無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)/Zigbee及RFID融合協(xié)作不完全分析

在無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)架構(gòu)基礎(chǔ)上，為了增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的信息采集和獲取能力，融合了傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的定位感知技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，進(jìn)而成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。它是由大量傳感器結(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)自組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集量化、處理融合和傳輸應(yīng)用是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的重要組成部分之一。在不考慮用戶個(gè)人隱私問(wèn)題的前提下，如何動(dòng)態(tài)獲取用戶的位置信息，而且得到的位置信息必須能夠達(dá)到一定的精確度，一般誤差控制在幾厘米以內(nèi)；如何為用戶積極主動(dòng)地提供各種所需服務(wù)，這些都是定位感知系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)的功能。

可以想象，定位感知系統(tǒng)必須是定位系統(tǒng)與位置系統(tǒng)兩者的緊密結(jié)合，用戶每移動(dòng)到一個(gè)新的位置，系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行精確定位，然后確定這一特定位置的對(duì)象集信息。利用這些信息，定位感知系統(tǒng)能夠積極主動(dòng)地向用戶廣播所能提供的各種信息，從而使用戶能夠有效地選擇自己所需要的信息。

作為一項(xiàng)基于IEEE 802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的安全網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigBee有希望讓無(wú)線傳感器出現(xiàn)在各種應(yīng)用中：從工廠的自動(dòng)化系統(tǒng)到家庭保安系統(tǒng)和消費(fèi)電子產(chǎn)品。在最近才得到批準(zhǔn)的802.15.4標(biāo)準(zhǔn)配合下，ZigBee將普通小型電池的使用壽命延長(zhǎng)到了幾年時(shí)間。人們預(yù)測(cè)，ZigBee設(shè)備還將十分便宜，一些人估計(jì)，它的銷售價(jià)格最終不到3美元。以如此之低的價(jià)格，它們將會(huì)非常適用于無(wú)線電燈開(kāi)關(guān)、無(wú)線調(diào)溫器和煙感探測(cè)器，成為包圍辦公室、家庭和交通工具的無(wú)線設(shè)備的流行趨勢(shì)，而建立自動(dòng)化傳輸房門、水表、攝像、自動(dòng)售貨機(jī)和火警等系統(tǒng)信息的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將成為其最大的市場(chǎng)空間。

ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4，這是IEEE無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（Personal Area Network，PAN）工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。802.15.4的MAC層基于802.11無(wú)線LAN標(biāo)準(zhǔn)，但是它的物理層與流行的802.11b物理層相似。它可工作于三個(gè)不同的波段，每個(gè)波段都提供了一種不同的峰值數(shù)據(jù)速率。不過(guò)多數(shù)應(yīng)用僅使用峰值速率的一部分。例如，時(shí)鐘每周才查詢一次NTP（網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議）服務(wù)器，而安全措施良好的建筑物中防盜警報(bào)可能若干年都不傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)。由于ZigBee的傳輸較少，因此它對(duì)已使用同一頻率的其他無(wú)線技術(shù)的干擾非常小。

場(chǎng)景三：面對(duì)超市里顧客排起的長(zhǎng)隊(duì)，收銀員用手持設(shè)備不停地掃描著顧客購(gòu)買的商品，時(shí)常遇到一件又一件“掃”不出來(lái)的貨物，這時(shí)就不得不手工輸入冗長(zhǎng)的商品序列號(hào)，此時(shí)在長(zhǎng)長(zhǎng)的隊(duì)列中又不時(shí)發(fā)出顧客不耐煩的埋怨聲……然而有了RFID，你只需掏出手機(jī)，閱讀出商品的代碼，然后通過(guò)手機(jī)的移動(dòng)電子商務(wù)付費(fèi)系統(tǒng)向商家付賬。同時(shí)，商家確認(rèn)所購(gòu)買商品的記錄后，顧客不必經(jīng)歷上述排隊(duì)等購(gòu)物環(huán)節(jié)就可以輕松自由地離開(kāi)了。

部署信息節(jié)點(diǎn)

有了無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)，同時(shí)構(gòu)建了無(wú)線定位感知系統(tǒng)，再加上RFID的小小標(biāo)簽，我們或許就可以享受無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)了，然而RFID能否為普適計(jì)算找到大眾應(yīng)用的切入點(diǎn)呢？我們不妨試想一下，如果將手機(jī)做成RFID的閱讀器，那么它的用途將會(huì)有多大？另外，RFID的大規(guī)模商用時(shí)代到來(lái)，會(huì)給我們帶來(lái)什么。

RFID（無(wú)線射頻識(shí)別，Radio Frequency Identification）是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。最簡(jiǎn)單的RFID系統(tǒng)由標(biāo)簽（Tag）、閱讀器（Reader）和天線（Antenna）三部分組成——在實(shí)際應(yīng)用中還需要其他硬件和軟件的支持。其工作原理并不復(fù)雜：標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息（Passive Tag，無(wú)源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽），或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)（Active Tag，有源標(biāo)簽或主動(dòng)標(biāo)簽），閱讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

RFID技術(shù)無(wú)疑給構(gòu)建無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)一次革命機(jī)遇。RFID可以為每一件貨品提供單獨(dú)的識(shí)別身份，然后透過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸讓計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)掌握各式各樣貨品的詳細(xì)信息。這樣在商品從生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)戒N售的過(guò)程中，供應(yīng)商、商家和用戶都可以從這些重要的數(shù)據(jù)中受益（例如，商家和供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信息交換，從而使采購(gòu)、倉(cāng)儲(chǔ)、配送過(guò)程更加便捷，同時(shí)也方便了用戶）。另外，網(wǎng)絡(luò)用戶只需將手機(jī)等手持設(shè)備接近RFID標(biāo)簽，就可以快速讀取標(biāo)簽的代碼和內(nèi)容，手持移動(dòng)終端可以隨時(shí)接入互聯(lián)網(wǎng)，并利用讀出的標(biāo)簽代碼在移動(dòng)電子商務(wù)服務(wù)平臺(tái)中迅速查找相關(guān)的信息，并將結(jié)果顯示在移動(dòng)終端屏幕上，以此為用戶帶來(lái)各種各樣的便利服務(wù)。例如，它可以為你提供商品信息服務(wù)，你還可以把讀取的商品代碼發(fā)送給移動(dòng)電子商務(wù)服務(wù)平臺(tái)，然后會(huì)得到許多相關(guān)信息，如可以告知你附近的商店同類商品的價(jià)格以進(jìn)行比較判斷該商場(chǎng)的價(jià)格是否合理。

再設(shè)想一下，當(dāng)你漫步在街頭，看到一幅讓你心動(dòng)的商品廣告，這時(shí)只需拿出手機(jī)，閱讀商品的RFID標(biāo)簽，由此獲得詳細(xì)的商品信息：功能特性、性能指標(biāo)、價(jià)格指數(shù)、定購(gòu)辦法等一目了然。假如你喜歡的話，只需輸入銀行的賬戶密碼，幾次按鍵輕松完成網(wǎng)上訂購(gòu)過(guò)程，等你回家之后，新款商品已經(jīng)等在家門口。另外，你也可以將喜歡的商品推薦給自己的朋友，輕按鍵盤(pán)，包含詳細(xì)商品信息的電子郵件就迅捷到達(dá)。

無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅猛，前景廣闊，但有些問(wèn)題仍困擾著我們，比如各種嵌入式小器件的發(fā)明與應(yīng)用、各種定位技術(shù)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)、RFID標(biāo)簽自身成本較高、如何保證購(gòu)買者的個(gè)人穩(wěn)私、標(biāo)準(zhǔn)能否統(tǒng)一等問(wèn)題。

融合背后的思考

可以預(yù)測(cè): 無(wú)需維護(hù)、具有無(wú)限生命周期的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與RFID、無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)合在一起，將實(shí)現(xiàn)高效及時(shí)的關(guān)鍵信息提交。但我們同時(shí)要了解的是，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同于傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（如WLAN和蜂窩移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)），除了少數(shù)節(jié)點(diǎn)以外，大部分節(jié)點(diǎn)都無(wú)法時(shí)常更新電源，因此設(shè)計(jì)有效的策略延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問(wèn)題。

研究初期，人們一度認(rèn)為成熟的Internet技術(shù)加上Ad-hoc路由機(jī)制對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是足夠充分的，但深入的研究表明：傳感器網(wǎng)絡(luò)有著與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)明顯不同的技術(shù)要求，前者以數(shù)據(jù)為中心，后者以傳輸數(shù)據(jù)為目的。為了適應(yīng)廣泛的應(yīng)用程序，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)遵循著端到端的邊緣論思想，強(qiáng)調(diào)將一切與功能相關(guān)的處理都放在網(wǎng)絡(luò)的端系統(tǒng)上，中間節(jié)點(diǎn)僅僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)。對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)，這未必是一種合理的選擇。一些為自組織的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的協(xié)議和算法，未必適合傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和應(yīng)用的要求。節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)（如地址等）的作用在傳感器網(wǎng)絡(luò)中不十分重要，因?yàn)閼?yīng)用程序不怎么關(guān)心單節(jié)點(diǎn)上的信息；中間節(jié)點(diǎn)上與具體應(yīng)用相關(guān)的數(shù)據(jù)處理、融合和緩存卻顯得很有必要。在密集性的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離非常短，低功耗的多跳通信模式節(jié)省功耗，同時(shí)增加了通信的隱蔽性，避免了長(zhǎng)距離無(wú)線通信易受外噪聲干擾的影響。這些獨(dú)特的要求和制約因素為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究提出了新的技術(shù)問(wèn)題。

更嚴(yán)峻的問(wèn)題是時(shí)鐘同步，顯然，無(wú)所不在的信息網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)鐘同步的要求明顯高于傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。它與實(shí)際的物理環(huán)境聯(lián)系密切，所以必須采用物理時(shí)鐘同步，無(wú)法使用相對(duì)簡(jiǎn)單的邏輯時(shí)鐘。而無(wú)線傳感器要求必須采用低能耗工作，時(shí)間同步的數(shù)據(jù)交換受到限制，同時(shí)無(wú)線媒介連接方式不可靠，Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)不易用傳統(tǒng)的時(shí)間同步方法。

盡管難題重重，但微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)在不斷發(fā)展，微處理芯片的網(wǎng)絡(luò)功能會(huì)得到進(jìn)一步加強(qiáng)，智能傳感器和無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合也會(huì)更加容易。應(yīng)用高性能的嵌入式處理器之后，信息網(wǎng)絡(luò)的功能也會(huì)越來(lái)越強(qiáng)，我們可以相信，在不久的將來(lái)，人類周圍將是無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò)。

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