【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 現(xiàn)在的無(wú)線傳 感器網(wǎng)絡(luò) （ Wireless Sensor Networks， WSN） 。發(fā)展至今，人們現(xiàn)在所謂的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)其實(shí)是在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，由大量傳感器節(jié)點(diǎn)，部署在不同地點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂破鳌? 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展對(duì)全球信息化的發(fā)展有著重要的意義，因此也是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，引起了世界上眾多國(guó)家的專家學(xué)者以及研究機(jī)構(gòu)的高度重視，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，并開(kāi)創(chuàng)了新的應(yīng)用領(lǐng)域的新興技術(shù)的概念。美國(guó)的 《 技術(shù)評(píng)論 》 雜志曾高度評(píng)價(jià)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，在未來(lái)新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)中，把無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)排在第一項(xiàng)的頭 等位置。美國(guó)商業(yè)周刊甚至包括 MIT 技術(shù)評(píng)論在內(nèi)的權(quán)威機(jī)構(gòu)，在一份預(yù)測(cè)未來(lái)科技發(fā)展的報(bào)告中明確指出，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將會(huì)是本世紀(jì)最優(yōu)影響力的，創(chuàng)造歷史的 10 大技術(shù)之一。隨著科技發(fā)展腳步的越來(lái)越快，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將更加貼近人們的生活，更多的典型成功案例將推進(jìn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)的發(fā)展，最終無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將成為我們生活和工作中不和或缺的一部分。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著 21 世紀(jì)高速信息化時(shí)代的來(lái)臨，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為新一代信息傳遞網(wǎng)絡(luò)， 應(yīng)用前景非常廣闊，它的飛速發(fā)展和在人們實(shí)際生活中的應(yīng)用，給我們生活和工 作產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，具有劃時(shí)代的意義。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最開(kāi)始是用在打戰(zhàn)或者軍事演習(xí)上，實(shí)現(xiàn)信息的采集與發(fā)送。 1999 年第一篇題為“傳感器走向無(wú)線時(shí)代”代表性論述出現(xiàn)。20xx 年以后，又有大量的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的論文問(wèn)世。 20xx 年 10 月 24 日，美國(guó)的英特爾公司發(fā)布了一篇名為“基于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型計(jì)算發(fā)展規(guī)劃”的報(bào)告。 20xx 年，美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)推出了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)支持計(jì)劃，康奈爾大學(xué)、哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校等大學(xué)都紛紛研究了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。IEEE Spectrum 在 20xx 年的雜志發(fā)表一篇文章：傳感器的國(guó)度，不但從理論上講述了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展具有遠(yuǎn)大的前景，更在實(shí)踐上證明了其應(yīng)用具有廣闊的市場(chǎng)和前景。美國(guó)國(guó)防部對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用高度重視，并制定該方向的研究為重點(diǎn)研究領(lǐng)域，并設(shè)立了相關(guān)軍屬傳感器網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目的研究計(jì)劃。 放眼全世界，各個(gè)國(guó)都的領(lǐng)導(dǎo)和學(xué)者都非常重視無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展與應(yīng)用， IEEE 正在加大推進(jìn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展的步伐，波士頓大學(xué) （ Boston University）Millennial Net、 Invensys、 Radianse 以及霍尼韋爾 （ Honeywell） 還創(chuàng)辦了傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)會(huì) (Sensor Network Consortium)，期望加快無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和發(fā)展。 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì) （論文） 3 在日本， 20xx 年 11 月 24 日由日本制作所和 YRP 泛網(wǎng)絡(luò)化研究所開(kāi)發(fā)了一款全球最小體積的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)終端傳感器，終端載有電源模塊，可以搭載溫度、濕度、振動(dòng)傳感以及加速度等各種傳感器。具體而言，該系統(tǒng)結(jié)合了紅外技術(shù)，用來(lái)檢測(cè)是門(mén)窗的玻璃和家電的振動(dòng)情況等。 在美國(guó)金門(mén)大橋上分布了大量聯(lián)網(wǎng)“微塵”節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)用于確定大橋兩邊的擺動(dòng)距離。當(dāng)微塵檢測(cè)出大橋兩邊的 移動(dòng)距離時(shí)，節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線傳輸，把數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)控制的計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，排除大橋潛在隱患。 英特爾公司與加利福利亞洲大學(xué)伯克利分校聯(lián)合展開(kāi)了大鴨島環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。通過(guò)分布在島上的傳感器節(jié)點(diǎn)，對(duì)島嶼環(huán)境進(jìn)行了 9 個(gè)月左右的監(jiān)測(cè)，采集相關(guān)數(shù)據(jù)。 在國(guó)內(nèi)，與其他發(fā)達(dá)國(guó)家一樣，對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究幾乎在同一時(shí)間開(kāi) 始。1999 年在中國(guó)科學(xué)院所發(fā)版《知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究》的“信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告”中，第一次引入了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念。其項(xiàng)目名稱為：重點(diǎn)地區(qū)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)決策支持示范系統(tǒng)，是本 報(bào)告又一重大領(lǐng)域的研究。 20xx 年中國(guó)科學(xué)院聯(lián)合上海微系統(tǒng)所在上海成立了微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，并隨后在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向上，明確指明了若干重大研究項(xiàng)目和發(fā)展方向項(xiàng)目。 20xx 年，清華大學(xué)、重慶大學(xué)分別在管理數(shù)據(jù)系統(tǒng)和時(shí)鐘同步定位方面展開(kāi)了專門(mén)的研究。 20xx 年中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)把無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為了重點(diǎn)研究領(lǐng)域。中國(guó)科學(xué)院在 20xx 年初召開(kāi)了關(guān)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的專項(xiàng)研討會(huì)，討論了近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展進(jìn)度和未來(lái)的發(fā)展方向。在《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要 (20xx2020)》中，“傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能信息處理”被列于重點(diǎn)領(lǐng)域及其優(yōu)先主題“信息產(chǎn)業(yè)及現(xiàn)代服務(wù)業(yè)”中，而在新興技術(shù)和重點(diǎn)技術(shù)中支持“自組織 傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”。 20xx 年，國(guó)家自然科學(xué)基金將水下移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)列為研究重點(diǎn)。 發(fā)展趨勢(shì) （ 1） 成本更低。無(wú)線傳感器起源于軍事領(lǐng)域，隨著科技發(fā)展，越來(lái)越多的應(yīng)用， 面向民用，而且民用領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景。但是民用而言，成本與回報(bào)往往制約其應(yīng)用的關(guān)鍵因素，所以，成本低廉將是制約無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)民用推廣的重要因素。成本低廉除了節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件制造技術(shù)有關(guān)意外 ，還與市場(chǎng)的推廣有著密切聯(lián)系，但是隨著科技的進(jìn)步，低成本的產(chǎn)品在不久便會(huì)面世。 （ 2） 技術(shù)更加成熟與完善。雖然目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展如此迅猛，而且也在軍事和民用領(lǐng)域得到一定的應(yīng)用，但是技術(shù)的完善和成熟依然是推動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的關(guān)鍵因素。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的學(xué)科和知識(shí)太廣，節(jié)點(diǎn)資源的擴(kuò)展技術(shù)不夠完善以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多樣性，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)稱不上非常成熟。目前的無(wú)線傳感器系統(tǒng)大多處于試驗(yàn)性應(yīng)用，商用系統(tǒng)相對(duì)較少。所以，提高無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)是以后要重點(diǎn)發(fā)展的一個(gè)方向。 （ 3） 市場(chǎng)的推廣。市場(chǎng)的推廣對(duì)于產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和研究有著至關(guān)重要的意義，對(duì)于一些極具市場(chǎng)應(yīng)用前景的系統(tǒng)，結(jié)合用戶的不同需求，開(kāi)展面向典型行業(yè)的示范性系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，以此帶動(dòng)整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)的發(fā)展，如智能家居、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、智能農(nóng)業(yè)等相關(guān)應(yīng)用。 （ 4） 統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)范的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是推進(jìn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)久發(fā)展的重要保證。就目前所了解的情況而且，標(biāo)準(zhǔn)化水平比較低，常見(jiàn)的只有 IEEE 、 Zigbee、 IEEE 1451 標(biāo)準(zhǔn)族、關(guān)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與 IPv6 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的幾個(gè) Draft。因此要持續(xù)推進(jìn) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，必須制定更加完善與規(guī)范的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 程兵 ： ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì) 4 第 2 章 ZigBee 技術(shù)及特點(diǎn) 目前在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，主要使用 ZigBee、紅外、藍(lán)牙、 WiFi 等技術(shù)進(jìn)行無(wú)線通信。紅外技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，最容易實(shí)現(xiàn)。但是紅外技術(shù)的缺點(diǎn)在于通訊距離短，只支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信以及不能穿越障礙。藍(lán)牙技術(shù)雖然應(yīng)用已經(jīng)很廣泛，但是其協(xié)議成本復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)功耗較大，開(kāi)發(fā)成本較貴，不適合工農(nóng)業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用。 WiFi 技術(shù)雖然通信速率可達(dá) 11Mbps，但是其開(kāi)發(fā)成本和功耗都很大，而且安全性不強(qiáng)，所以在 WiFi 也很少應(yīng) 用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 ZigBee 是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)，由于其低成本、低功耗、短距離、低速率、自組織等特點(diǎn)，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。 ZigBee 技術(shù)概述 ZigBee 是一種低功耗以及短距離進(jìn)行通信的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)。由于成本低廉、數(shù)據(jù)速率低以及實(shí)施短距離的無(wú)限網(wǎng)絡(luò)來(lái)延長(zhǎng)電池壽命， ZigBee 無(wú)線技術(shù)成為領(lǐng)先的全球標(biāo)準(zhǔn)。 ZigBee 聯(lián)盟是由相關(guān)公司組成的一個(gè)聯(lián)合體，它們基于同一個(gè)開(kāi)放的全球標(biāo)準(zhǔn)來(lái)生產(chǎn)可靠、成本效益明顯以及低功耗的無(wú)線聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)和控制產(chǎn)品。在大多數(shù)的 ZigBee 無(wú)線產(chǎn) 品的應(yīng)用中，產(chǎn)品大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)。因此大部分的 ZigBee 產(chǎn)品能用幾年的時(shí)間而不用換電源。 ZigBee 起源于蜜蜂之間交流時(shí)候所走了 ZigBee 形狀的路徑，所以實(shí)際上是一種便捷的交流方式。 ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基于 IEEE 無(wú)線通信協(xié)議， ZigBee 作為一種新興的無(wú)線連接技術(shù)。 ZigBee 可以工作在三個(gè)頻頻段，分別為 （全球通用）、 868MHz （限歐洲）和 915MHz（限美國(guó)），而在這些頻段上所對(duì)應(yīng)的最高的數(shù)據(jù)傳輸速率分別是250kbit/s、 20kbit/s 和 40kbit/s。 ZigBee 的通信距離一般在 10 ~75 m 的范圍內(nèi)，但是根據(jù)實(shí)際情況（發(fā)射功率、靈敏度、環(huán)境等），可能更大。 ZigBee 聯(lián)盟預(yù)測(cè)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車自動(dòng)化、老年人健康側(cè)鍵、農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)、工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備和醫(yī)用設(shè)備控制等。 相信隨著 Zigbee 技術(shù)以及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，低速率將更多的在我們的生活中實(shí)現(xiàn)，并且應(yīng)用也將日益廣泛。 ZigBee 的出現(xiàn)，為短距離通信的發(fā)展和應(yīng)用帶來(lái)了新的方向。ZigBee 技術(shù)也因此成為全球熱門(mén)研究的一個(gè)領(lǐng)域。隨著越來(lái)越多的人對(duì) ZigBee 的研究和關(guān)注。在不久的將來(lái)， ZigBee 產(chǎn)品將實(shí)現(xiàn)全球化，為科技的發(fā)展帶來(lái)一場(chǎng)新的革命，可以預(yù)見(jiàn)， ZigBee 技術(shù)所帶來(lái)的影響，將會(huì)和計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)所帶給我們的影響一樣，滲透到我們每天的工作生活中，為人類的生活帶來(lái)更多的方便和快捷 。 ZigBee 技術(shù)特點(diǎn) （ 1） 低功耗。 ZigBee 最為顯著的一個(gè)特點(diǎn)就是低功耗。首先其發(fā)射功率只有 1mW；其次由于工作周期短、在收發(fā)信息的過(guò)程中功耗低；最后 ZigBee 還采用了休眠機(jī)制，在不工作的時(shí)候下處于休眠狀態(tài)。因此兩節(jié)普通的 5號(hào)電池就可以使節(jié)點(diǎn)工作半年以上。 （ 2） 成本低。只要幾 美元就能構(gòu)建一個(gè) ZigBee 模塊；協(xié)議相對(duì)而且得到了極大的簡(jiǎn)化，降低了所需的存儲(chǔ)空間，而且作為專利的協(xié)議是免費(fèi)的。由此可見(jiàn)，成本并不高。 （ 3） 低傳輸速率。 ZigBee 即使處于 頻段時(shí)，其傳輸速率為 （ 20~250） kbit/s 的較低傳輸速率。 （ 4） 近距離。即使在不適用放大器的情況下， ZigBee 節(jié)點(diǎn)之間的有效傳輸距離一般為 10~100m，一般的家庭和辦公場(chǎng)所足夠使用。如果加入放大器和路由器，傳輸?shù)姆秶梢愿蟆? 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì) （論文） 5 （ 5） 時(shí)延小。 ZigBee 從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài) 只要 15ms，可見(jiàn)其響應(yīng)速度較快， 并且節(jié)點(diǎn)連接加網(wǎng)的過(guò)程只需 30 ms。 （ 6） 高容量。由于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多樣性，利用網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇梢詫⒕W(wǎng)絡(luò)延伸甚至穿透障礙的阻隔，實(shí)現(xiàn)通信。 （ 7） 高安全。 ZigBee 對(duì)于數(shù)據(jù)保密方面也有很嚴(yán)密的加密過(guò)程。包括使用接入控制清單、使用對(duì)稱密碼以及無(wú)安全特權(quán)的設(shè)定。如表 21 所示，比較了目前幾種常用的無(wú)線通信技術(shù)。 表 21 應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信技術(shù) Bluetooth 10 低 10000 100 高 11000 RFID 50kHz~ 5 高 200 ZigBee 10~75 低 250 IrDA infrared 1 低 16000 UWB ~ 10 低 100000 ZigBee 協(xié)議結(jié)構(gòu) ZigBee 的協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖 21 所示，基本上和 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類似。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、 MAC 層和物理層 .其中物理層 （ PHY） 和媒體接入 層 （ MAC）以及鏈路層 （ LLC） 由 IEEE 工作組來(lái)制定，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由 ZigBee 聯(lián)盟制定。其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。程兵 ： ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì) 6 應(yīng) 用 層應(yīng) 用 層 匯 聚 層網(wǎng) 絡(luò) 層其 它 L L C 標(biāo) 準(zhǔn)I E E E 8 0 2 . 2 L L CS S C SM A C ( I E E E 8 0 2 . 1 5 . 4 ）2 . 4 G H z P H Y 8 6 8 / 9 1 5 M H z P H Y 圖 21 ZigBee 的協(xié)議結(jié)構(gòu) （ 1） 物理層。 IEEE 定義了頻率分別為 和 868/915MHz 的兩個(gè)物理層。我國(guó)采用的是 物理層標(biāo)準(zhǔn)。兩者的數(shù)據(jù)包格式都是基于直接序列擴(kuò)頻，兩者的區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)和傳輸速 率。物理層的主要功能包括信道的選擇，信號(hào)的調(diào)制方式，數(shù)據(jù)傳輸速率的選擇以及數(shù)據(jù)的收發(fā)等。（ 2） MAC 層。 MAC 層物理層的上一層，其主要實(shí)現(xiàn)的功能包括 ：時(shí)隙管理機(jī)制 (GTS)；信標(biāo)管理機(jī)制；信道接入機(jī)制；媒體訪問(wèn)；數(shù)據(jù)打包；差錯(cuò)控制等； MAC 子層中有 4 種類型的幀：數(shù)據(jù)幀、標(biāo)志幀、命令幀和確認(rèn)幀。 ZigBee 采用了 CSMA/CA 的信道接入方式和完全握手協(xié)議，提高傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。 MAC 子層數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程如圖 22 所示。 發(fā) 起 者 M A C 接 收 者 M A C 發(fā) 起 者接 收 者信 道 接 入 數(shù) 據(jù) 幀確 認(rèn) （ 應(yīng) 答 請(qǐng) 求 ） 數(shù) 據(jù) 確 認(rèn)數(shù) 據(jù) 請(qǐng) 求數(shù) 據(jù) 指 示 圖 22 MAC 子層數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì) （論文） 7 （ 3） 網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層的作用是：網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的初始化；網(wǎng)絡(luò)的新建；路由的生成、維護(hù)、選擇；數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)安全等。其中路由包括尋找傳輸節(jié)點(diǎn)間的