Zigbee无线定位系统入门(一)

Zigbee无线定位系统入门(一)

人脑里单一的神经元具有的感知能力是很有限的，他们不具有极高的处理信息的能力，但正是这许多单一的神经元进行了复杂的连接后才构成了这个星球上最复杂的“处理器”——人的大脑。传感器和神经元一样，单独作业的传感器功能单一，可要是把这许多的传感器有序地连接在一起，那么它的功能将会是极其强大的。无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，以下简称WSN）的目的就在于让这个传感器的集合具有这种可预见的强大的能力，比如战场监控、灾害预警、工厂设备的控制、家庭自动化等等。

　　目前，Zigbee是部署无线传感器网络的新技术。它是一种短距离、　低速率无线网络技术，是一种介于无线标记技术和BlueTooth（蓝牙）之间的技术提案。在标准林立的短距离无线通信领域，可以说，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。观察家们预计，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。

　　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。人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术，亦包含此寓意。ZigBee联盟成立于2001年8月，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。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150多家企业。有了这么多公司的支持，可以毫不夸张地说：“在未来的数年内，从家用电器到玩具、从工厂控制到汽车控制，ZigBee技术将走入我们生活的方方面面。”

　　ZigBee的技术特性决定它将是无线传感器网络的最好选择。

　　数据传输速率低。只有10kb／s～250kb／s，专注于低传输应用。无线传感器网络不传输语音、视频之类的大数据量的采集数据，仅仅传输一些采集到的温度、湿度之类的数据，所以WSN对传输速率的需要不是那么高。

　　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号干电池可使用6个月以上。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。WSN的节点对功耗的需求极其苛刻，传感器节点需要在危险（比如战场、核辐射）的区域持续工作数年而不更换供电单元。ZigBee的耗电符合这一需求。

　　成本低。因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本，这也正是蓝牙系统所不具备的。无线传感器网络中可以具有成千上万的节点，如果不能严格地控制节点的成本，那么网络的规模必将受到严重的制约，从而将严重地制约WSN的强大功能。

　　网络容量大。每个ZigBee网络最多可支持65000个节点，也就是说每个ZigBee节点可以与数万节点相连接。由于WSN的能力很大程度上取决于节点的多少，也就是说可容纳的传感器节点越多，WSN的功能越强大。所以ZigBee的网络容量大的特点非常符合WSN的需要。

　　有效范围小。有效覆盖范围在10～75m之间，但是可以扩展到数百米，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。降低WSN节点的能量消耗和平衡所有节点的能量，有必要缩小节点RF模块的覆盖范围。

　　工作频段灵活。使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为免执照频段，具有16个扩频通信信道。相应的，WSN采取2.4GHZ工作频段的特性将会更有利于WSN的发展。

　　安全。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。这一安全特性能很好地适应军事需要的无线传感器网络。

　　自动动态组网、自主路由。WSN网络是动态变化的，无论是节点的能量耗尽，或者节点被敌人俘获，都能使节点退出网络，而且网络的使用者也希望能在需要的时候向已有的网络中加入新的传感器节点。这就希望WSN能具有动态组网、自主路由的功能，而ZigBee技术就正好能解决了WSN的这一需要。

　　诞生于1998年的BlueTooth（蓝牙）无线技术正是因为没有以上所述ZigBee的特性，由于复杂、高成本、低传输距离等原因而不能应用在WSN上。但是ZigBee技术完全能适应WSN的苛刻要求，因而ZigBee技术是当前最适合WSN的无线通信技术。

　　无线传感器网络中的传感器节点将会在未来数年内以数十亿的速度增长，这些数量庞大的传感器节点将会用ZigBee技术连接起来，而这些传感器网络将会和现有的Internet通过IPv6相连接，到了那一天，你可以在数千公里外的地方使用Internet来控制工厂的设备和农场里作物的温度、湿度，也可以在办公室里控制家里的家用电器……

　　毫无疑问，ZigBee技术支撑的无线传感器网络除了带来数千亿美元的市场外，更重要的是它将会给我们当前的生活带来巨大的改变。

　　无线监控呼之欲出

　　虽然传统的模拟监控仍然占据约60％的市场份额，但IP监控（IP Surveillance）的发展势头谁都无法回避：短短2年间就已囊括将近一半的市占率。通过网络传输的IP camera监控方式，除了利用有线方式连接，无线应用也开始盛行。在无线校园网建设全面铺开的今天，无线监控使一些学校跃跃欲试，但其高额设备成本又让他们望而却步。没关系，让我们一边等着技术成熟、产品降价，一边了解一下无线监控的前世今生。

　　下一代监控方式

　　传输介质的种类很多。包括有线网络、2.5G／3G网络、WLAN网络、专用无线电等等，各种最需要公众安全和应急通讯的机构（如医院、学校、银行）通过网络，进行语音／数据／视频的通讯协作。

　　调查显示，某些情况下使用有线方式，监控系统的实施成本将远远超过购买监控设备所花费的费用。例如，在一个广阔区域内实施监控系统时，视频传输到远程监控中心及所有数据的远程备份，都是一笔庞大的开支，维护成本更是惊人。即便抛开成本不谈，在一些传统电缆很难延伸到的偏僻区域实施监控系统，有线监控更是无能为力。该是无线监控登场的时候了。

　　表1列举了目前常用的远程联网方式。作为有线传输的替代手段，Wi－Fi和WiMAX比其他手段更加突出。Wireless Surveillance结合了宽带无线和网络数字监控两种技术，以其价格合理、高性能、安全灵活布局，成为名副其实的“下一代监控方式”。　

　　在技术已臻成熟的Wi－Fi之外，无线宽带，包括intel力推的WiMAX也开始被导入。此二者因传输距离不同，而在安全监控领域有着不同的应用。由于Wi－Fi的传输距离较短（802.11b在100米、802.11g在30米之内），因此，Wi－Fi多半被应用于建筑物内部；至于传输距离可达数十公里的无线宽带和WiMAX，多被使用在户外，例如高速公路沿线、学校校区、码头等地。

　　在WiMAX未开放之前，现阶段安全监控所采用的无线技术规格，都以Wi－Fi和宽带无线为主。许多宽带无线技术，也就是“准WiMAX”技术，在国外已不乏成功应用案例。具有WiMAX传输技术的安全监控系统，距离普及之日已不遥远。将WiMAX导入安全监控领域，将是厂商拓展市场最有效的方法之一。

　　国外使用宽带无线作为传输安全监控系统的地点可粗分为5种，包括建筑工地、社区、高速公路、油管电路、街道等。这些场所之所以采用宽带无线传输，是因为考虑到布线成本、长距离高带宽的图像传输、对恶劣环境的抵抗力、可同时进行一对多点的存取等等。

　　加拿大的艾伯塔省，就已通过宽带无线网建立起教育网络监控系统。这套安全监控系统的两端，最远距离达到220公里，单一联机最远的距离是30.6公里，整套系统覆盖区域为14,978平方公里。由于采用区域式网络，因此在传输速率上相当稳定，覆盖区域内的任意一点，都可达到20余兆的理想速率。目前这套系统除了提供校园网接入外，最主要的目标就是安全监控。

　　带宽仍是瓶颈

　　过去，设限于摄像头功能，大家对安全监控的影像画质无法要求太高，但是随着设备与影音压缩技术的快速进步，不仅影像画素提升很快，主机端的处理效能也不成问题。大多数网络摄像机采用先进的MPEG－4压缩技术，可以提供更高压缩率和更低的网络带宽要求。所以尽管无线带宽非常有限，网络摄像机如CAM－6200产品，仍然可以传输出比M－JPEG产品更优质及连续的影像画面来。

　　其实，真正的困难在于两端之间的联机方面，尤其是无线技术快速导入安全监控系统后，其带宽是否够用更是受到购买者的普遍质疑。

　　目前，虽然安全监控技术有逐渐朝H。264靠拢的迹象，但是主流格式仍为MPEG4。以目前MPEG4的压缩比来看，终端摄像机要将每秒30桢图像顺畅地传送到后端主机，其带宽大约要11.2M左右，而且这是在处于单点对单点的状况下。如果是多点对单点，带宽还要再往上加。因此，有意采购无线安全监控系统的MIS人员，必须视实际传输路数，来选用无线传输技术。现在，较好的宽带无线设备可以提供200M以上的传输带宽，普通的只能提供6M左右。

　　此外，安全监控的传输方式也与一般网络传输不同。平时网际网络的应用是下载多而上传少，因此多采用ADSL的不对等传输方式，但是安全监控恰恰相反，终端的摄影机必须24小时不间断地将影像送回主机，因此是上传多而下载少，这点也是MIS人员必须注意之处。