文/劉琰

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)安防系統(tǒng)中所采用的視頻監(jiān)控系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)以及報警系統(tǒng)等都是基于有線通信，包括數(shù)字或模擬視頻傳輸、IP網(wǎng)絡(luò)報文傳輸、串口碼流傳輸、開關(guān)和模擬量傳輸?shù)葍?nèi)容。有線設(shè)備由于安裝和布線成本高昂，施工和部署費用已經(jīng)成為安防系統(tǒng)建設(shè)中最主要的成本來源之一。另外，設(shè)備終端必須使用線纜連接，這在很大程度上限制了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的靈活性和設(shè)備的可移動性，在一些特殊的應(yīng)用環(huán)境，如旋轉(zhuǎn)、移動的監(jiān)測對象，或工作于強腐、高危性環(huán)境下，或者需要小范圍、高密度部署監(jiān)測點時，以及需要快速臨時搭建監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的場合，有線組網(wǎng)都很難滿足需求。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量靜止或移動的廉價微型傳感器節(jié)點，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的所有者。與有線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，具有成本低、功耗小、靈活性強、可靠性高的特點。而且無線傳感器通常不采用外接電源的方式，而是靠自身攜帶的電池供電，可以長期放置在荒蕪地區(qū)或高危環(huán)境，用于監(jiān)測環(huán)境變量，可以大量節(jié)約部署和維護的資金與人力成本。廣泛應(yīng)用在軍事、航空、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議發(fā)展經(jīng)歷了幾個階段，日趨成熟。在研究初期，人們一直認為成熟的Internet技術(shù)加上自組織路由機制對傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計是足夠的，但后續(xù)的研究卻表明，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：傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以傳輸數(shù)據(jù)為目的，是以地址為中心的網(wǎng)絡(luò)；而傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。于是出現(xiàn)了無線局域網(wǎng)（WLAN）和藍牙（Bluetooth）等無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，推動了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

ZigBee技術(shù)

藍牙是當前最廣泛應(yīng)用的短距離無線通信技術(shù)，盡管其有許多優(yōu)點，但對工業(yè)自動化控制和安防監(jiān)控領(lǐng)域而言，藍牙技術(shù)存在復雜性高、功耗大、距離近、組網(wǎng)規(guī)模太小等缺點。而且，對于工業(yè)級監(jiān)控現(xiàn)場，無線傳輸必須是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場的各種電磁干擾。經(jīng)過人們長期努力，ZigBee協(xié)議在2003年正式問世。

ZigBee譯為“紫蜂”，這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）等。ZigBee技術(shù)并不是完全獨有、全新的標準，它的物理層和MAC層采用了IEEE802.15.4的協(xié)議標準。但ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上進行了完善和擴展，并制定了上層協(xié)議規(guī)范，并負責高層應(yīng)用、測試和市場推廣等方面的工作。先后推出了ZigBee 2004，ZigBee 2006，ZigBee 2007/ZigBee PRO等版本。

ZigBee技術(shù)具有如下的技術(shù)特點：

數(shù)據(jù)傳輸速率低。只有10～250Kb/s，專注于低傳輸速率應(yīng)用，適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，不適合傳輸語音、視頻等的大數(shù)據(jù)量內(nèi)容。

功耗低。在非工作模式時，ZigBee節(jié)點處于休眠模式，耗電量僅僅只有1μW。ZigBee節(jié)點的電池工作時間可以長達6個月到2年左右。ZigBee技術(shù)在協(xié)議上對電池使用也作了優(yōu)化，對于某些典型應(yīng)用，堿性電池甚至可以使用數(shù)年。

數(shù)據(jù)傳輸可靠。ZigBee的MAC層采用雙向確認的CSMA-CA碰撞避免機制以提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃?。同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，針對時延敏感的應(yīng)用也做了優(yōu)化，通信時延和休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。

網(wǎng)絡(luò)容量大。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，整個網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超過65000個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，再加上各個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可互相連接，整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)目將十分可觀。

射頻技術(shù)先進。ZigBee使用工業(yè)科學醫(yī)療（ISM）頻段：915MHz（美國），868MHz（歐洲），2.4GHz（全球）。這三個頻帶的擴頻都使用直接序列擴頻（DSSS），調(diào)制方式都用了調(diào)相技術(shù)，868MHz和915MHz頻段采用的是BPSK，而2.4GHz頻段采用的是OQPSK。在發(fā)射功率為0dBm的情況下，藍牙通常能有10米的作用范圍，而ZigBee在室內(nèi)通常能達到30-50米的作用距離，在室外空曠地帶甚至可以達到400米。

自動動態(tài)組網(wǎng)、自主路由。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是動態(tài)變化的，無論是節(jié)點的能量耗盡，或者節(jié)點損壞，都能使節(jié)點退出網(wǎng)絡(luò)而不影響剩余節(jié)點的通信。新的節(jié)點加入后也能自動搜素和獲得報文轉(zhuǎn)發(fā)路由。

安全性。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，在數(shù)據(jù)傳輸中提供了接入控制清單（ACL）和高級加密標準（AES）的對稱密碼加密功能來保護數(shù)據(jù)凈荷和防止非法器件獲取數(shù)據(jù)。

成本低。Zigbee模塊的成本在數(shù)美元左右，預(yù)計很快就能降到1美元～2美元，且ZigBee協(xié)議免專利費用。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

ZigBee技術(shù)具有強大的組網(wǎng)能力，支持星型、簇狀型、網(wǎng)狀型3種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)，如圖1所示，每種網(wǎng)絡(luò)都有各自的優(yōu)點。

網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)從源節(jié)點到達目的節(jié)點可以有多條路徑，路徑的冗余加強了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，如果原先的路徑出現(xiàn)了問題，比如受到干擾，或者其中一個中間節(jié)點出現(xiàn)了故障，ZigBee可以切換到另一條路徑。另外，該拓撲結(jié)構(gòu)還可以組成極為復雜的網(wǎng)絡(luò)，具有很大的路由深度和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點規(guī)模，并具備自組織、自愈功能，從而降低了網(wǎng)絡(luò)的維護成本。因此，在工業(yè)監(jiān)測和安防監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中通常采用網(wǎng)狀型結(jié)構(gòu)。

圖1：ZigBee拓撲結(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中包含3種設(shè)備類型：ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和ZigBee終端設(shè)備。每個網(wǎng)絡(luò)都必須包括一臺ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡(luò)的中心，負責網(wǎng)絡(luò)的組織和維護。ZigBee路由器負責網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的路由選擇，并能夠用來拓展網(wǎng)絡(luò)的范圍。而終端設(shè)備則是實現(xiàn)具體功能的單元。根據(jù)功能來劃分，ZigBee設(shè)備又分為全功能設(shè)備（FFD）和精簡功能設(shè)備（RFD），后者的成本和系統(tǒng)資源開銷只有前者的幾分之一。協(xié)調(diào)器和路由器必須為FFD，而終端設(shè)備可以是FFD，或者是RFD。

ZigBee技術(shù)在安防監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

圖2所示是一個應(yīng)用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的新型安防監(jiān)控系統(tǒng)模型。系統(tǒng)包括被監(jiān)控對象、ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、高清攝像頭、聲光報警設(shè)備、監(jiān)控主機、及必要的有線/無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成。

圖2：安防監(jiān)控系統(tǒng)

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由部署在監(jiān)控對象周圍的ZigBee傳感器終端節(jié)點、ZigBee路由節(jié)點和ZigBee協(xié)調(diào)器組成。傳感器節(jié)點采集被監(jiān)控對象的各種物理參量，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后由內(nèi)嵌的ZigBee無線模塊進行發(fā)送，數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee路由節(jié)點（或其他具有路由功能的傳感器節(jié)點）逐跳轉(zhuǎn)發(fā)至ZigBee協(xié)調(diào)器。

傳感器終端節(jié)點長期處于深度休眠狀態(tài)以減少能耗，到達檢測周期時進入工作狀態(tài)，完成數(shù)據(jù)采集和上報后恢復休眠。當出現(xiàn)異常狀態(tài)時，傳感器的讀數(shù)超過設(shè)定的臨界值，此時觸發(fā)節(jié)點單片機芯片的硬件中斷，強制激活節(jié)點，自動進入數(shù)據(jù)采集和上報程序。完成上報后，在預(yù)設(shè)的延時時間內(nèi)，節(jié)點持續(xù)進行采集和上報，保證對異常狀態(tài)的完整監(jiān)控。直到異常事件消失已超過延時時間或者監(jiān)控主機下發(fā)取消監(jiān)控命令后，節(jié)點再次恢復休眠狀態(tài)。

ZigBee協(xié)調(diào)器是ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與外部以太網(wǎng)絡(luò)的接口，作為系統(tǒng)的核心負責整個網(wǎng)絡(luò)的管理以及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，它通過收發(fā)模塊接收多個節(jié)點的數(shù)據(jù)，由嵌入式控制器對接收到的數(shù)據(jù)進行必要的協(xié)議處理，然后將其經(jīng)過以太網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控主機。同時ZigBee協(xié)調(diào)器對內(nèi)負責啟動、組織和管理整個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，將傳感器節(jié)點的運行狀態(tài)和異常信息等向監(jiān)控主機匯報。

監(jiān)控主機主要實現(xiàn)的功能有：設(shè)備管理與設(shè)置、安防監(jiān)測與異常判斷功能、音視頻監(jiān)視和硬盤錄像功能、現(xiàn)場聲光報警功能、接受用戶遠程訪問功能等。配合具有協(xié)議轉(zhuǎn)換功能的ZigBee協(xié)調(diào)器，將ZigBee協(xié)議轉(zhuǎn)換為TCP/IP協(xié)議后，原有支持網(wǎng)絡(luò)報警器的傳統(tǒng)型安防監(jiān)控主機不做功能擴展即可配合ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作。

圖3：監(jiān)控主機功能模塊

而在原有的安防監(jiān)控主機基礎(chǔ)上進行簡單擴展，增加全功能的內(nèi)置ZigBee模塊就可以實現(xiàn)監(jiān)控主機與ZigBee協(xié)調(diào)器的集成，如圖3所示。對于可集中部署的小型監(jiān)控場所，更具便捷性與成本優(yōu)勢。

結(jié)束語

ZigBee技術(shù)作為短距離通信領(lǐng)域最新的發(fā)展熱點，具有低成本、低功耗、動態(tài)路由、自動組網(wǎng)、容量巨大、成本低廉、應(yīng)用簡單等特征，因此非常適合在新型安防監(jiān)控系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中大量使用。本文介紹了ZigBee技術(shù)的基本概念和技術(shù)特點，并給出了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在安防監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，可以解決現(xiàn)有有線部署時現(xiàn)場設(shè)備移動受限和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)難以靈活變化的問題，使數(shù)據(jù)的傳輸更加靈活、組網(wǎng)更加便捷?？梢灶A(yù)見，隨著ZigBee無線設(shè)備的發(fā)展成熟及其成本的進一步降低，其在安防監(jiān)控領(lǐng)域?qū)@得越來越廣闊的發(fā)展空間。