ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議的分類(lèi)與優(yōu)勢(shì)

文/孫秀偉

ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議的分類(lèi)與優(yōu)勢(shì)

文/孫秀偉

隨著人們對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)需求量的增加，人們對(duì)定位和導(dǎo)航的依賴(lài)逐漸增大，尤其是在一些復(fù)雜的環(huán)境中，如機(jī)場(chǎng)內(nèi)廳、大型樓宇建設(shè)、地下停車(chē)場(chǎng)、圖書(shū)館等。面對(duì)市場(chǎng)如此大的需求，諸多無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。其中ZigBee技術(shù)的表現(xiàn)尤為突出,以其低速率、短距離的特征而著稱(chēng)。

定位 導(dǎo)航 ZigBee

1 ZigBee定位技術(shù)原理

短距離無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)應(yīng)用是在任何的給定時(shí)間內(nèi)確定物體的近似物理位置即為依據(jù)于位置判定的ZigBee定位技術(shù)。何為位置判定？是指未知節(jié)點(diǎn)關(guān)于一系列已知參考節(jié)點(diǎn)的位置信息判定過(guò)程。位置判定有兩大指標(biāo)：定位精度和確定節(jié)點(diǎn)位置所花費(fèi)的時(shí)間。在信息量大的信道接入時(shí)期內(nèi)，ZigBee節(jié)點(diǎn)可能在獲得信道入口前需要經(jīng)歷多次嘗試，才能順利進(jìn)入信道，所以覆蓋范圍性和可擴(kuò)性成為衡量它的唯一標(biāo)準(zhǔn)。位置判定通常包括兩組節(jié)點(diǎn)：第一組為由固定節(jié)點(diǎn)組成的參考節(jié)點(diǎn)，被用作位置判定的參考點(diǎn)，且參考點(diǎn)的位置可由安裝者所決定。第二組為位置未知的追蹤節(jié)點(diǎn)。所以位置判定的總結(jié)就是：位置未知的追蹤節(jié)點(diǎn)發(fā)射一個(gè)信號(hào)，被近鄰的參考節(jié)點(diǎn)接收，參考節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的信息測(cè)出其信號(hào)強(qiáng)度、抵達(dá)時(shí)間或抵達(dá)角度最后通過(guò)定位算法得出位置信息。

2 ZigBee定位技術(shù)分類(lèi)

2.1 基于測(cè)距和非測(cè)距的定位算法

基于測(cè)距的定位算法是通過(guò)測(cè)量追蹤節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)之間的距離、角度或時(shí)間差從而計(jì)算出追蹤節(jié)點(diǎn)的位置。而非基于測(cè)距的定位算法則是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（星狀、樹(shù)狀、網(wǎng)狀）等信息進(jìn)行未知節(jié)點(diǎn)的判定。常用的基于測(cè)距的定位算法有:基于接收信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量法(RSSI)、到達(dá)時(shí)間測(cè)量法(TOA)、到達(dá)時(shí)間差測(cè)量法(TDOA)和到達(dá)角度測(cè)量法((AOA)。常用的非基于測(cè)距的定位算法有:質(zhì)心算法、凸規(guī)劃法、網(wǎng)絡(luò)多跳路由算法(DV-hop)。首先基于測(cè)距的定位算法對(duì)較為準(zhǔn)確的距離測(cè)量要求很高，所以它的定位精度比較好，但是在功耗和成本方面消耗比較大。而非基于測(cè)距的定位算法則恰恰相反。所以我覺(jué)得在實(shí)際的應(yīng)用中商家應(yīng)該根據(jù)需求的不同選擇不同的定位算法，這樣才能做到既節(jié)能又可靠的綜合體。目前，實(shí)際應(yīng)用中最為廣泛使用的是基于測(cè)距的定位算法。

2.2 基于集中式和分布式的定位算法

網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)為中央位置處理節(jié)點(diǎn)提供位置相關(guān)信息，經(jīng)過(guò)信息的搜集和加工，然后中央位置處理節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)信息計(jì)算所有追蹤節(jié)點(diǎn)的位置，并及時(shí)將算得的位置回報(bào)到每個(gè)追蹤節(jié)點(diǎn)上，因此這樣的模式為集中處理方式。集中處理的優(yōu)勢(shì)在于最大化的降低了所需設(shè)備的性能，可以從全局的角度進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的定位，定位精度較高，而且所有定位過(guò)程中涉及到的計(jì)算都在中心控制節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行，保證了數(shù)據(jù)的可靠性。但是它的缺點(diǎn)也是很明顯的。因?yàn)樗泄?jié)點(diǎn)都必須與一個(gè)單獨(dú)節(jié)點(diǎn)通信來(lái)獲得位置信息，增大了傳輸距離且這樣高水平的通信流量會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)瓶頸，在達(dá)到某一程度時(shí)會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓從而限制了位置更新速率。另外，頻繁的轉(zhuǎn)播定位請(qǐng)求會(huì)耗盡電池的電量。這樣隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大問(wèn)題會(huì)變得越來(lái)越嚴(yán)重。

2.3 基于絕對(duì)與相對(duì)的定位算法

絕對(duì)定位就是該坐標(biāo)位置是確定的、標(biāo)準(zhǔn)的，如經(jīng)緯度，這種位置就是一直不變的且很難改變。而相對(duì)定位就是先選取網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置的節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)，而其他節(jié)點(diǎn)的位置都是相對(duì)于該節(jié)點(diǎn)而言。這兩種定位算法都有優(yōu)勢(shì)，在絕對(duì)定位中好處就在于能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)提供確切的位置，得到更可靠的位置信息，網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)基本上不會(huì)給網(wǎng)絡(luò)的位置帶來(lái)影響，所以有著廣泛的應(yīng)用前景。而相對(duì)定位的優(yōu)勢(shì)在于應(yīng)用方便，不需要通過(guò)復(fù)雜的方式去獲取坐標(biāo)信息，以便大家的理解和實(shí)施。

3 ZigBee定位技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

縱觀以上對(duì)其他定位技術(shù)的描述，ZigBee定位技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在某種程度上是顯而易見(jiàn)的。

（1）與GPS定位技術(shù)相比較，ZigBee定位技術(shù)不需要依靠遠(yuǎn)距離發(fā)射器提供的信息，而是通過(guò)位置已知的固定節(jié)點(diǎn)或位置未知的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行分析，通過(guò)定位算法計(jì)算出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)相對(duì)于其他已知方位的當(dāng)?shù)毓?jié)點(diǎn)的位置。這樣不但在能源的消耗上達(dá)到一定的控制同時(shí)也使得設(shè)備成本盡可能的低。

（2）與Wi-Fi定位技術(shù)比較而言，雖然ZigBee僅僅只是一個(gè)局域網(wǎng)，但是通過(guò)足夠的數(shù)據(jù)出口相互間的通信，便可以“無(wú)限”擴(kuò)大它的覆蓋范圍，從而達(dá)到移動(dòng)通信所能達(dá)到的極限。另外，ZigBee局域網(wǎng)可以與現(xiàn)有的移動(dòng)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)和其它通信網(wǎng)絡(luò)合并為一個(gè)整體，這樣不僅有效的解決了移動(dòng)網(wǎng)在盲區(qū)覆蓋的缺陷，同時(shí)使社會(huì)更趨向于智能化。我們都很清楚的知道，即使大家都在推廣無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實(shí)施，但中國(guó)地大物博仍然有一些地方存在盲區(qū)如鐵路，隧道，油田，礦山等地方，況且基站建設(shè)的成本又較高。若使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行盲區(qū)覆蓋便徹底解決了大家一直關(guān)心的難題。

（3）在與藍(lán)牙定位技術(shù)的比較中，雖然藍(lán)牙有許多優(yōu)點(diǎn)，但也存在藍(lán)牙不能服務(wù)的地方。就家庭個(gè)性化服務(wù)領(lǐng)域和工業(yè)“三遙”領(lǐng)域而言，藍(lán)牙技術(shù)就顯得大材小用。其復(fù)雜的技術(shù)操作和資源的無(wú)限消耗都成為大家摒棄的依據(jù)。在工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的帶動(dòng)下，工業(yè)自動(dòng)化對(duì)通信數(shù)據(jù)可靠、無(wú)危險(xiǎn)的要求更加苛刻。因此，ZigBee的定位技術(shù)在這個(gè)領(lǐng)域就取代了藍(lán)牙成為工業(yè)廠商們的首選。當(dāng)然，這種優(yōu)勢(shì)并不是絕對(duì)的，只是在某些領(lǐng)域、某種情形下占據(jù)著相對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)ZigBee的定位技術(shù)進(jìn)行了研究。首先，為了介紹了ZigBee定位技術(shù)的原理。其次，根據(jù)介紹了ZigBee定位技術(shù)的分類(lèi)，并通過(guò)對(duì)wifi，GPS和藍(lán)牙的對(duì)比，闡述了ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議的優(yōu)勢(shì)。

[1]曹斌.ZIGBEE無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議改進(jìn)及實(shí)現(xiàn)[D].上海交通大學(xué),2010.

[2]王強(qiáng).基于fZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安電子科技大學(xué),2010.

[3]張輝,陳偉清.ZigBee技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用現(xiàn)狀的研究[J].第九屆中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化論壇,2013.

作者單位烏魯木齊市職業(yè)中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校 新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市 830000