Zigbee無線定位系統(tǒng)入門(一)

Zigbee無線定位系統(tǒng)入門(一)

人腦里單一的神經(jīng)元具有的感知能力是很有限的，他們不具有極高的處理信息的能力，但正是這許多單一的神經(jīng)元進行了復雜的連接后才構(gòu)成了這個星球上最復雜的“處理器”——人的大腦。傳感器和神經(jīng)元一樣，單獨作業(yè)的傳感器功能單一，可要是把這許多的傳感器有序地連接在一起，那么它的功能將會是極其強大的。無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks，以下簡稱WSN）的目的就在于讓這個傳感器的集合具有這種可預見的強大的能力，比如戰(zhàn)場監(jiān)控、災害預警、工廠設備的控制、家庭自動化等等。

　　目前，Zigbee是部署無線傳感器網(wǎng)絡的新技術(shù)。它是一種短距離、　低速率無線網(wǎng)絡技術(shù)，是一種介于無線標記技術(shù)和BlueTooth（藍牙）之間的技術(shù)提案。在標準林立的短距離無線通信領域，可以說，Zigbee的快速發(fā)展是令人始料不及的。從2004年底標準確立，到2005年底，相關芯片及終端設備總共賣出了1500億美元。觀察家們預計，到2008年，ZigBee的節(jié)點數(shù)量將從目前不到1百萬個驟增至1億個。

　　Zigbee一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時，通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴，達到交換信息的目的?？梢哉f是一種小的動物通過簡捷的方式實現(xiàn)“無線”的溝通。人們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近程無線網(wǎng)絡通信技術(shù)，亦包含此寓意。ZigBee聯(lián)盟成立于2001年8月，2002年下半年，英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導體公司等四大公司加盟ZigBee聯(lián)盟，這一事件成為ZigBee技術(shù)的里程碑。到目前為止，加盟ZigBee聯(lián)盟的不僅僅只有當初的四大公司，而是涵蓋了IT領域以及其它行業(yè)的150多家企業(yè)。有了這么多公司的支持，可以毫不夸張地說：“在未來的數(shù)年內(nèi)，從家用電器到玩具、從工廠控制到汽車控制，ZigBee技術(shù)將走入我們生活的方方面面?！?

　　ZigBee的技術(shù)特性決定它將是無線傳感器網(wǎng)絡的最好選擇。

　　數(shù)據(jù)傳輸速率低。只有10kb／s～250kb／s，專注于低傳輸應用。無線傳感器網(wǎng)絡不傳輸語音、視頻之類的大數(shù)據(jù)量的采集數(shù)據(jù)，僅僅傳輸一些采集到的溫度、濕度之類的數(shù)據(jù)，所以WSN對傳輸速率的需要不是那么高。

　　功耗低。在休眠狀態(tài)下耗電量僅僅只有1μW，通信距離短的情況下工作狀態(tài)的耗電為30mW，在低耗電待機模式下，兩節(jié)普通5號干電池可使用6個月以上。這也是ZigBee的支持者所一直引以為豪的獨特優(yōu)勢。WSN的節(jié)點對功耗的需求極其苛刻，傳感器節(jié)點需要在危險（比如戰(zhàn)場、核輻射）的區(qū)域持續(xù)工作數(shù)年而不更換供電單元。ZigBee的耗電符合這一需求。

　　成本低。因為ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本，這也正是藍牙系統(tǒng)所不具備的。無線傳感器網(wǎng)絡中可以具有成千上萬的節(jié)點，如果不能嚴格地控制節(jié)點的成本，那么網(wǎng)絡的規(guī)模必將受到嚴重的制約，從而將嚴重地制約WSN的強大功能。

　　網(wǎng)絡容量大。每個ZigBee網(wǎng)絡最多可支持65000個節(jié)點，也就是說每個ZigBee節(jié)點可以與數(shù)萬節(jié)點相連接。由于WSN的能力很大程度上取決于節(jié)點的多少，也就是說可容納的傳感器節(jié)點越多，WSN的功能越強大。所以ZigBee的網(wǎng)絡容量大的特點非常符合WSN的需要。

　　有效范圍小。有效覆蓋范圍在10～75m之間，但是可以擴展到數(shù)百米，具體依據(jù)實際發(fā)射功率的大小和各種不同的應用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。降低WSN節(jié)點的能量消耗和平衡所有節(jié)點的能量，有必要縮小節(jié)點RF模塊的覆蓋范圍。

　　工作頻段靈活。使用的頻段分別為2.4GHz、868MHz（歐洲）及915MHz（美國），均為免執(zhí)照頻段，具有16個擴頻通信信道。相應的，WSN采取2.4GHZ工作頻段的特性將會更有利于WSN的發(fā)展。

　　安全。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，硬件本身支持CRC和　AES－128。這一安全特性能很好地適應軍事需要的無線傳感器網(wǎng)絡。

　　自動動態(tài)組網(wǎng)、自主路由。WSN網(wǎng)絡是動態(tài)變化的，無論是節(jié)點的能量耗盡，或者節(jié)點被敵人俘獲，都能使節(jié)點退出網(wǎng)絡，而且網(wǎng)絡的使用者也希望能在需要的時候向已有的網(wǎng)絡中加入新的傳感器節(jié)點。這就希望WSN能具有動態(tài)組網(wǎng)、自主路由的功能，而ZigBee技術(shù)就正好能解決了WSN的這一需要。

　　誕生于1998年的BlueTooth（藍牙）無線技術(shù)正是因為沒有以上所述ZigBee的特性，由于復雜、高成本、低傳輸距離等原因而不能應用在WSN上。但是ZigBee技術(shù)完全能適應WSN的苛刻要求，因而ZigBee技術(shù)是當前最適合WSN的無線通信技術(shù)。

　　無線傳感器網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點將會在未來數(shù)年內(nèi)以數(shù)十億的速度增長，這些數(shù)量龐大的傳感器節(jié)點將會用ZigBee技術(shù)連接起來，而這些傳感器網(wǎng)絡將會和現(xiàn)有的Internet通過IPv6相連接，到了那一天，你可以在數(shù)千公里外的地方使用Internet來控制工廠的設備和農(nóng)場里作物的溫度、濕度，也可以在辦公室里控制家里的家用電器……

　　毫無疑問，ZigBee技術(shù)支撐的無線傳感器網(wǎng)絡除了帶來數(shù)千億美元的市場外，更重要的是它將會給我們當前的生活帶來巨大的改變。

　　無線監(jiān)控呼之欲出

　　雖然傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控仍然占據(jù)約60％的市場份額，但IP監(jiān)控（IP Surveillance）的發(fā)展勢頭誰都無法回避：短短2年間就已囊括將近一半的市占率。通過網(wǎng)絡傳輸?shù)腎P camera監(jiān)控方式，除了利用有線方式連接，無線應用也開始盛行。在無線校園網(wǎng)建設全面鋪開的今天，無線監(jiān)控使一些學校躍躍欲試，但其高額設備成本又讓他們望而卻步。沒關系，讓我們一邊等著技術(shù)成熟、產(chǎn)品降價，一邊了解一下無線監(jiān)控的前世今生。

　　下一代監(jiān)控方式

　　傳輸介質(zhì)的種類很多。包括有線網(wǎng)絡、2.5G／3G網(wǎng)絡、WLAN網(wǎng)絡、專用無線電等等，各種最需要公眾安全和應急通訊的機構(gòu)（如醫(yī)院、學校、銀行）通過網(wǎng)絡，進行語音／數(shù)據(jù)／視頻的通訊協(xié)作。

　　調(diào)查顯示，某些情況下使用有線方式，監(jiān)控系統(tǒng)的實施成本將遠遠超過購買監(jiān)控設備所花費的費用。例如，在一個廣闊區(qū)域內(nèi)實施監(jiān)控系統(tǒng)時，視頻傳輸?shù)竭h程監(jiān)控中心及所有數(shù)據(jù)的遠程備份，都是一筆龐大的開支，維護成本更是驚人。即便拋開成本不談，在一些傳統(tǒng)電纜很難延伸到的偏僻區(qū)域?qū)嵤┍O(jiān)控系統(tǒng)，有線監(jiān)控更是無能為力。該是無線監(jiān)控登場的時候了。

　　表1列舉了目前常用的遠程聯(lián)網(wǎng)方式。作為有線傳輸?shù)奶娲侄?，Wi－Fi和WiMAX比其他手段更加突出。Wireless Surveillance結(jié)合了寬帶無線和網(wǎng)絡數(shù)字監(jiān)控兩種技術(shù)，以其價格合理、高性能、安全靈活布局，成為名副其實的“下一代監(jiān)控方式”。　

　　在技術(shù)已臻成熟的Wi－Fi之外，無線寬帶，包括intel力推的WiMAX也開始被導入。此二者因傳輸距離不同，而在安全監(jiān)控領域有著不同的應用。由于Wi－Fi的傳輸距離較短（802.11b在100米、802.11g在30米之內(nèi)），因此，Wi－Fi多半被應用于建筑物內(nèi)部；至于傳輸距離可達數(shù)十公里的無線寬帶和WiMAX，多被使用在戶外，例如高速公路沿線、學校校區(qū)、碼頭等地。

　　在WiMAX未開放之前，現(xiàn)階段安全監(jiān)控所采用的無線技術(shù)規(guī)格，都以Wi－Fi和寬帶無線為主。許多寬帶無線技術(shù)，也就是“準WiMAX”技術(shù)，在國外已不乏成功應用案例。具有WiMAX傳輸技術(shù)的安全監(jiān)控系統(tǒng)，距離普及之日已不遙遠。將WiMAX導入安全監(jiān)控領域，將是廠商拓展市場最有效的方法之一。

　　國外使用寬帶無線作為傳輸安全監(jiān)控系統(tǒng)的地點可粗分為5種，包括建筑工地、社區(qū)、高速公路、油管電路、街道等。這些場所之所以采用寬帶無線傳輸，是因為考慮到布線成本、長距離高帶寬的圖像傳輸、對惡劣環(huán)境的抵抗力、可同時進行一對多點的存取等等。

　　加拿大的艾伯塔省，就已通過寬帶無線網(wǎng)建立起教育網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)。這套安全監(jiān)控系統(tǒng)的兩端，最遠距離達到220公里，單一聯(lián)機最遠的距離是30.6公里，整套系統(tǒng)覆蓋區(qū)域為14,978平方公里。由于采用區(qū)域式網(wǎng)絡，因此在傳輸速率上相當穩(wěn)定，覆蓋區(qū)域內(nèi)的任意一點，都可達到20余兆的理想速率。目前這套系統(tǒng)除了提供校園網(wǎng)接入外，最主要的目標就是安全監(jiān)控。

　　帶寬仍是瓶頸

　　過去，設限于攝像頭功能，大家對安全監(jiān)控的影像畫質(zhì)無法要求太高，但是隨著設備與影音壓縮技術(shù)的快速進步，不僅影像畫素提升很快，主機端的處理效能也不成問題。大多數(shù)網(wǎng)絡攝像機采用先進的MPEG－4壓縮技術(shù)，可以提供更高壓縮率和更低的網(wǎng)絡帶寬要求。所以盡管無線帶寬非常有限，網(wǎng)絡攝像機如CAM－6200產(chǎn)品，仍然可以傳輸出比M－JPEG產(chǎn)品更優(yōu)質(zhì)及連續(xù)的影像畫面來。

　　其實，真正的困難在于兩端之間的聯(lián)機方面，尤其是無線技術(shù)快速導入安全監(jiān)控系統(tǒng)后，其帶寬是否夠用更是受到購買者的普遍質(zhì)疑。

　　目前，雖然安全監(jiān)控技術(shù)有逐漸朝H。264靠攏的跡象，但是主流格式仍為MPEG4。以目前MPEG4的壓縮比來看，終端攝像機要將每秒30楨圖像順暢地傳送到后端主機，其帶寬大約要11.2M左右，而且這是在處于單點對單點的狀況下。如果是多點對單點，帶寬還要再往上加。因此，有意采購無線安全監(jiān)控系統(tǒng)的MIS人員，必須視實際傳輸路數(shù)，來選用無線傳輸技術(shù)?，F(xiàn)在，較好的寬帶無線設備可以提供200M以上的傳輸帶寬，普通的只能提供6M左右。

　　此外，安全監(jiān)控的傳輸方式也與一般網(wǎng)絡傳輸不同。平時網(wǎng)際網(wǎng)絡的應用是下載多而上傳少，因此多采用ADSL的不對等傳輸方式，但是安全監(jiān)控恰恰相反，終端的攝影機必須24小時不間斷地將影像送回主機，因此是上傳多而下載少，這點也是MIS人員必須注意之處。