無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)/Zigbee及RFID融合協(xié)作不完全分析
無(wú)線(xiàn)定位感知
在無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(hù)個(gè)人隱私問(wèn)題的前提下,如何動(dòng)態(tài)獲取用戶(hù)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?xún)?nèi);如何為用戶(hù)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(hù)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(hù)廣播所能提供的各種信息,從而使用戶(hù)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(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的安全網(wǎng)絡(luò)技術(shù),ZigBee有希望讓無(wú)線(xiàn)傳感器出現(xiàn)在各種應(yīng)用中:從工廠(chǎng)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(xiāo)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(xiàn)電燈開(kāi)關(guān)、無(wú)線(xiàn)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(xiàn)設(shè)備的流行趨勢(shì),而建立自動(dòng)化傳輸房門(mén)、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(xiàn)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(xiàn)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(xún)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(xiàn)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(mǎi)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(mǎi)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(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng),同時(shí)構(gòu)建了無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)(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(xiàn)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(xiāo)售的過(guò)程中,供應(yīng)商、商家和用戶(hù)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(hù))。另外,網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)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(hù)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(lèi)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(huà),只需輸入銀行的賬戶(hù)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(mén)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(xiàn)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(mǎi)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(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)與RFID、無(wú)線(xiàn)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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)不同于傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)(如WLAN和蜂窩移動(dòng)電話(huà)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(lèi)周?chē)鷮⑹菬o(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò)。
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