無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)、Zigbee、RFID三種技術(shù)分析

編者按：1999年由IBM創(chuàng)造的“普適計(jì)算”概念，讓人們第一次暢想網(wǎng)絡(luò)無(wú)處不在的前景；而今，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展讓這一預(yù)想有機(jī)會(huì)得以實(shí)現(xiàn)：無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)（又稱(chēng)為自組織網(wǎng)絡(luò)）可以構(gòu)建多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、ZigBee技術(shù)完成定位感知系統(tǒng)、RFID技術(shù)則負(fù)責(zé)部署網(wǎng)絡(luò)的信息節(jié)點(diǎn)，這三者的融合將實(shí)現(xiàn)一個(gè)無(wú)所不在的信息網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)改變了人們的生活，很多人要問(wèn)：讓網(wǎng)絡(luò)無(wú)處不在是一個(gè)夢(mèng)想嗎？在不遠(yuǎn)的將來(lái)，我們能利用無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)、ZigBee、RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)嗎？那時(shí)，它又會(huì)以怎樣的姿態(tài)呈現(xiàn)在我們面前呢？

場(chǎng)景一：在一個(gè)會(huì)議室環(huán)境下，如果投影設(shè)備的顯示效果不是很理想，主持人可以通過(guò)自己的移動(dòng)終端設(shè)備向每個(gè)參會(huì)人員發(fā)送文件。當(dāng)發(fā)言人走近與會(huì)的討論組時(shí)，其移動(dòng)終端設(shè)備可以動(dòng)態(tài)加入該組，下載該組的討論材料。通過(guò)可重新配置的上、下文敏感中間件，無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)將突出對(duì)環(huán)境的感知和動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)絡(luò)通信的支持。

基礎(chǔ)：多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)

自組織網(wǎng)絡(luò)（Adhoc）支持多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，它在組網(wǎng)與選路等特征上與傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)存在著明顯的區(qū)別。在自組織網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只和其臨近節(jié)點(diǎn)通信，從一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)包將根據(jù)相關(guān)協(xié)議的配置逐跳（hop）傳遞到目的節(jié)點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比具有較多的優(yōu)勢(shì)。

可靠性提高：在相距較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)間通信時(shí)，數(shù)據(jù)包將通過(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，逐步傳遞到目的節(jié)點(diǎn)。例如，如果一個(gè)終端距離接入點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，信號(hào)將通過(guò)距離較近的另外一個(gè)終端將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給接入點(diǎn)，這樣一來(lái)，無(wú)線鏈路長(zhǎng)度將被縮短，對(duì)天線的傳輸距離和性能要求以及所需發(fā)射功率也將降低，從而減少了信號(hào)間干擾。另外，自組織網(wǎng)絡(luò)中的每臺(tái)設(shè)備都可直接通信，或者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)而連接到其他設(shè)備。這種網(wǎng)絡(luò)免去了昂貴的蜂窩塔的需求，同時(shí)也免除了由于通信鏈路集中而造成的傳輸瓶頸，因此，網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率和頻率利用率都非常高。

沖突減輕：自組織網(wǎng)絡(luò)可以較大程度地減輕業(yè)務(wù)執(zhí)行時(shí)發(fā)生沖突。這是因?yàn)殒溌窞榫W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可使用的鏈路數(shù)大大增加，且每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都具有選路功能，如果其中的某一條鏈路出現(xiàn)了故障，節(jié)點(diǎn)便可以自動(dòng)轉(zhuǎn)向其他可選鏈路進(jìn)行接入，因而減輕了業(yè)務(wù)執(zhí)行時(shí)發(fā)生沖突的可能性，例如，雨天會(huì)給無(wú)線鏈路的功率造成一定的衰減，但是天氣的影響是局部的、有方向性的，通常同一方向的可選路由或可選鏈路處于這種天氣條件下的幾率要大于方向相差較大的可選路由或鏈路，因而呈鈍角關(guān)系的路由或鏈路受到這種天氣因素的影響便會(huì)大大降低。

簡(jiǎn)化無(wú)線鏈路設(shè)計(jì)：相比星形網(wǎng)絡(luò)，自組織網(wǎng)絡(luò)在無(wú)線鏈路的設(shè)計(jì)上也有所簡(jiǎn)化。

維護(hù)方便：自組織網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)與升級(jí)，如前所述，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有多條可選路由，其中某一鏈路或路由被切斷時(shí)并不會(huì)影響到業(yè)務(wù)的正常執(zhí)行，因而局部地區(qū)的升級(jí)與擴(kuò)容將不會(huì)影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，方便了網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)與操作。再有，自組織網(wǎng)絡(luò)可以自行建網(wǎng)，這意味著系統(tǒng)中任何一個(gè)通信設(shè)備在打開(kāi)電源后，將自動(dòng)搜尋、發(fā)現(xiàn)和加入現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)，各通信設(shè)備間的路由和鏈接將隨之自動(dòng)形成。并且，該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以在任何地點(diǎn)，不依靠任何其他的移動(dòng)和固定通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，迅速地被建立。例如可以在建筑物內(nèi)、隧道中，以及偏遠(yuǎn)地區(qū)建立該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

場(chǎng)景二：無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò)將可提供一種任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的信息訪問(wèn)服務(wù)。例如，一輛配備有無(wú)線定位系統(tǒng)的急救車(chē)，可準(zhǔn)確定位突發(fā)事故現(xiàn)場(chǎng)，利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)獲取實(shí)時(shí)的交通信息。在事故現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)便攜式和移動(dòng)式設(shè)備監(jiān)測(cè)病人的脈搏、血壓、呼吸等數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)分布式的醫(yī)療服務(wù)系統(tǒng)，下載有關(guān)病歷數(shù)據(jù)等必要信息。除了基于定位系統(tǒng)的應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，該系統(tǒng)的功能還包括基于移動(dòng)設(shè)備和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷、遠(yuǎn)程病人監(jiān)護(hù)，以及遠(yuǎn)程訪問(wèn)存有患者病歷信息的醫(yī)療數(shù)據(jù)庫(kù)。

無(wú)線定位感知

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(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IEEE802.15.4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(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(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IEEE802.15.4，這是IEEE無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（PersonalAreaNetwork，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(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，RadioFrequencyIdentification）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（PassiveTag，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(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，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(lèi)周?chē)鷮⑹菬o(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò)。