ZigBee技術(shù)及在安防系統(tǒng)中的應(yīng)用

文/劉琰

無(wú)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(bào)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(bào)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(fèi)用已經(jīng)成為安防系統(tǒng)建設(shè)中最主要的成本來(lái)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(dòng)性，在一些特殊的應(yīng)用環(huán)境，如旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)的監(jiān)測(cè)對(duì)象，或工作于強(qiáng)腐、高危性環(huán)境下，或者需要小范圍、高密度部署監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，以及需要快速臨時(shí)搭建監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)合，有線組網(wǎng)都很難滿足需求。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量靜止或移動(dòng)的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)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(duì)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(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)。而且無(wú)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(zhǎng)期放置在荒蕪地區(qū)或高危環(huán)境，用于監(jiān)測(cè)環(huán)境變量，可以大量節(jié)約部署和維護(hù)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議發(fā)展經(jīng)歷了幾個(gè)階段，日趨成熟。在研究初期，人們一直認(rèn)為成熟的Internet技術(shù)加上自組織路由機(jī)制對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)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(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）和藍(lán)牙（Bluetooth）等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，推動(dòng)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

ZigBee技術(shù)

藍(lán)牙是當(dāng)前最廣泛應(yīng)用的短距離無(wú)線通信技術(shù)，盡管其有許多優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)工業(yè)自動(dòng)化控制和安防監(jiān)控領(lǐng)域而言，藍(lán)牙技術(shù)存在復(fù)雜性高、功耗大、距離近、組網(wǎng)規(guī)模太小等缺點(diǎn)。而且，對(duì)于工業(yè)級(jí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)線傳輸必須是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾。經(jīng)過(guò)人們長(zhǎng)期努力，ZigBee協(xié)議在2003年正式問(wèn)世。

ZigBee譯為“紫蜂”，這一名稱來(lái)源于蜜蜂的八字舞，是一種短距離、低功耗的無(wú)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(wèn)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(dú)有、全新的標(biāo)準(zhǔn)，它的物理層和MAC層采用了IEEE802.15.4的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。但ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了完善和擴(kuò)展，并制定了上層協(xié)議規(guī)范，并負(fù)責(zé)高層應(yīng)用、測(cè)試和市場(chǎng)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(diǎn)：

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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，不適合傳輸語(yǔ)音、視頻等的大數(shù)據(jù)量?jī)?nèi)容。

功耗低。在非工作模式時(shí)，ZigBee節(jié)點(diǎn)處于休眠模式，耗電量?jī)H僅只有1μW。ZigBee節(jié)點(diǎn)的電池工作時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右。ZigBee技術(shù)在協(xié)議上對(duì)電池使用也作了優(yōu)化，對(duì)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(rèn)的CSMA-CA碰撞避免機(jī)制以提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃?。同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用也做了優(yōu)化，通信時(shí)延和休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。

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

射頻技術(shù)先進(jìn)。ZigBee使用工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（ISM）頻段：915MHz（美國(guó)），868MHz（歐洲），2.4GHz（全球）。這三個(gè)頻帶的擴(kuò)頻都使用直接序列擴(kuò)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(lán)牙通常能有10米的作用范圍，而ZigBee在室內(nèi)通常能達(dá)到30-50米的作用距離，在室外空曠地帶甚至可以達(dá)到400米。

自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、自主路由。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是動(dòng)態(tài)變化的，無(wú)論是節(jié)點(diǎn)的能量耗盡，或者節(jié)點(diǎn)損壞，都能使節(jié)點(diǎn)退出網(wǎng)絡(luò)而不影響剩余節(jié)點(diǎn)的通信。新的節(jié)點(diǎn)加入后也能自動(dòng)搜素和獲得報(bào)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(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）的對(duì)稱密碼加密功能來(lái)保護(hù)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(jì)很快就能降到1美元～2美元，且ZigBee協(xié)議免專利費(fèi)用。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee技術(shù)具有強(qiáng)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?fù)浣Y(jié)，如圖1所示，每種網(wǎng)絡(luò)都有各自的優(yōu)點(diǎn)。

網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)從源節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)可以有多條路徑，路徑的冗余加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，如果原先的路徑出現(xiàn)了問(wèn)題，比如受到干擾，或者其中一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了故障，ZigBee可以切換到另一條路徑。另外，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，具有很大的路由深度和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(hù)成本。因此，在工業(yè)監(jiān)測(cè)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?fù)浣Y(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(gè)網(wǎng)絡(luò)都必須包括一臺(tái)ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組織和維護(hù)。ZigBee路由器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的路由選擇，并能夠用來(lái)拓展網(wǎng)絡(luò)的范圍。而終端設(shè)備則是實(shí)現(xiàn)具體功能的單元。根據(jù)功能來(lái)劃分，ZigBee設(shè)備又分為全功能設(shè)備（FFD）和精簡(jiǎn)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(gè)應(yīng)用ZigBee無(wú)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(duì)象、ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、高清攝像頭、聲光報(bào)警設(shè)備、監(jiān)控主機(jī)、及必要的有線/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成。

圖2：安防監(jiān)控系統(tǒng)

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

傳感器終端節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期處于深度休眠狀態(tài)以減少能耗，到達(dá)檢測(cè)周期時(shí)進(jìn)入工作狀態(tài)，完成數(shù)據(jù)采集和上報(bào)后恢復(fù)休眠。當(dāng)出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)，傳感器的讀數(shù)超過(guò)設(shè)定的臨界值，此時(shí)觸發(fā)節(jié)點(diǎn)單片機(jī)芯片的硬件中斷，強(qiáng)制激活節(jié)點(diǎn)，自動(dòng)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集和上報(bào)程序。完成上報(bào)后，在預(yù)設(shè)的延時(shí)時(shí)間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)持續(xù)進(jìn)行采集和上報(bào)，保證對(duì)異常狀態(tài)的完整監(jiān)控。直到異常事件消失已超過(guò)延時(shí)時(shí)間或者監(jiān)控主機(jī)下發(fā)取消監(jiān)控命令后，節(jié)點(diǎn)再次恢復(fù)休眠狀態(tài)。

ZigBee協(xié)調(diào)器是ZigBee無(wú)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(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理以及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，它通過(guò)收發(fā)模塊接收多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，由嵌入式控制器對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的協(xié)議處理，然后將其經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控主機(jī)。同時(shí)ZigBee協(xié)調(diào)器對(duì)內(nèi)負(fù)責(zé)啟動(dòng)、組織和管理整個(gè)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)和異常信息等向監(jiān)控主機(jī)匯報(bào)。

監(jiān)控主機(jī)主要實(shí)現(xiàn)的功能有：設(shè)備管理與設(shè)置、安防監(jiān)測(cè)與異常判斷功能、音視頻監(jiān)視和硬盤錄像功能、現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警功能、接受用戶遠(yuǎn)程訪問(wèn)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(bào)警器的傳統(tǒng)型安防監(jiān)控主機(jī)不做功能擴(kuò)展即可配合ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作。

圖3：監(jiān)控主機(jī)功能模塊

而在原有的安防監(jiān)控主機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)單擴(kuò)展，增加全功能的內(nèi)置ZigBee模塊就可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控主機(jī)與ZigBee協(xié)調(diào)器的集成，如圖3所示。對(duì)于可集中部署的小型監(jiān)控場(chǎng)所，更具便捷性與成本優(yōu)勢(shì)。

結(jié)束語(yǔ)

ZigBee技術(shù)作為短距離通信領(lǐng)域最新的發(fā)展熱點(diǎn)，具有低成本、低功耗、動(dòng)態(tài)路由、自動(dòng)組網(wǎng)、容量巨大、成本低廉、應(yīng)用簡(jiǎn)單等特征，因此非常適合在新型安防監(jiān)控系統(tǒng)的無(wú)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(diǎn)，并給出了ZigBee無(wú)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(shí)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備移動(dòng)受限和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)難以靈活變化的問(wèn)題，使數(shù)據(jù)的傳輸更加靈活、組網(wǎng)更加便捷。可以預(yù)見，隨著ZigBee無(wú)線設(shè)備的發(fā)展成熟及其成本的進(jìn)一步降低，其在安防監(jiān)控領(lǐng)域?qū)@得越來(lái)越廣闊的發(fā)展空間。