近距离无线技术的介绍和对比

目前使用较广泛的近距无线通信技术是蓝牙(Bluetooth),无线局域网802.11(Wi-Fi)和红外数据传输(IrDA)。同时还有一些具有发展潜力的近距离无线技术标准,它们分别是:Zigbee、超宽频(Ultra WideBand)、短距通信NFC、WiMedia、GPS、DECT、无线1394和专用无线系统等。它们都有其立足的特点,或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求;或着眼于功能的扩充性;或符合某些单一应用的特别要求;或建立竞争技术的差异化等。但是没有一种技术可以完美到足以满足所有的需求。

蓝牙技术
bluetooth技术是近几年出现的,广受业界关注的近距离无线连接技术。它是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范,它以低成本的短距离无线连接为基础,可为固定的或移动的终端设备提供廉价的接入服务。
蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范,其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的近距无线接口,将通信技术与计算机技术进一步结合起来,使各种设备在没有电线或电缆相互连接的情况下,能在近距离范围内实现相互通信或操作。其传输频段为全球公众通用的2.4GHzISM频段,提供1Mbps的传输速率和10m的传输距离。
蓝牙技术诞生于1994年,Ericsson当时决定开发一种低功耗、低成本的无线接口,以建立手机及其附件间的通信。该技术还陆续获得PC行业业界巨头的支持。1998年,蓝牙技术协议由Ericsson、IBM、Intel、NOKIA、Toshiba等5家公司达成一致。
蓝牙协议的标准版本为802.15.1,由蓝牙小组(SIG)负责开发。802.15.1的最初标准基于蓝牙1.1实现,后者已构建到现行很多蓝牙设备中。新版802.15.1a基本等同于蓝牙1.2标准,具备一定的QoS特性,并完整保持后向兼容性。
蓝牙技术遭遇了最大的障碍是过于昂贵。突出表现在芯片大小和价格难以下调、抗干扰能力不强、传输距离太短、信息安全问题等等。这就使得许多用户不愿意花大价钱来购买这种无线设备。因此,业内专家认为,蓝牙的市场前景取决于蓝牙价格和基于蓝牙的应用是否能达到一定的规模。

Wi-Fi技术
Wi-Fi(Wireless Fidelity,无线高保真)也是一种无线通信协议,正式名称是IEEE802.11b,与蓝牙一样,同属于短距离无线通信技术。Wi-Fi速率最高可达11Mb/s。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些,但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹,可达100m左右。
Wi-Fi是以太网的一种无线扩展,理论上只要用户位于一个接入点四周的一定区域内,就能以最高约11Mb/s的速度接入Web。但实际上,如果有多个用户同时通过一个点接入,带宽被多个用户分享,Wi-Fi的连接速度一般将只有几百kb/s的信号不受墙壁阻隔,但在建筑物内的有效传输距离小于户外。
WLAN未来最具潜力的应用将主要在SOHO、家庭无线网络以及不便安装电缆的建筑物或场所。目前这一技术的用户主要来自机场、酒店、商场等公共热点场所。Wi-Fi技术可将Wi-Fi与基于XML或Java的Web服务融合起来,可以大幅度减少企业的成本。例如企业选择在每一层楼或每一个部门配备802.11b的接入点,而不是采用电缆线把整幢建筑物连接起来。这样一来,可以节省大量铺设电缆所需花费的资金。
最初的IEEE802.11规范是在1997年提出的,称为802.11b,主要目的是提供WLAN接入,也是目前WLAN的主要技术标准,它的工作频率也是2.4GHz,与无绳电话、蓝牙等许多不需频率使用许可证的无线设备共享同一频段。随着Wi-Fi协议新版本如802.11a和802.11g的先后推出,Wi-Fi的应用将越来越广泛。速度更快的802.11g使用与802.11b相同的正交频分多路复用调制技术。它工作在2.4GHz频段,速率达54Mb/s。根据最近国际消费电子产品的发展趋势判断,802.11g将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准。
微软推出的桌面操作系统WindowsXP和嵌入式操作系统WindowsCE,都包含了对Wi-Fi的支持。其中,WindowsCE同时还包含对Wi-Fi的竞争对手蓝牙等其它无线通信技术的支持。由于投资802.11b的费用降低,许多厂商介入这一领域。Intel推出了集成WLAN技术的笔记本电脑芯片组,不用外接无线网卡,就可实现无线上网。

IrDA技术
红外线数据协会IrDA(Infrared Data Association)成立于1993年。起初,采用IrDA标准的无线设备仅能在1m范围内以115.2kb/s速率传输数据,很快发展到4Mb/s以及16Mb/s的速率。
IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术,是第一个实现无线个人局域网(PAN)的技术。目前它的软硬件技术都很成熟,在小型移动设备,如PDA、手机上广泛使用。事实上,当今每一个出厂的PDA及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持IrDA。
IrDA的主要优点是无需申请频率的使用权,因而红外通信成本低廉。并且还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。此外,红外线发射角度较小,传输上安全性高。
IrDA的不足在于它是一种视距传输,两个相互通信的设备之间必须对准,中间不能被其它物体阻隔,因而该技术只能用于2台(非多台)设备之间的连接。而蓝牙就没有此限制,且不受墙壁的阻隔。IrDA目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。

NFC技术
NFC(Near Field Communication,近距离无线传输)是由Philips、NOKIA和Sony主推的一种类似于RFID(非接触式射频识别)的短距离无线通信技术标准。和RFID不同,NFC采用了双向的识别和连接。在20cm距离内工作于13.56MHz频率范围。
NFC最初仅仅是遥控识别和网络技术的合并,但现在已发展成无线连接技术。它能快速自动地建立无线网络,为蜂窝设备、蓝牙设备、Wi-Fi设备提供一个“虚拟连接”,使电子设备可以在短距离范围进行通讯。NFC的短距离交互大大简化了整个认证识别过程,使电子设备间互相访问更直接、更安全和更清楚,不用再听到各种电子杂音。
NFC通过在单一设备上组合所有的身份识别应用和服务,帮助解决记忆多个密码的麻烦,同时也保证了数据的安全保护。有了NFC,多个设备如数码相机、PDA、机顶盒、电脑、手机等之间的无线互连,彼此交换数据或服务都将有可能实现。
此外,NFC还可以将其它类型无线通讯(如Wi-Fi和蓝牙)“加速”,实现更快和更远距离的数据传输。每个电子设备都有自己的专用应用菜单,而 NFC可以创建快速安全的连接,无需在众多接口的菜单中进行选择。与知名的蓝牙等短距离无线通讯标准不同的是,NFC的作用距离进一步缩短且不像蓝牙那样需要有对应的加密设备。
同样,构建Wi-Fi家族无线网络需要多台具有无线网卡的电脑、打印机和其它设备。除此之外,还得有一定技术的专业人员才能胜任这一工作。而NFC被置入接入点之后,只要将其中两个靠近就可以实现交流,比配置Wi-Fi连结容易得多。

NFC有三种应用类型:
设备连接。除了无线局域网,NFC也可以简化蓝牙连接。比如,手提电脑用户如果想在机场上网,他只需要走近一个Wi-Fi热点即可实现。
实时预定。比如,海报或展览信息背后贴有特定芯片,利用含NFC协议的手机或PDA,便能取得详细信息,或是立即联机使用信用卡进行票卷购买。而且,这些芯片无需独立的能源。
移动商务。飞利浦Mifare技术支持了世界上几个大型交通系统及在银行业为客户提供Visa卡等各种服务。索尼的FeliCa非接触智能卡技术产品在中国香港及深圳、新加坡、日本的市场占有率非常高,主要应用在交通及金融机构。
总而言之,这项新技术正在改写无线网络连接的游戏规则,但NFC的目标并非是完全取代蓝牙、Wi-Fi等其他无线技术,而是在不同的场合、不同的领域起到相互补充的作用。所以如今后来居上的NFC发展态势相当迅速!

Zigbee技术
ZigBee主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式,蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。
ZigBee联盟成立于2001年8月。2002年下半年,Invensys、Mitsubishi、Motorola以及Philips半导体公司四大巨头共同宣布加盟ZigBee联盟,以研发名为ZigBee的下一代无线通信标准。到目前为止,该联盟大约已有27家成员企业。所有这些公司都参加了负责开发ZigBee物理和媒体控制层技术标准的IEEE 802.15.4工作组。
ZigBee联盟负责制定网络层以上协议。目前,标准制订工作已完成。ZigBee协议比蓝牙、高速率个人区域网或802.11x无线局域网更简单实用。[Page]
Zigbee可以说是蓝牙的同族兄弟,它使用2.4GHz波段,采用跳频技术。与蓝牙相比,ZigBee更简单、速率更慢、功率及费用也更低。它的基本速率是250kb/s,当降低到28kb/s时,传输范围可扩大到134m,并获得更高的可靠性。另外,它可与254个节点联网。可以比蓝牙更好地支持游戏、消费电子、仪器和家庭自动化应用。人们期望能在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩具等领域拓展ZigBee的应用。
ZigBee技术特点主要包括以下几个部分:
数据传输速率低。只有10kb/s~250kb/s,专注于低传输应用。
功耗低。在低耗电待机模式下,两节普通5号干电池可使用6个月以上。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。
成本低。因为ZigBee数据传输速率低,协议简单,所以大大降低了成本;积极投入ZigBee开发的Motorola以及Philips,均已在2003年正式推出芯片。Philips预估,应用于主机端的芯片成本和其它终端产品的成本比蓝牙更具价格竞争力。
网络容量大。每个ZigBee网络最多可支持255个设备,也就是说每个ZigBee设备可以与另外254台设备相连接。
有效范围小。有效覆盖范围10~75m之间,具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定,基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。
工作频段灵活。使用的频段分别为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国),均为免执照频段。
根据ZigBee联盟目前的设想,ZigBee的目标市场主要有PC外设(鼠标、键盘、游戏操控杆)、消费类电子设备(TV、VCR、CD、 VCD、DVD等设备上的遥控装置)、家庭内智能控制(照明、煤气计量控制及报警等)、玩具(电子宠物)、医护(监视器和传感器)、工控(监视器、传感器和自动控制设备)等非常广阔的领域。

UWB技术
超宽带技术UWB(Ultra Wideband)是一种无线载波通信技术,它不采用正弦载波,而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,因此其所占的频谱范围很宽。
UWB可在非常宽的带宽上传输信号,美国FCC对UWB的规定为:在3.1~10.6GHz频段中占用500MHz以上的带宽。由于UWB可以利用低功耗、低复杂度发射/接收机实现高速数据传输,在近年来得到了迅速发展。它在非常宽的频谱范围内采用低功率脉冲传送数据而不会对常规窄带无线通信系统造成大的干扰,并可充分利用频谱资源。基于UWB技术而构建的高速率数据收发机有着广泛的用途。
UWB技术具有系统复杂度低,发射信号功率谱密度低,对信道衰落不敏感,低截获能力,定位精度高等优点,尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入,非常适于建立一个高效的无线局域网或无线个域网(WPAN)。
UWB主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。除此之外,这种新技术适用于对速率要求非常高(大于100Mb/s)的LANs或PANs。
UWB最具特色的应用将是视频消费娱乐方面的无线个人局域网(PANs)。现有的无线通信方式,802.11b和蓝牙的速率太慢,不适合传输视频数据;54Mb/s速率的802.11a标准可以处理视频数据,但费用昂贵。而UWB有可能在10m范围内,支持高达110Mb/s的数据传输率,不需要压缩数据,可以快速、简单、经济地完成视频数据处理。
具有一定相容性和高速、低成本、低功耗的优点使得UWB较适合家庭无线消费市场的需求:UWB尤其适合近距离内高速传送大量多媒体数据以及可以穿透障碍物的突出优点,让很多商业公司将其看作是一种很有前途的无线通信技术,应用于诸如将视频信号从机顶盒无线传送到数字电视等家庭场合。当然,UWB未来的前途还要取决于各种无线方案的技术发展、成本、用户使用习惯和市场成熟度等多方面的因素。

小  结
无论你看到的或正在使用的通讯方式是什么,虽然每一种无线技术将遇到它们自身的特殊任务,并且人们在各个地方使用不同的技术,但是它们将有可能配合工作。对于企业来说,绕过主要的无线通信运营商可以节约可观的成本。从长远来看,企业应密切关注各种无线通信技术的发展,选择最适合自己需要的一种标准。

基于GPRS的无线智能家居控制系统

引言
    随着网络技术和通信技术的不断发展以及人们对生活要求的不断提高,实现家庭智能的远程控制已经成为必然的趋势。国家建设部住宅产业化促进中心提出住宅小区要实现六项智能化要求,其中包括实行安全防范自动化监控管理:对住宅的火灾、有害气体的泄漏实行自动报警;防盗报警系统应安装红外或微波等各种类型报警探测器;系统应能与计算机安全综合管理系统联网;计算机系统能对防盗报警系统进行集中管理和控制。但由于目前无线通讯技术的不成熟、运行费用高等弊端,智能家居控制器与外网无线通讯技术成为导致市场接受度低的重要因素,而GPRS系统的特点能够很好的解决该问题。GPRS网络通信业务是通讯公司推出的一项数据传输通信业务,在GPRS网络覆盖区域内,传输距离不受限制,通信费用相对低廉,传输速率较快。本文涉及家庭智能系统及GPRS技术相关背景,分析了其各自基本特点和所要实现的基本功能,并在此基础上提出了基于GPRS无线家庭智能控制系统的总体解决方案。最后总结系统核心GPRS芯片软硬件实现方法。

系统总体架构
    网络应用的普及以及各种信息家电的产生都使得在家庭内部对Internet的访问不再局限于单个 PC,每个家庭都将面临如何在家庭内部传送 Internet 数据以及如何将各种家电设备连接起来的问题,基于此,智能家居网络应运而生。智能家居网络是信息社会的基本单元。未来的家庭中,各种家电设备将组成一个家庭局域网,并通过智能家居控制器接入互联网。智能家居网络的市场发展潜力极其可观,几家大的厂商 Intel、IBM、Microsoft 及 Sony 都早已涉及其中。
    智能家居网络指的是在一个家居中建立一个通信网络,将各种家电设备互相连接起来,实现对所有智能家居网络上的家电设备的远程使用和控制及任何要求的信息交换,如音乐、电视或数据等。智能家居网络的构架包括家庭内部网络系统、智能家居控制器以及智能家居网络与外部Internet网络之间的数据通信。其中,智能家居控制器是智能家庭网络的一个重要组成部分,起到核心的管理、控制和与外部网络通讯作用。它是通过家庭管理平台与家居生活有关的各种子系统有机结合的一个系统,也是连接家庭智能内部和外部网络的物理接口,完成家庭内部同外部通信网络之间的数据交换功能,同时还负责家庭设备的管理和控制。
    智能家居控制器一方面需要为家庭内部布线提供通讯接口,能够采集家庭设备的信息,并进行处理,自动控制和调节;另一方面智能家居控制器作为家庭网关,也为外部提供网络接口,连通家庭内部网络和外部Internet 网络,使得用户可以通过网络等方式访问家庭内部网络,实现监视和控制。此外智能家居控制器还应当具备自动报警等功能,即当发现报警信号如:有人恶意闯入,温度超高等,控制器能立即处理并向用户发出报警信号。
    智能家居控制器为系统的核心。可采用ARM嵌入式系统设计,能够自动运行、处理数据,通过 RS485 总线管理和控制各控制终端。并且控制器通过 GPRS模块,实现家庭系统与外部网络的通讯,使用户可以通过短信和互联网等方式实现家庭系统的远程控制,同时,控制器还通过键盘和显示屏为用户提供人机界面,方便用户实现本地控制。控制终端为单片机组成若干小的控制系统控制各家用设备,并通过控制总线将这些小的控制系统组成网络,连接到智能家居控制器,受智能家居控制器控制。

    智能家居控制器的具体功能包括:
◆家用设备的数据采集:采集家用设备包括室内温度,灯具家电,防盗门等设备的状态数据,经控制器处理后反馈给用户。 
◆本地控制:用户通过控制器上的键盘和显示屏,对家用设备进行监控。 
◆远程控制:远程用户可以通过发送手机短信或通过互联网对家庭系统进行控制和查询。 
◆自动报警:当控制器检测到非法闯入或温度超高等报警信号时,及时触发室内报警装置,并通过发送报警短信等方式及时通知用户。 
◆温度查询:用户可以通过控制器查询室内温度。 
◆防盗门密码设置:用户可以通过本地或远程方式修改防盗门的密码,在门外输入正确密码后才可打开门。 
◆红外家电控制:接收用户命令,通过红外发射电路控制电视、空调等红外可控的家电设备。 
◆其它灯具等开关量控制:接收用户命令控制灯具等开关量设备。
    智能家居控制器通过 GPRS模块,实现家庭系统与外部网络的通讯为系统核心部分,解决以前智能家居系统瓶颈的关键技术。GPRS(通用分组无线业务)的简称,是在现有的GSM 系统上新增新GGSN(网关支持节点)和SGSN(服务支持节点)节点发展出来的一种新的分组数据承载业务。GPRS 与现有的 GSM 系统最根本的区别是,GPRS 是一种分组交换系统,特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输,也适用于偶尔的大数据量传输。GPRS网络传输的主要优点有:永远在线、按流量计费、快速登录、高速传输、覆盖范围内不受限制(传输距离、地形、天气等)、数据传输可靠等。
  
基于ARM及GPRS智能家居控制器的软硬件实现
    GPRS通信模块安装在智能家居控制器中,主要功能为通过GPRS网络连接到Internet网络,并主动与监控中心建立通信链路,进行双向数据通信。GPRS通信模块设计采用了Freescale公司生产的内嵌TCP/IP协议的G24 GPRS OEM。该模块尺寸小,功耗低,便于集成。
    GPRS通信终端收发模块主要由G24模块、天线、SIM卡、相关的电平转换电路和RS232串口组成。模块的供电电压为5V,可采用USB端口供电。GPRS通信模块通过RS232串行口与智能家居控制器ARM进行通信。
    G24收发模块采用AT指令操作,通过RS232串行口进行数据通信。GPRS 网络通信原理为:首先通过SGSN节点使通信终端模块附在GPRS网络上;然后通过GGSN节点由PPP(Point to Point Protocol)协议获得一个随机分配的IP地址,连接到Internet上;最后通信终端模块通过Internet,按照监控中心设定的端口号与监控中心建立通信链路。软件流程如图2所示。

    (1) 测试G24通信是否正常。首先选择串行口并设置波特率,G24波特率的范围为600到460800bit/s,支持自动波特率侦听,能够自动与监控中心通讯模块的波特率保持一致。发送“AT”,如果模块返回“OK ”,则通信正常,否则重发。
    (2)接入Internet。首先测试当地是否有GPRS覆盖,向模块发送 “AT+CGPRS?”,如果返回“+CGPRS:1”,则有GPRS覆盖,否则隔5秒钟后再次检测。然后发送“AT+ CGATT=1”使模块附在GPRS网络上。最后发送“AT+MIPCALL=1,cmnet”通过PPP协议建立与GGSN的无线连接,获得一个动态的IP地址,接入Internet。
    (3) 连接监控中心。向模块发送  “AT+MIPOPEN= ,,<“Destination Address”>,”建立与监控中心通信连接。如果返回“+MIPOPEN: Socket ID,1”,则说明与监控中心建立了通信连接,如果返回“+MIPSTAT: 1,1”,则说明有物理链接中断,须重新进行连接。其中对AT+MIPOPEN指令的参数作以下说明:
    ·Socket ID:G24通信连接的ID号,G24有4个可用Socket,每个Socket有1372Byte缓冲区。 [Page]
    ·Source Port:G24的数据传输端口号,其值为0~65535。建议采用1024 以上的端口号。
    ·Destination Address:目标端的IP地址,也就是监控中心监控服务器的IP地址。
    ·Destination Port:目标端的数据传输端口号,即监控中心监控服务器设定的传输端口号。
    ·Protocol:传输通信协议,0表示TCP方式,1表示UDP方式。
    (4)数据收发。与监控中心建立通信连接后,就可以进行数据收发了。发送数据用“AT+MIPSEND=1, ’Data’; +MIPPUSH=1”。“Data”表示要发送的数据,本设计采用了G24 默认的ASCII码编码,须用十六进制的ASCII码形式表示。一旦有数据到达,G24模块就会通过RS232串行口返回“+MIPRTCP: ,,”。其中Left是一个十进制的数字,表示还有多少个字符在协议栈中尚未接收,如果数据全部接收,则Left为0;接收到的数据“Data”是十六进制的ASCII码形式。
    (5)断开通信连接。向模块发送“AT+ MIPCLOSE=Socket ID”,模块返回“OK”,表示断开成功。

结语
    本文提出了基于GPRS无线家庭智能控制系统的总体解决方案。该方案主要是采用 GPRS 无线通信技术实现远程终端对家庭系统的远程控制;采用RS485 总线技术实现家庭系统的组网;采用嵌入式系统方案搭建智能家居控制器的开发平台,并通过该平台实现对家用设备的智能管理和控制。最后本文提供系统核心GPRS芯片软硬件实现方法,为后续及相关工作提供技术基础。

GIS技术目前应用领域及应用前景

    目前应用领域
    1.资源管理:要应用于农业和林业领域,解决农业和林业领域各种资源(如土地、森林、草场)分布、分级、统计、制图等问题。主要回答“定位”和“模式”两类问题。
    2.资源配置:城市中各种公用设施、救灾减灾中物资的分配、全国范围内能源保障、粮食供应等到机构的在各地的配置等都是资源配置问题。GIS在这类应用中的目标是保证资源的最合理配置和发挥最大效益。
    3.城市规划和管理:空间规划是GIS的一个重要应用领域,城市规划和管理是其中的主要内容。例如,在大规模城市基础设施建设中如何保证绿地的比例和合理分布、如何保证学校、公共设施、运动场所、服务设施等能够有最大的服务面(城市资源配置问题)等。
    4.土地信息系统和地籍管理:土地和地籍管理涉及土地使用性质变化、地块轮廓变化、地籍权属关系变化等许 多内容,借助GIS技术可以高效、高质量地完成这些工作。
    5.生态、环境管理与模拟:区域生态规划、环境现状评价、环境影响评价、污染物削减分配的决策支持、环境与区域可持续发展的决策支持、环保设施的管理、环境规划等。
    6.应急响应:解决在发生洪水、战争、核事故等重大自然或人为灾害时,如何安排最佳的人员撤离路线、并配备相应的运输和保障设施的问题。
    7.地学研究与应用:地形分析、流域分析、土地利用研究、经济地理研究、空间决策支持、空间统计分析、制图等都可以借助地理信息系统工具完成。ArcInfo系统就是一个很好的地学分析应用软件系统。
    8.商业与市场:商业设施的建立充分考虑其市场潜力。例如大型商场的建立如果不考虑其他商场的分布、待建区周围居民区的分布和人数,建成之后就可能无法达到预期的市场和服务面。有时甚至商场销售的品种和市场定位都必须与待建区的人口结构(年龄构成、性别构成、文化水平)、消费水平等结合起来考虑。地理信息系统的空 间分析和数据库功能可以解决这些问题。
    9.基础设施管理:城市的地上地下基础设施(电信、自来水、道路交通、天然气管线、排污设施、电力设施等)广泛分布于城市的各个角落、且这些设施明显具有地理参照特征的。它们的管理、统计、汇总都可以借助GIS完成,而且可以大大提高工作效率。
    选址分析:根据区域地理环境的特点,综合考虑资源配置、市场潜力、交通条件、地形特征、环境影响等因素,在区域范围内选择最佳位置,是GIS的一个典型应用领域,充分体现了GIS的空间分析功能。
网络分析:建立交通网络、地下管线网络等的计算机模型,研究交通流量、进行交通规则、处理地下管线突发事件(爆管、断路)等应急处理。警务和医疗救护的路径优选、车辆导航等也是GIS网络分析应用的实例。
可视化应用:以数字地形模型为基础,建立城市、区域、或大型建筑工程、著名风景名胜区的三维可视化模型,实现多角度浏览,可广泛应用于宣传、城市和区域规划、大型工程管理和仿真、旅游等领域。
分布式地理信息应用:随着网络和Internet技术的发展,运行于Intranet或Internet环境下的地理信息系统应用类型,其目标是实现地理信息的分布式存储和信息共享,以及远程空间导航。

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    GIS的应用前景
    目前GIS的研究和应用都处在一个高速发展的阶段。在国外GIS技术已被各级政府部门和企业界广泛认知和采用。尤其是在北美、欧洲、日本和澳大利亚等国家和地区,GIS市场已经基本形成。GIS数据公司和软件公司比较多,他们在GIS系统建立和空间数据的使用方面已有了一套比较规范和成熟作法。在我国GIS技术也正被越来越多的政府部门和大型企业所采用。虽然起步较晚,但是有后发优势,可以少走弯路,以比较高的起点开展GIS的理论研究和开发应用工作。
    未来若干年空间数据采集和GIS技术将会有新的更大的发展,从而给城市空间数据生产和GIS应用增添新的生命力。以信息高速公路和计算机宽带高速网为代表的国家信息基础设施(NII)的建设、高分辨率卫星影像技术的实用化、数字摄影测量和空间定位技术的发展以及超大容量、高速数据存储设备的发展将给城市空间数据生产和GIS应用带来巨大积极效用。新的数据获取与更新技术的发展、新数据形式的应用、数据共享政策及其实施、国家多尺度空间数据基础设施的建设以及数字地球和数字城市的建设都将大大改善我国城市空间数据的状况。
    GIS技术的一些最新发展(如WebGIS、OpenGIS、ComGIS、3D GIS、TGIS等)将在城市得到实际应用,从而提高GIS系统应用的水平。城市GIS将进一步由技术推动转向应用牵引。面向应用将是GIS的生命,GIS与其它技术的集成将成为主流,应用系统的质量将稳步提高,用户的意识和行动将更有利于GIS的发展,应用将向深层次和大众化两极发展。
    21世纪我国的城市将会有更大的发展,城市的发展将给城市GIS技术带来新的机遇。城市GIS虽然面临挑战,但未来无限光明。由于GIS本身的特点,过去建立起来的城市GIS系统的实际效益在未来几年将会逐步显示出来,人们的认识会进一步提高,城市GIS的生命力将愈加旺盛,并将会发挥应有的、符合其特点的作用,GIS也将真正走向产业化和市场化。

GIS技术的发展历史

    国外
    地理信息系统萌芽于20世纪60年代。1962年,加拿大的Roger F. Tomlinson提出利用数字计算机处理和分析大量的土地利用地图数据,并建议加拿大土地调查局建立加拿大地理信息系统(CGIS),以实现专题地图的叠加、面积量算、自然资源的管理和规划等;与此同时,美国的Duane F. Marble在美国西北大学研究利用数字计算机研制数据处理软件系统,以支持大规模城市交通研究,并提出建立地理信息系统的思想。在这一时期,针对GIS一些具体功能的软件技术有了较大进展,主要表面在:(1)栅格-矢量转换技术、自动拓扑编码以及多边形中拓扑误差检测等得到发展;(2)具有属性数据的单张或部分图幅可以与其它图幅或部分在图边自动拼接;(3)采用命令语言建立空间数据管理系统,可以实现属性再分类、分解线段、合并多边形、改变比例尺、量测面积、按属性搜索、输出表格和报告以及多边形叠加处理等。这一时期的软件主要是针对当时的主机和外设开发的,算法较粗糙,图形功能较为有限。
    20世纪70年代是地理信息系统走向实用的发展期。这一时期由于计算机硬件和软件技术的发展,特别是硬盘的使用,为空间数据的录入、存储、检索和输出提供了强有力的手段。用户屏幕和图形、图像卡的发展增强了人机对话和高质量图形显示功能,促使GIS朝着实用方向发展。美国、加拿大、英国、西德、瑞典和日本等国对GIS的研究均投入了大量人力、物力和财力。到1972年CGIS全面投入运行与使用,成为世界上第一个运行型的地理信息系统。在此期间美国地质调查局发展了50多个地理信息系统。
用于获取和处理地质、地理、地形和水资源信息;1974年日本国土地理院开始建立数字国土信息系统,存储、处理和检索测量数据、航空像片信息、行政区划、土地利用、地形地质等信息;瑞典在中央、区域和城市三级建立了许多信息系统,如土地测量信息系统、斯德哥尔摩地理信息系统、城市规划信息系统等。但由于当时的GIS系统多数运行在小型机上,涉及的计算机软硬件、外部设备及GIS软件本身的价格都相当昂贵,限制了GIS的应用范围。
    这一时期地图数字化输入技术有了一定的进展,采用人机对话交互方式,提高了工作效率,同时扫描输入技术系统也开始出现。图形功能扩展不大,数据管理能力也较差。
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    20世纪80年代是GIS的推广应用阶段,由于计算机技术的飞速发展,在性能大幅度提高的同时,价格迅速下降,特别是图形工作站和个人计算机的性价比大为提高,使GIS的应用领域与范围不断扩大。GIS技术在以下几个方面有了很大的突破:(1)栅格扫描输入处理方面,大大提高了数据输入的效率;(2)数据存储与运算方面,GIS处理的数据量与复杂程度大为提高,遥感影像的自动校正、实体识别、影像增强和专家系统分析软件也明显增加;(3)数据输出方面,GIS软件支持多种形式的图形输出;(4)在地理信息管理方面,适合GIS空间关系表达和分析的空间数据库管理系统也有了很大的发展。
    在这一时期,GIS与卫星遥感技术相结合,开始用于全球性问题的研究,如全球变化和全球监测、全球沙漠化、全球可居住区评价、厄尔尼诺现象及酸雨、核扩散及核废料等;从土地利用、城市规划等宏观管理应用,深入到各个领域解决工程问题,如环境与资源评价、工程选址、设施管理、紧急事件响应等。同时在这一时期,出现了一大批代表性的GIS软件,如ARC/INFO、GENAMAP、SPANS、MapInfo、ERDAS、MicroStation等。
    20世纪90年代至今为GIS的社会化阶段,随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在全世界的普及,GIS成为了一个产业,投入使用的GIS系统,每2~3年就翻一番,GIS市场的增长也很快。目前,GIS的应用在走向区域化和全球化的同时,己渗透到各行各业,涉及千家万户,成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。与此同时,GIS也从单机、二维、封闭向开放、网络(包括Web GIS)、多维的方向发展。
    由于网络技术以及面向对象软件方法论和支撑技术的成熟,为GIS注入了新的活力,同时大量的应用要求促使GIS软件技术的快速发展,开始具备作为应用集成平台的能力。这一时期的GIS具有以下特点:(1)仍然以图层为处理的基础,新的处理模式正在酝酿与探索之中;(2)引入了Internet技术,开始向以数据为中心的方向过渡,实现了较低层次的(浏览型或简单查询型)的B/S结构;(3)开放程度大幅度增加,组件化技术已成为GIS的一个主要方向,实现了跨平台运行。(4)逐渐重视元数据问题,空间数据共享、服务共享和GIS系统互连技术不断发展;(5)实现了空间数据与属性数据的一体化存储和初步一体化查询,提高了空间数据的操纵能力;(6)应用领域迅速扩大,应用深度不断提高,开始具有初步的分析决策能力。

    国内
    我国地理信息系统方面的工作始于20世纪80年代初。地理信息系统进入发展阶段的标志是第七个五年计划的开始,地理信息系统研究作为政府行为,正式列入国家科技攻关计划,开始了有计划、有组织、有目标的科学研究、应用实验和工程建设工作。许多部门同时展开了地理信息系统研究与开发工作。1994年中国GIS协会在北京成立,标志中国GIS行业已形成一定规模。九五期间,国家将地理信息系统的研究应用作为重中之重的项目予以支持,
    1996年,为支持国产GIS软件的发展,原国家科委开始组织软件评测,并组织应用示范工程。这一系列的举措极大的促进了国产GIS软件的发展与GIS的应用。1998年,国产软件打破国外软件的垄断,在国内市场的占有率达25%。地理信息系统在资源调查、评价、管理和监测,在城市的管理、规划和市政工程、行政管理与空间决策、灾害的评估与预测、地籍管理及土地利用,在交通、农业、公安等诸多领域得到了广泛的应用。

GIS技术介绍及系统类型

    GIS技术介绍
    地理信息系统(Geographical Information System,GIS)是一种决策支持系统,它具有信息系统的各种特点。地理信息系统与其他信息系统的主要区别在于其存储和处理的信息是经过地理编码的,地理位置及与该位置有关的地物属性信息成为信息检索的重要部分。在地理信息系统中,现实世界被表达成一系列的地理要素和地理现象,这些地理特征至少由空间位置参考信息和非位置信息两个组成部分。
    地理信息系统的定义是由两个部分组成的。一方面,地理信息系统是一门学科,是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科;另一方面,地理信息系统是一个技术系统,是以地理空间数据库(Geospatial Database)为基础,采用地理模型分析方法,适时提供多种空间的和动态的地理信息,为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。

    地理信息系统具有以下三个方面的特征:
    第一,具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力,具有空间性和动态性;
    第二,由计算机系统支持进行空间地理数据管理,并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法,作用于空间数据,产生有用信息,完成人类难以完成的任务;
    第三,计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征,因而使得地理信息系统能以快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。
    地理信息系统的外观,表现为计算机软硬件系统;其内涵却是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型。当具有一定地学知识的用户使用地理信息系统时,他所面对的数据不再是毫无意义的,而是把客观世界抽象为模型化的空间数据,用户可以按应用的目的观测这个现实世界模型的各个方面的内容,取得自然过程的分析和预测的信息,用于管理和决策,这就是地理信息系统的意义。
    一个逻辑缩小的、高度信息化的地理系统,从视觉、计量和逻辑上对地理系统在功能方面进行模拟,信息的流动以及信息流动的结果,完全由计算机程序的运行和数据的变换来仿真。地理学家可以在地理信息系统支持下提取地理系统各不同侧面、不同层次的空间和时间特征,也可以快速地模拟自然过程的演变或思维过程的结果,取得地理预测或“实验”的结果,选择优化方案,用于管理与决策。

    地理信息系统的类型
    地理信息系统按其内容可以分为三大类:
    (1)专题地理信息系统(Thematic GIS),是具有有限目标和专业特点的地理信息系统,为特定的专门目的服务。例如,森林动态监测信息系统、水资源管理信息系统、矿业资源信息系统、农作物估产信息系统、草场资源管理信息系统、水土流失信息系统等。
    (2) 区域信息系统(Regional GIS),主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标,可以有不同的规模,如国家级的、地区或省级的、市级和县级等为各不同级别行政区服务的区域信息系统;也可以按自然分区或流域为单位的区域信息系统。区域信息系统如加拿大国家信息系统、中国黄河流域信息系统等。许多实际的地理信息系统是介于上述二者之间的区域性专题信息系统,如北京市水土流失信息系统、海南岛土地评价信息系统、河南省冬小麦估产信息系统等。
    (3) 地理信息系统工具或地理信息系统外壳(GIS Tools),是一组具有图形图像数字化、存储管理、查询检索、分析运算和多种输出等地理信息系统基本功能的软件包。它们或者是专门设计研制的,或者在完成了实用地理信息系统后抽取掉具体区域或专题的地理系空间数据后得到的,具有对计算机硬件适应性强、数据管理和操作效率高、功能强且具有普遍性的实用性信息系统,也可以用作GIS教学软件。
    在通用的地理信息系统工具支持下建立区域或专题地理信息系统,不仅可以节省软件开发的人力、物力、财力,缩短系统建立周期,提高系统技术水平,而且使地理信息系统技术易于推广,并使广大地学工作者可以将更多的精力投入高层次的应用模型开发上。

利用蓝牙技术实现家庭无线网络系统

    当今信息化的一个重要方面就是因特网(Internet)和移动通信(mobilecommuniCAtion)的迅猛发展。它使得人们的生活方式、工作方式以及思维方式都发生了巨大的变化,同时也刺激人们对电脑以外的各种数据源和网络服务的需求日益增长。智能家庭网络的出现和发展给信息社会注入了新的生机和活力,而蓝牙(Bluetooth)技术的日趋成熟无疑给这个新的浪潮起到了推波助澜的作用。

    家庭网络是指在家庭和社会的信息网络相连之前,将家庭内部所有的信息设备连接起来而形成的网络。显然,连接家庭网络最理想的技术是无线通信技术,它用微波取代了传统网络中错综复杂的电缆。目前,关于该技术有不少产品和标准,如utterfly,Diamond,Proxim,Shavewave等公司的产品,其中最具有代表性的是Bluetooth和HomeRF两种技术。Bluetooth的优势在于全球标准的统一,具有互操作性,以及能非常方便地实现快速、灵活、安全、低成本、低功耗的数据和语音通信,因此Bluetooth技术在家庭无线网络系统中的发展潜力巨大。 

    系统设计
    蓝牙的载波选用在全球公用的2.4GHz工科医学(ISM)频带,并采用跳频扩谱技术(FHSS)。跳频速率为1600次/s,以2.45GHz为中心频率最多可得到79个1MHz带宽的信道。蓝牙设备采用的是GFSK调制技术,其传输速率为1Mb/s,实际有效速率最高可达721Kb/s,传输距离为10m。语音传输采用连续可变斜率调制编码(CVSD)技术,通信协议则采用时分多址(TDMA)协议。遵循Bluetooth协议的各类数据和语音设备都能够以无线方式接入到公共网络系统中(如Internet,Intranet)。

    蓝牙系统以点到点PPP(Point-to-PointProtocol)连接为基础,用无线方式将若干蓝牙设备连接成1个微图1主从设备的拓扑结构图微网(Piconet)。每个Piconet的蓝牙装置组成为1个主设备(Master)和若干个从设备(Slave),主设备负责通信协议的运作。MAC地址用3位来表示,即在1个微微网内可寻址8个设备(互联的设备数量实际是没有限制的,只不过在同一时刻只能激活8个,其中1个为主,7个为从)。图1给出了1个微微网中主从设备的拓扑结构图。此外,蓝牙系统还支持点到多点的通信构成分布式网络,即1个主设备可以是其他Piconet的从设备,每个从设备也可以是其他Piconet的主设备。 

    1硬件组成
    本系统中的硬件主要包括:天线单元、2.45GHz功率放大模块、Bluetooth模块、语音编译码器、嵌入式微处理器系统、接口电路以及一些辅助电路。此外,主设备还包括以太网接口和嵌入式Modem部分。系统的天线属于微带天线,因此天线部分可以做得体积小、质量轻。空中接口建立在天线电平为0dBm的基础上,遵循FCC(美国联邦通信委员会)有关电平为0dBm的ISM频段的标准。由于Bluetooth采用跳频扩谱技术,所以天线要求是宽带天线:起始频率为2.402GHz;终止频率为2.480GHz。为了抵抗多路径干扰,本系统设计成是多样化天线。系统的功率放大器工作在全球都可以使用的24GHzISM频带上,功放的带宽为2400~24835MHz。系统设计的通信距离为10m(0dB)。如果发射功率增加到20dB(100mw),会使距离达到100m。主设备的微处理器系统采用嵌入式系统,它是系统中关键技术难点。从某种角度上说,主设备起了智能网关的作用。它是整个家庭无线网络系统的核心部分,要完成家庭无线网络中各种不同通信协议之间的转换和信息共享,以及同外部通信网络之间的数据交换功能,同时还负责对各个从设备的管理和控制。考虑到为普通家庭用户所能接受,微处理器采用非PC的廉价设备,主、从设备处理器都采用嵌入式Internet技术和高性能微处理器。Bluetooth模块主要完成基带部分协议的转换以及将数字语音处理电路送来的语音数据流和微处理器送来的数据进行整合,然后经编码、调制后送给功率放大器放大再无线发出。该模块主要包括两大单元。 

    (1)无线射频(RF)单元。蓝牙模块的射频单元功率也符合FCC关于ISM波段的要求,因此,在使用中都会遇到不可预测的干扰源。蓝牙模块特别设计了快速确认和跳频扩谱技术以确保链路稳定。在2.4GHzISM频带上以伪随机方式,按1600次/s的速率,在总计79个频率上进行跳转(以2.4GHz为中心频率,最多可以得到79个1MHz带宽的信道),这样可以有效地防止信号干扰和减弱。与其他工作在相同频段的系统相比,蓝牙跳频更快,数据包更短,这使蓝牙比其他系统都更稳定。此外系统还采用了时分双工(TDD)方案被用来实现全双工传输。FEC(前向纠错)的使用抑制了长距离链路的随机噪声。

    (2)基带(baseband,BB)和链路管理(linkmanager,LM)单元。BB负责跳频和蓝牙数据及信息帧的传输;LM负责连接的建立和拆除。它们实现的功能包括:对SCO和ACL连接方式的支持;差错控制,可以采用多种检纠错方式,其中包括前向纠错编码(FEC);物理层的认证与加密;链路管理。数字语音处理电路包括语音编译码器和语音接口电路两部分。语音编译码器采用CVSD编码方式。CVSD(ContinuousVariableSlope Delta Modulation)即连续可变斜率增量调制。它是一种自适应增量调制技术,它不重发语音数据包也能够获得高质量传输的音频编码。CVSD编码擅长处理丢失和被损坏的语音采样,即使比特错误率达到4%,CVSD编码的语音还是可听的。语音接口电路包括标准音频输入和输出以及必要的音频放大部分。系统的接口部分设置了RS232、USB、UART、I2C接口以及电话线接口,另外主设备还有以太网接口和ADSL插孔。其中RS232、USB和UART与计算机、智能耳机、PDA以及智能家电设备相连,完成信息的交换。主设备中的RS232串口还用于现场参数设置和程序的升级。嵌入式Modem是系统与外部通信网络(Internet网和公共电话网)的物理接口。嵌入式Modem采用了简单、灵活的实现方式,以减小系统的复杂性和降低一般家庭用户对Modem基本操作技能的依赖性;嵌入式Modem需要完成Modem的基本功能,负责将家庭无线网络接入到外部通信网络中。根据Modem的发展现状,系统的Modem采用了ADSL高速Modem标准。通过以太网接口可以直接接到LAN(局域网)中。系统可以经过内部高速数据通道和嵌入式Modem连接到DSL上,经过ADSL Modem的信号分离器,其输出通过接到家庭电话线(或通过ISDN接入方式)来登陆到Internet上,这样就可以享受ISP服务商提供的各种信息和服务。辅助电路包括液晶显示电路、键盘控制电路和电源管理电路。 

    2软件协议栈
    系统的软件(协议栈)单元是一个独立的操作部分,不与任何操作系统捆绑。它符合已经制定好的蓝牙规范。系统的协议栈采用分层结构,分别完成数据流的过滤和传输、跳频和数据帧传输、连接的建立和释放、链路的控制、数据的拆装、业务质量、协议的复用和分用等功能。主从设备的协议栈略有不同,如图4、图5所示,但大致都分为3个层次:底层协议、中间协议和高层协议。

    (1)底层协议。该层包括基带BB和链路管理(LM)。这部分协议已经固化在Bluetooth模块之中。底层协议对应用而言是十分透明的,负责在蓝牙单元之间建立物理射频链路,构成微微网。LM还要完成像鉴权和加密等安全方面的任务,包括生成和交换加密键、链路检查、基带数据包大小的控制、蓝牙无线设备的电源模式和时钟周期、微微网内蓝牙单元的连接状态等。

    (2)中间协议。这是系统中需要开发的协议部分。包括逻辑链路控制与适应协议L2CAP(LogicalLinkControl and Adaptation Protocol)、业务搜寻协议SDP(Service Discovery Protocol)、串口仿真协议RFCOMM和电话控制协议TCS(仅在主设备协议栈中)和PPP协议。逻辑链路控制与适应协议(L2CAP)完成基带与高层协议间的适配,并通过协议复用、分用及重组操作为高层提供数据业务和分类提取。它允许高层协议和应用接收或发送长达64000个字节的L2CAP数据包。业务搜寻协议(SDP)是极其重要的部分,是所有使用模式的基础。它为上层应用程序提供一种机制,来发现网络中可用的服务及其特性。由SDP可查询设备信息、业务及其特征,并在查询之后建立2个或多个蓝牙设备间的连接。SDP支持3种查询方式:按业务类别搜寻、按业务属性搜寻和业务浏览(browsing)。串口仿真协议RFCOMM也位于L2CAP之上,它通过在蓝牙的基带上仿真RS232的控制和数据信号,为那些将串行线用作传输机制的高级业务(如对象交换OBEX协议)提供传输能力。该协议由蓝牙特别兴趣小组BSIG基于ETSI标准TS07.10上开发而成的。电话控制协议包括电话控制规范二进制(TCS BIN)协议和一套电话控制命令(AT|commands)。其中,TCS BIN定义了在蓝牙设备间建立语音和数据呼叫所需的呼叫控制信令;AT|commands则是一套可在多使用模式下用于控制移动电话和调制解调器的命令,它也是由BSIG在ITU|T Q.931的基础上开发而成。  [Page]

    (3)高层协议。设计高层协议的总原则就是尽量吸收现有成熟的协议。系统采纳的协议为PPP和UDP/TCP/IP。