计平台（CC2430射频芯片）、软件设计平台（TI Z-Stack软件架构及开发）、ZigBee协议栈、ZigBee传输模块、显示模块LED显示接口各部分进行简要叙述;然后分别从ZigBee技术在无线局域网中体系结构、安全结构、加密算法等安全方面进行探讨。重点分析系统中AES加解密的配置和实现。【关键字】TI Z-Stack; LED；ZigBee体系结构；安全结构；AES加解密配置和实现目 录第一章 绪论21.1 课题背景与研究
3、意义21.2 设计任务21.3 Zigbee安全性研究2第二章ZigBee无线传感网络32.1 ZigBee无线传感网络概述32.2 ZigBee技术的特点32.3 ZigBee网络节点类型32.4 ZigBee网络拓扑结构4第三章 系统总体设计53.1 系统描述53.2 系统硬件设计平台- CC243053.2 系统软件设计平台- TI Z-Stack软件架构及开发53.3 ZigBee协议栈63.4 ZigBee传输模块73.5 显示模块LED显示接口73.6 ZigBee技术安全7第四章ZigBee协议栈安全体系结构84.1 ZigBee安全体系结构概述84.2 数据链路层安全84.3
4、网络层安全94.4 应用层安全9第五章 系统中AES加密和解密的使用105.1 AES简介105.2 在ZigBee协议栈中AES加解密的配置与实现105.2.1 加解密过程105.2.2 模式设置105.2.3 加载密钥（key）和初始化向量IV105.2.4 填充输入数据115.2.5 CPU处理AES11第六章 总结13致 谢14参考文献15第一章 绪论1.1 课题背景与研究意义伴随着经济的高速发展和城市建设步伐的加快，住宅小区大且住户密集，很多都是高层楼宇，对小区的管理要求越来越高、越来越细致，社区和物业经常需要跟住户沟通，传递信息；当有事情要通知住户时就需要有适当的措施，挨家挨户通知
5、很繁琐，在固定点张贴有可能通知不完全，使用无线电子公告牌不但及时、准确地通知到每一户，通知范围广，不用打扰居民，方便管理与居民的生活；而且相对于传统的张贴广告牌，还起到节能、环保、低碳的效果。利用公告牌播放广告，越来越为商家所青睐。基于无线局域网的电子公告牌能运用于各种场合与环境，灵活方便，与张贴广告牌相比，节约材料和时间，与有线公告牌相比，省去布线，减少了人为布线的繁琐，减少工程量，增加了灵活性，起到了节能、环保、低碳的效果，符合现代快节奏、变化快的生活方式和商业运作模式。无线电子公告牌在生活和商业活动中有着广泛的运用，对其进行研究，使之实用化很有意义。1.2 设计任务本此设计提出了一个基于
6、无线局域网的居民小区智能公告牌系统的方案。从Zigbee协议栈、Zigbee网络安全、zigbee传输模块、LED显示接口、和IAR嵌入式软件开发系统及CC2430/2431程序设计（TI Z-Stack软件架构及开发）这五部阐述居民小区的无线电子公告牌的工作原理和功能。在系统应用的无线通信技术方面，基于各方面考虑，设计方案采用的是具有功耗低、时延小、体积小、成本低、安全性高、灵活性强等优点的ZigBee技术。本次设计的任务是基于无线局域网的居民小区智能公告牌系统的设计与实现，利用ZigBee技术构建无线网络，让控制PC能通过这个无线网络进行LED显示屏上的信息发布。1.3 Zigbee安全性
7、研究ZigBee具备省电、可靠、成本低、容量大、安全等诸多优势，随着ZigBee协议的不断完善和发展，ZigBee技术越来越为人们所认识和接受，逐渐被应用到无线局域网、家庭自动化、智能建筑、工业自动化、水电气的综合抄表系统、智能交通系统、环境和健康监测以及电子玩具等领域。我们本次设计的任务是基于ZIGBEE协议的无线局域网的居民小区智能公告牌系统的设计与实现。为保障无线局域网的正常运行，我们使用ZigBee技术提供可选的安全架构，保证无线局域网络的可靠性。其中我们将重点分析系统中AES加解密的配置和实现。第二章ZigBee无线传感网络2.1 ZigBee无线传感网络概述ZigBee技术是一种新
8、兴的无线传感器网络技术标准，它是在传统无线协议无法适应无线传感器网络低成本、低能量、高容错性等要求的情况下产生的。是当前面向无线传感器网络的技术标准。ZigBee协议标准同其他协议标准一样，是无线传感器网络技术发展的阶段性规范的体现对该项技术的进展起着重要的推动作用。随着无线网scdvbngnhmj.lk/;且该频段为免付款、免申请的无线电频段，在该频段上，数据传输速率为250kbps；另外两个频段为868915MHz，其相应的信道数分别为110个，传输速率分别为2040kbps。2.2 ZigBee技术的特点ZigBee技术是一种支持低成本、低功耗、容量大、安全可靠的无线通信技术。它具有以下
9、主要特点：（1）低成本：ZigBee数据传输速率低，协议简单，可以在计算能力和存储能力很有限的MCU芯片上运行，现有的ZigBeee芯片一般都是基于8051单片机内核的，成本很低，非常适用于对成本要求苛刻的场合。并且ZigBee协议是免专利费的，工作在工业科学医疗(ISM)频段，分别为2.4GHz(全球)、915MHz(美国)和868MHz(欧洲)。（2）低功耗：低功耗是ZigBee最重要的特点之一。由于ZigBeee的传输速率较低，传输数据量较小，而且ZigBee技术采用了多种工作模式，这些工作模式可以有效地对节点的工作和休眠进行配置，从而使得系统在不工作时可以关闭无线设备，极大地降低系统功
10、耗，节约电池能量。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年2左右的使用时间。（3）网络容量大：每个ZigBee网络最多可支持255个节点，加上网络的协调器可以互相连接，整个ZigBee网络节点的数目将十分可观。一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络，理论上可容纳65535个节点。（4）安全性高：ZigBee支持3种安全模式。最高级的安全模式采用属于最高加密标准（AES）的对称密码和公开密钥，可以大大提高数据传输的安全性。同时各个应用程序可以灵活确定其安全属性。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种没备不会意外泄漏其标识，而且网络问数据包的远距离传输不会
11、被其它节点窃取。（5）数据传输可靠：ZigBee采用碰撞避免机制，避免了发送数据时的竞争和冲突。节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在这个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输。另外，ZigBee采用较短的帧格式(128字节)和CRC校验机制来减少无线通信的误码率。（6）传输距离远：两节点间的物理传输范围一般介于10-100米之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1-3千米，并且可以通过路由节点实现通讯接力。2.3 ZigBee网络节点类型ZigBee标准中规定，在一个ZigBee无线网络中一般包含三种设备：协调器、路由器、终端设备。IEEE802.15.4标准中，也定义了两种物理设
12、备类型，分别是全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD），协调器和路由器必须是FFD设备，而终端节点一般情况下为RFD设备。这三种节点类型的定义如下：（1）协调器(Coordinator)一个ZigBee网络，不论采用何种拓扑方式，网络中都需要有一个并且只能有一个协调器节点。该设备是整个网络的核心，负责启动整个网络，选择网络所使用的频率通道，配置网络成员地址，维护网络，维护节点的绑定关系表等。在建立了网络并完成了整个网络的配置后，协调器的工作就像一个路由器(或者消失)，由于ZigBee 网络本身的分布特性，因此接下来整个网络的操作就不在依赖协调器是否存在。（2）路由器(Router)路由器主
13、要实现扩展网络及路由消息的功能。一个ZigBee网络可以有多个路由器，它负责数据的路由与转发，同时作为网络中的潜在父节点，允许容许子节点通过它加入网络，是ZigBee网络进行远距离延伸的关键部件。（3）终端设备(End Device)终端设备节点的主要实现信息的发送和接收。一个终端设备节点通常是由电池供电的，并且当它不处于数据收发状态的时候一般在休眠状态以节省电能。终端节点就像一个末端即不能够转发信息也不能够让其它节点通过它加入网络，不具备成为父节点或路由器的能力，一般作为网络的边缘设备，这种设备只与自己的父节点主动通讯，具体的信息路由则全部交由其父节点及网络中具有路由功能的协调器和路由器完成
14、。2.4 ZigBee网络拓扑结构ZigBee标准中定义了三种网络拓扑形式，分别为星形拓扑、树形拓扑和网状拓扑，如图2-1所示：CoordinatorRouterEnd Device星型网络网状网络网状网络图2-1 几种基本的网络拓扑结构第三章 系统总体设计3.1 系统描述本次设计是基于无线局域网技术的电子公告牌，使用无线局域网技术，利用ISM频段，将社区或单位的公告牌连成网络，构成无线局域网，其中有一个主控站点（连接输入设备）负责发出公告内容，其它公告牌通过无线局域网接收并显示公告信息。本设计使用天运科技的SF-CC2430开发板作为开发平台，它由芯片CC2430、外围电路、JTAG接口电路
15、、天线、电源接口电路、RS232接口电路、外设、JTAG接口电路组成。整个小区公告牌系统可分为：系统硬件设计平台CC2430、系统软件设计平台IAR EW8051集成开发环境、Zigbee协议栈、zigBee传输模块、显示模块LED显示接口、ZigBee网络安全。实物图如图3-1所示。图3-1 电子公告牌的实物图3.2 系统硬件设计平台- GGHHHHHH0本次设计使用天运科技的SF-CC2430开发板作为开发平台，它由芯片CC2430、外围电路、JTAG接口电路、天线、电源接口电路、RS232接口电路、外设、JTAG接口电路组成。而TI/Chipcon公司推出的CC2430片上系统是高度集成的解决方案，具有卓越的射频性能，包括超低功耗、高灵敏度、高抗噪声抗干扰能力；兼容
