Zigbee無線定位系統入門(一)

人腦里單一的神經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元進行了復雜的連接后才構成了這個星球上最復雜的“處理器”——人的大腦。傳感器和神經元一樣，單獨作業的傳感器功能單一，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，比如戰場監控、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絡的新技術。它是一種短距離、　低速率無線網絡技術，是一種介于無線標記技術和BlueTooth（藍牙）之間的技術提案。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的節點數量將從目前不到1百萬個驟增至1億個。

　　Zigbee一詞源自蜜蜂群在發現花粉位置時，通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴，達到交換信息的目的。可以說是一種小的動物通過簡捷的方式實現“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絡通信技術，亦包含此寓意。ZigBee聯盟成立于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聯盟，這一事件成為ZigBee技術的里程碑。到目前為止，加盟ZigBee聯盟的不僅僅只有當初的四大公司，而是涵蓋了IT領域以及其它行業的150多家企業。有了這么多公司的支持，可以毫不夸張地說：“在未來的數年內，從家用電器到玩具、從工廠控制到汽車控制，ZigBee技術將走入我們生活的方方面面。”

　　ZigBee的技術特性決定它將是無線傳感器網絡的最好選擇。

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

　　功耗低。在休眠狀態下耗電量僅僅只有1μW，通信距離短的情況下工作狀態的耗電為30mW，在低耗電待機模式下，兩節普通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勢。WSN的節點對功耗的需求極其苛刻，傳感器節點需要在危險（比如戰場、核輻射）的區域持續工作數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數據傳輸速率低，協議簡單，所以大大降低了成本，這也正是藍牙系統所不具備的。無線傳感器網絡中可以具有成千上萬的節點，如果不能嚴格地控制節點的成本，那么網絡的規模必將受到嚴重的制約，從而將嚴重地制約WSN的強大功能。

　　網絡容量大。每個ZigBee網絡最多可支持65000個節點，也就是說每個ZigBee節點可以與數萬節點相連接。由于WSN的能力很大程度上取決于節點的多少，也就是說可容納的傳感器節點越多，WSN的功能越強大。所以ZigBee的網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，但是可以擴展到數百米，具體依據實際發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境。降低WSN節點的能量消耗和平衡所有節點的能量，有必要縮小節點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的發展。

　　安全。ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，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絡。

　　自動動態組網、自主路由。WSN網絡是動態變化的，無論是節點的能量耗盡，或者節點被敵人俘獲，都能使節點退出網絡，而且網絡的使用者也希望能在需要的時候向已有的網絡中加入新的傳感器節點。這就希望WSN能具有動態組網、自主路由的功能，而ZigBee技術就正好能解決了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技術完全能適應WSN的苛刻要求，因而ZigBee技術是當前最適合WSN的無線通信技術。

　　無線傳感器網絡中的傳感器節點將會在未來數年內以數十億的速度增長，這些數量龐大的傳感器節點將會用ZigBee技術連接起來，而這些傳感器網絡將會和現有的Internet通過IPv6相連接，到了那一天，你可以在數千公里外的地方使用Internet來控制工廠的設備和農場里作物的溫度、濕度，也可以在辦公室里控制家里的家用電器……

　　毫無疑問，ZigBee技術支撐的無線傳感器網絡除了帶來數千億美元的市場外，更重要的是它將會給我們當前的生活帶來巨大的改變。

　　無線監控呼之欲出

　　雖然傳統的模擬監控仍然占據約60％的市場份額，但IP監控（IP Surveillance）的發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。通過網絡傳輸的IP camera監控方式，除了利用有線方式連接，無線應用也開始盛行。在無線校園網建設全面鋪開的今天，無線監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成熟、產品降價，一邊了解一下無線監控的前世今生。

　　下一代監控方式

　　傳輸介質的種類很多。包括有線網絡、2.5G／3G網絡、WLAN網絡、專用無線電等等，各種最需要公眾安全和應急通訊的機構（如醫院、學校、銀行）通過網絡，進行語音／數據／視頻的通訊協作。

　　調查顯示，某些情況下使用有線方式，監控系統的實施成本將遠遠超過購買監控設備所花費的費用。例如，在一個廣闊區域內實施監控系統時，視頻傳輸到遠程監控中心及所有數據的遠程備份，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，在一些傳統電纜很難延伸到的偏僻區域實施監控系統，有線監控更是無能為力。該是無線監控登場的時候了。

　　表1列舉了目前常用的遠程聯網方式。作為有線傳輸的替代手段，Wi－Fi和WiMAX比其他手段更加突出。Wireless Surveillance結合了寬帶無線和網絡數字監控兩種技術，以其價格合理、高性能、安全靈活布局，成為名副其實的“下一代監控方式”。　

　　在技術已臻成熟的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），因此，Wi－Fi多半被應用于建筑物內部；至于傳輸距離可達數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、碼頭等地。

　　在WiMAX未開放之前，現階段安全監控所采用的無線技術規格，都以Wi－Fi和寬帶無線為主。許多寬帶無線技術，也就是“準WiMAX”技術，在國外已不乏成功應用案例。具有WiMAX傳輸技術的安全監控系統，距離普及之日已不遙遠。將WiMAX導入安全監控領域，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控系統的地點可粗分為5種，包括建筑工地、社區、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建立起教育網絡監控系統。這套安全監控系統的兩端，最遠距離達到220公里，單一聯機最遠的距離是30.6公里，整套系統覆蓋區域為14,978平方公里。由于采用區域式網絡，因此在傳輸速率上相當穩定，覆蓋區域內的任意一點，都可達到20余兆的理想速率。目前這套系統除了提供校園網接入外，最主要的目標就是安全監控。

　　帶寬仍是瓶頸

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

　　其實，真正的困難在于兩端之間的聯機方面，尤其是無線技術快速導入安全監控系統后，其帶寬是否夠用更是受到購買者的普遍質疑。

　　目前，雖然安全監控技術有逐漸朝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控系統的MIS人員，必須視實際傳輸路數，來選用無線傳輸技術。現在，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，安全監控的傳輸方式也與一般網絡傳輸不同。平時網際網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。