【正文】 坡等災(zāi)害多發(fā)地，能夠更好、更安全地協(xié)助環(huán)境監(jiān)測，預(yù)報地質(zhì)災(zāi)害?？傊诓痪玫膶?，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必將能夠布滿于我們的生活，給我們的生活帶來無盡的舒適與便捷。盡管無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著美好的前景，但它的應(yīng)用還遠遠沒有推廣開來。國外發(fā)達國家在這方面開始的比較早，投入也比較大，像美國波士頓大學創(chuàng)辦了傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)會(Sensor Network Consortium)，期望能促進傳感器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開的發(fā)展；美國軍方將WSN應(yīng)用到軍事系統(tǒng)，耗資400600億美元建造的FCS（Future Combat System，未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)），以網(wǎng)絡(luò)為中心，達到 “全球到達、迅速反應(yīng)”的低傷亡作戰(zhàn)目標；美國國家科學基金贊助的Biomedical Sensors項目[1]，美國NASA（National Aeronautics and Space Administration, 美國國家航空暨太空總署）發(fā)起的Sensor Webs項目[2]等等都是關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要研究。國內(nèi)關(guān)于WSN的研究起步較晚，部分公司在進行商業(yè)開發(fā)，如成都無線電子龍有限公司，西安達泰電子有限公司、西安華凡科技有限公司等在WSN方面有所開發(fā)和研究。部分大學，例如國防科技大學、清華大學、中國科學技術(shù)大學、哈爾濱工業(yè)大學、電子科技大學、天津大學、北京郵電大學等對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也進行著相關(guān)的研究工作。總之，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大多處于研究實驗或者商業(yè)開發(fā)階段，在生活應(yīng)用和推廣普及方面還遠遠不夠，有待進一步發(fā)展。正是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)巨大的應(yīng)用價值和美好前景以及應(yīng)用較少的狀況，本文也開展了對WSN的基礎(chǔ)性研究學習，對節(jié)點設(shè)計和協(xié)議棧進行描述，并提出了將WSN應(yīng)用于農(nóng)業(yè)環(huán)境信息采集和控制系統(tǒng)。借助于WSN技術(shù)，農(nóng)業(yè)信息采集和控制體現(xiàn)出實時、精確、方便、易于管理、可擴展性強等優(yōu)點。 WSN簡介無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的Adhoc[3]網(wǎng)絡(luò)，它是一種以數(shù)據(jù)為中心、自組織多跳的無線網(wǎng)絡(luò)。它具有規(guī)模大、自組織、部署方便、以數(shù)據(jù)為中心、動態(tài)網(wǎng)絡(luò)、通信靈活等特點。 WSN體系結(jié)構(gòu)圖11是典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)圖。完整的WSN體系結(jié)構(gòu)應(yīng)包括傳感器節(jié)點群、sink節(jié)點、互聯(lián)網(wǎng)和用戶終端等。大量體積小、成本低、具有數(shù)據(jù)采集、處理、融合和無線通信功能的節(jié)點通過飛機播撒、人工布置等方式被部署在監(jiān)測區(qū)域，每個節(jié)點都可以感測監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的環(huán)境信息，并以無線、自組織、多跳的方式在相互之間進行通信，并將數(shù)據(jù)信息傳送到匯聚節(jié)點（sink節(jié)點），最終由匯聚節(jié)點通過Internet、衛(wèi)星或者移動通信等方式將數(shù)據(jù)信息傳送到用戶終端。如果距離較遠，為了提高通信可靠性，可在sink節(jié)點附近增設(shè)基站，通過基站與Internet進行連接。 圖11典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu) 傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，通過攜帶能量有限的電池供電，因此其處理能力、存儲能力和通信能力比較弱。從功能上看，傳感器節(jié)點具有采集、處理、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的功能，部分節(jié)點還兼有路由功能；節(jié)點除了進行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其它節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進行存儲、管理等處理，同時與其它節(jié)點協(xié)作完成一些特定任務(wù)。1. 一般節(jié)點傳感器節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能單元，其結(jié)構(gòu)主要包括傳感器模塊，處理器模塊，射頻模塊和電源模塊等。圖12是典型的節(jié)點結(jié)構(gòu)圖，其中的定位模塊和移動模塊為可選擇性的。 傳感器節(jié)點通過自帶傳感器采集周圍環(huán)境信息，經(jīng)過簡單的數(shù)據(jù)處理、融合，通過射頻模塊將其發(fā)射出去。節(jié)點體積小，電源能量小，所以選擇低功耗設(shè)計是很必要的。2. 匯聚（sink）節(jié)點 匯聚節(jié)點，也稱為網(wǎng)關(guān)（sink）節(jié)點，它比一般節(jié)點具有更高的電能，更強的發(fā)射能力，更高級的數(shù)據(jù)融合能力。它的作用是將傳感器網(wǎng)絡(luò)所采集到的有用信息通過無線方式傳送給基站，進而通過Internet、衛(wèi)星或移動通信等方式傳送到用戶終端。圖12 典型的節(jié)點結(jié)構(gòu) 由于節(jié)點能量有限，無法將采集到的大量數(shù)據(jù)傳送到遠方的控制計算機，所以需要在傳感器網(wǎng)絡(luò)附近設(shè)置基站。如果把整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)比喻成一個交通網(wǎng)絡(luò)，那么基站就好比加油站，它的主要作用是給信息傳遞補充能量，將匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)信息可靠地傳輸?shù)接脩艚K端。同時，它還具有一個本地數(shù)據(jù)庫的副本來緩存最新的傳感器數(shù)據(jù)。 傳感器網(wǎng)絡(luò)所采集的數(shù)據(jù)信息最終都將被送到用戶終端，進行更深層次的分析、處理，這樣采集到的數(shù)據(jù)才能夠得以應(yīng)用，作為反饋來控制整個系統(tǒng)，使系統(tǒng)工作得更為精確、實時。同時，工作人員還可以通過終端計算機對遠程信息進行觀察、對比，以做出合理的操作控制。 WSN的協(xié)議棧結(jié)構(gòu) 典型的WSN協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖如圖13所示。該協(xié)議棧包括物理層（physical layer）、數(shù)據(jù)鏈路層（data link layer）、網(wǎng)絡(luò)層（network layer）、傳輸層（transport layer）和應(yīng)用層（application layer），分別與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧[4]的五層協(xié)議相對應(yīng)。同時，WSN協(xié)議棧還包括能量管理平臺、移動管理平臺和任務(wù)管理平臺。這些管理平臺使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點移動的傳感器網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務(wù)和資源共享。各層協(xié)議和平臺的功能如下：圖13 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖 l 物理層：負責數(shù)據(jù)的調(diào)制發(fā)送與接收，本層的設(shè)計直接影響到電路的復(fù)雜度和傳輸能耗等問題，設(shè)計原則應(yīng)該使節(jié)點盡量低成本、低功耗和小體積。l 數(shù)據(jù)鏈路層：負責數(shù)據(jù)流的多路復(fù)用、數(shù)據(jù)幀檢測、媒體介入和差錯控制等，保證了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸線路的可靠連接。l 網(wǎng)絡(luò)層：主要負責路由的生成和選擇。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計是以數(shù)據(jù)為中心，我們不會關(guān)注某個具體節(jié)點的觀測數(shù)據(jù)，而是關(guān)心某個區(qū)域的觀測數(shù)據(jù)。以數(shù)據(jù)為中心的特點要求WSN能夠脫離傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)尋址過程，快速有效地組織起各個節(jié)點的信息并融合提取出有用信息直接傳送給用戶。l 傳輸層：主要是對數(shù)據(jù)流進行傳輸控制，協(xié)作維護數(shù)據(jù)流，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分。我們最熟悉的TCP協(xié)議設(shè)計思想是基于屬性的命名機制，對于WSN并沒有太大的現(xiàn)實意義；適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸層協(xié)議更類似于UDP。l 應(yīng)用層：根據(jù)應(yīng)用要求的不同，包括一系列基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)用軟件。l 能量管理平臺：主要對節(jié)點的能量進行分配，以達到節(jié)約能量。l 移動管理平臺：記載節(jié)點的移動，維護匯聚節(jié)點的路由，使得節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居節(jié)點的位置。l 任務(wù)管理平臺：主要用來平衡和調(diào)度監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測任務(wù)。 隨著研究的進展，后來人們又提出了改進的WSN協(xié)議棧模型，其結(jié)構(gòu)圖如圖14[5]所示。圖14 改進的WSN協(xié)議棧模型 相對原始模型（圖3）來說，“時間同步和定位”既要依賴于數(shù)據(jù)傳輸通道進行協(xié)作定位和時間同步協(xié)商，同時又要為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議各層提供信息支持?！胺?wù)質(zhì)量”（Quality of Service，簡稱QoS）管理在各協(xié)議層設(shè)計隊列管理、優(yōu)先級機制或者帶寬預(yù)留等機制，并對特定應(yīng)用的數(shù)據(jù)給予特別處理?！巴負淇刂啤崩梦锢韺?、數(shù)據(jù)鏈路層或網(wǎng)絡(luò)層完成拓撲生成，反過來又為它們提供基礎(chǔ)信息支持，優(yōu)化MAC協(xié)議和路由協(xié)議的協(xié)議過程，提高協(xié)議效率，減少網(wǎng)絡(luò)能量消耗；網(wǎng)絡(luò)管理要求協(xié)議各層嵌入各種信息接口，并定時收集協(xié)議運行狀態(tài)和流量信息，協(xié)調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)中各個協(xié)議組件的運行。 WSN特點及其關(guān)鍵問題無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代傳感器網(wǎng)絡(luò)，有著鮮明的特點： （1）電源能量有限。節(jié)點一般采用自帶電源供電，由于它體積小，所帶電能有限，一旦耗完，節(jié)點就失去了工作能力。所以，在硬件設(shè)計方面應(yīng)盡量選用低功耗的器件，在軟件方面應(yīng)采用優(yōu)化的程序和通信協(xié)議，以保證電能的充足，延長節(jié)點的壽命。（2）無中心、動態(tài)拓撲。WSN沒有明確的中心，各個節(jié)點之間是對等的；任何節(jié)點都可以隨時加入或退出網(wǎng)絡(luò)，而不會影響其它節(jié)點的有效性，只是整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)會隨之而動態(tài)變化。（3）多跳、自組織。WSN中無需借助于其它輔助設(shè)備，完全由各個節(jié)點通過預(yù)設(shè)的協(xié)議和算法自行組織，在相互之間進行多跳轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，快速形成通信網(wǎng)絡(luò)。同時，節(jié)點間通信采用短距離多跳方式比長距離少跳方式省電，對整個網(wǎng)絡(luò)的性能更有利。（4）節(jié)點數(shù)量多，分布范圍廣。為了滿足探測的需要，需要在被探測區(qū)域投入大量的節(jié)點，來監(jiān)測環(huán)境信息。只有這樣才能在監(jiān)測范圍內(nèi)盡可能多、盡可能準確地獲取有價值信息。因而，一般WSN包含的節(jié)點數(shù)量非常之多，分布范圍之廣。 另外，WSN的特點也決定了它在技術(shù)上面臨著一些挑戰(zhàn)，存在著幾個關(guān)鍵問題： 能量管理問題。WSN可靠工作的首要前提是有足夠的電能，它決定了WSN能否可靠地工作。傳感器傳輸信息比執(zhí)行計算更消耗電能，因而構(gòu)成合理的拓撲通信網(wǎng)絡(luò)尤為重要。好的能量管理機制，能更好地延長傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存周期。 網(wǎng)絡(luò)拓撲控制。對于自組織的傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，網(wǎng)絡(luò)拓撲控制具有特別重要的意義。良好的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，不僅能夠提高路由協(xié)議和通信效率，而且能夠節(jié)省能量，延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存周期。因此，網(wǎng)絡(luò)拓撲控制也是關(guān)鍵問題之一。 帶寬有限。WSN中無限通信帶寬一般都很低，如果考慮沖突、噪聲等外界干擾，有效帶寬會更低。為了可靠地傳輸數(shù)據(jù)，足夠的帶寬設(shè)計是一個關(guān)鍵問題。 安全性差。WSN一般分布于環(huán)境惡劣的場所，由于采用無線信道、有限電源、分布式控制等技術(shù)，它更加容易受到入侵，保密性差。因此，WSN一般具有較差的魯棒性，需要好的安全設(shè)計措施。 健壯性。傳感器網(wǎng)絡(luò)特別適合部署在惡劣環(huán)境中，因而要求傳感器節(jié)點有很好的抗損壞能力，要求傳感器網(wǎng)絡(luò)有很好的自適應(yīng)性、高強壯性和容錯性。 幾種常用的無線通信技術(shù) 藍牙技術(shù) 1994年，. Ericsson公司與IBM、Intel、Nokia和Toshiba四家公司一起組成了一個SIG（Special Interest Group,特別興趣集團）聯(lián)盟，開發(fā)了一個無線標準，將計算機和通信設(shè)備或者附加部件通過短距離、低功耗、低成本的無線電波連接起來，這個項目被稱為藍牙（Bluetooth）。藍牙技術(shù)工作在ISM（Industrial Scientific Medical，工業(yè) 科學 醫(yī)學），一般通信距離為10米左右，傳輸速率為1Mbps。它能夠在手機、筆記本，臺式電腦、PDA等通信設(shè)備間進行數(shù)據(jù)傳輸，使用方便，并且全球通用。有關(guān)藍牙技術(shù)的更多信息參考文獻[6]。 紅外技術(shù) 1993年，多家廠商成立了紅外數(shù)據(jù)協(xié)會（IrDA：Infrared Data Association），統(tǒng)一了紅外技術(shù)標準。，最大通信距離為10米，最大通信角度為30176。，它的最大傳輸速率可達16Mbps。 紅外技術(shù)具有工作原理簡單，功耗小，成本低，安全性好，保密性高，無電磁干擾，無須政府批準頻帶等優(yōu)點。但是它不能穿透固體物質(zhì)，傳輸距離有限，而且只能夠?qū)崿F(xiàn)點到點的直線傳輸，這些缺點限制了它的推廣應(yīng)用。 ZigBee技術(shù) 2002年，ZigBee聯(lián)盟正式成立。2003年，IEEE正式發(fā)布了該項技術(shù)物理層和MAC層所采用的標準協(xié)議，即IEEE ；2004年12月，ZigBee聯(lián)盟正式發(fā)布了該項技術(shù)標準。 ZigBee是一種經(jīng)濟、高效、低數(shù)據(jù)速率（250kbps）、用于個人區(qū)域網(wǎng)和對等網(wǎng)絡(luò)。，數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kbps，免費全球通用。868/928MHz頻段的ZigBee分為10個信道和1個信道，傳輸速率分別為40 kbps和20 kbps，分別為歐洲和美國所使用。 由于ZigBee價廉、短距離、低功率的無線通信特點，它一直占據(jù)著無線通訊市場。特別在無限傳感器網(wǎng)絡(luò)方面，ZigBee有著十分廣泛的應(yīng)用，本文后邊將會對ZigBee在WSN中的應(yīng)用具體闡述。 WiFi技術(shù) WiFi（Wireless Fidelity，無線相容性認證），是由WiFi聯(lián)盟所制訂。它是無線局域網(wǎng)（WLAN）。 ISM頻段上，數(shù)據(jù)傳輸速率可達54Mbps；，數(shù)據(jù)傳輸速率高達11Mbps。 目前，WiFi技術(shù)尤其火熱，手機WiFi是一個熱潮。大量的智能手機現(xiàn)身市場，通過其WiFi技術(shù)吸引了眾多買家。無線路由也開始使用WiFi，其覆蓋范圍可達100米左右，遠遠超過了藍牙技術(shù)。另外，WiFi也開始進軍無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并且有著很大優(yōu)勢，但是此應(yīng)用才剛剛開始，仍需進一步發(fā)展。 RFID技術(shù) RFID(Radio Frequency Identification)，即射頻識別，俗稱電子標簽。RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。RFID技術(shù)被廣泛用于物流管理、生產(chǎn)制造與裝配、快遞包裹處理、文檔追蹤、圖書館管理、運動計時、電子門票、道路自動收費、野生動物標識等方面。 HomeRF技術(shù) 1997年，美國家用射頻委員會領(lǐng)導(dǎo)組成了HomeRF（Radio Frequency）工作組。它推出的HomeRF標準集成了語音和數(shù)據(jù)傳送技術(shù)，工作頻段為10GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率可達100Mbps，在WLAN的安全性方面主要考慮訪問控制和加密技術(shù)。當進行數(shù)據(jù)通信時，；當進行語音通信時，則采用數(shù)字增強型無繩通信標準。使用范圍有很大局限性，大多用在家庭網(wǎng)絡(luò)中。 UWB技術(shù)UWB(UltraWideband)超寬帶技術(shù)，是一種無載波通信技術(shù)，利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。它在10米左右的范圍內(nèi)能實現(xiàn)數(shù)百Mbps至數(shù)Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率， GHz頻段。相對其它幾種無線通信技術(shù)，UWB具有抗干擾性能強、傳輸速率高、帶寬極寬、消耗電能小、發(fā)送功率小等優(yōu)點，主要應(yīng)用于室內(nèi)通信、高速無線LAN、家庭網(wǎng)絡(luò)、無繩電話、安全檢測、定位、雷達等領(lǐng)域。 幾種無線通信技術(shù)對比 上文介紹了7種重要的短距離無線通信