【文章內(nèi)容簡介】 較長的場合，比如在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中，通過傳感器對環(huán)境變化進(jìn)行監(jiān)測，及時掌握空氣污染狀況。在醫(yī)療應(yīng)用方面，在病人身上安裝傳感器，使醫(yī)生隨時遠(yuǎn)程了解病情。在智能家居中，使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)把各種家居設(shè)備聯(lián)系起來，自動運(yùn)行、協(xié)調(diào)工作，為居住者提供更加便利舒適的生活環(huán)境[10]。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)通常包括分布式傳感器節(jié)點(diǎn)(群)、匯聚節(jié)點(diǎn)、互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面等(如圖22)。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸，當(dāng)信息傳輸距離較遠(yuǎn)時，會經(jīng)過多個節(jié)點(diǎn)跳轉(zhuǎn)傳輸后，路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)上位機(jī)。用戶通過上位機(jī)的用戶界面對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。圖22無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，在不同的應(yīng)用設(shè)計(jì)中也各不相同，但其基本單元都由下面四個部分組成:傳感器及模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)處理器及存儲單元、通信單元、電池及電源管理單元，如圖23所示。根據(jù)實(shí)際需求，還可以增加其它功能模塊，例如電源自供電系統(tǒng)，移動系統(tǒng)，定位系統(tǒng)等。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，第二章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)。無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。電源管理單元為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，通常采用微型電池。圖23 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作環(huán)境和工作方式?jīng)Q定了傳感器節(jié)點(diǎn)必須體積小、功耗低、功能盡可能單一。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也需要無線通信協(xié)議作為支持。與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議框架類似，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議框架也包括五層。(如圖24)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、差錯控制以及無線信道的使用控制，減少鄰居節(jié)點(diǎn)廣播引起的沖突。數(shù)據(jù)鏈路層的主要協(xié)議是MAC。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議：主要負(fù)責(zé)路由生成與路由選擇。傳輸層協(xié)議：傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保障通信質(zhì)量的重要部分。應(yīng)用層協(xié)議：基于用戶任務(wù)，負(fù)責(zé)規(guī)范節(jié)點(diǎn)的特殊任務(wù)，并為用戶提供友好的管理界面。物理層協(xié)議：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的調(diào)制、發(fā)送與接收。該層的設(shè)計(jì)將直接影響到電路的復(fù)雜度和功耗。研究的目標(biāo)是設(shè)計(jì)低成本、低功耗、體積小的傳感器節(jié)點(diǎn)。另外，協(xié)議棧還應(yīng)包括能量管理器、拓?fù)涔芾砥骱腿蝿?wù)管理器。這些管理器使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點(diǎn)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。能量管理器管理傳感器節(jié)點(diǎn)如何使用能源，在各個協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量；移動管理器檢測并注冊傳感器節(jié)點(diǎn)的移動，維護(hù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由，使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置；任務(wù)管理器在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測任務(wù)。第二章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)圖24 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議框架結(jié)構(gòu)圖 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)EndDevice、匯聚節(jié)點(diǎn)Router和管理節(jié)點(diǎn)Coordinator。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過管理節(jié)點(diǎn)對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。a. 傳感器節(jié)點(diǎn)處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過小容量電池供電。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個傳感器節(jié)點(diǎn)除了進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、管理和融合，并與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定任務(wù)。b. 匯聚節(jié)點(diǎn)匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強(qiáng)，它是連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet 等外部網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，同時向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)布來自管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測任務(wù)，并把WSN收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。匯聚節(jié)點(diǎn)既可以是一個具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，有足夠的能量供給和更多的、Flash和SRAM中的所有信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，通過匯編軟件，可很方便地把獲取的信息轉(zhuǎn)換成匯編文件格式，從而分析出傳感節(jié)點(diǎn)所存儲的程序代碼、路由協(xié)議及密鑰等機(jī)密信息，同時還可以修改程序代碼，并加載到傳感節(jié)點(diǎn)中。第二章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) c. 管理節(jié)點(diǎn)管理節(jié)點(diǎn)用于動態(tài)地管理整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有者通過管理節(jié)點(diǎn)訪問無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源。d. 無線傳感器測距在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，常用的測量節(jié)點(diǎn)間距離的方法主要有TOA（Time of Arrival），TDOA（Time Dif ference of Arrival）、超聲波、RSSI（Received Sig nalStrength Indicator）和TOF（Time of Light）等。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的幾種現(xiàn)實(shí)方案(1) 藍(lán)牙技術(shù)藍(lán)牙技術(shù)是近幾年出現(xiàn)的，廣受業(yè)界關(guān)注的近距無線連接技術(shù)。它是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，它以低成本的短距離無線連接為基礎(chǔ)，可為固定的或移動的終端設(shè)備提供廉價的接入服務(wù)。藍(lán)牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是為固定設(shè)備或移動設(shè)備之間的通信環(huán)境建立通用的近距無線接口，將通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步結(jié)合起來，使各種設(shè)備在沒有電線或電纜相互連接的情況下，能在近距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)相互通信或操作。 IsM頻段，提供IMbps的傳輸速率和10m的傳輸距離。藍(lán)牙技術(shù)最大的障礙是過于昂貴。突出表現(xiàn)在芯片大小和價格難以下調(diào)、抗干擾能力不強(qiáng)、傳輸距離太短、信息安全問題等等。這就使得許多用戶不愿意花大價錢來購買這種無線設(shè)備。(2) WiFi技術(shù)WiFi(Wireless Fidelity，無線高保真)也是一種無線通信協(xié)議，與藍(lán)牙一樣，同屬于短距離無線通信技術(shù)。WiFi速率最高可達(dá)11Mb/s。雖然在數(shù)據(jù)安全性方面比藍(lán)牙技術(shù)要差一些，但在電波的覆蓋范圍方面卻略勝一籌，可達(dá)100m左右。WiFi是以太網(wǎng)的一種無線擴(kuò)展，理論上只要用戶位于一個接入點(diǎn)四周的一定區(qū)域內(nèi)，就能以最高約11Mb/s的速度接入Web。WiFi未來最具潛力的應(yīng)用將主要在SOHO、家庭無線網(wǎng)絡(luò)以及不便安裝電纜的建筑物或場所。目前這一技術(shù)的用戶主要來自機(jī)場、酒店、商場等公共熱點(diǎn)場所。(3)ZigBee技術(shù)ZigBee協(xié)議比藍(lán)牙、WiFi技術(shù)更簡單實(shí)用。它使用 ，采用跳頻技術(shù)。與藍(lán)牙相比，ZigBee更簡單、速率更慢、功率及費(fèi)用也更低。它的基本速率是250kb/s，當(dāng)降低到28kb/s時，傳輸范圍可擴(kuò)大到200m，并獲得更高的可靠性。另外，它可與254個節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)。可以比藍(lán)牙更好地支持游戲、消費(fèi)電子、儀器和家庭自動化應(yīng)用。人們期望能在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、第二章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)和玩具等領(lǐng)域拓展ZigBee的應(yīng)用[11~12]。農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)傳輸具有需要數(shù)據(jù)采集或監(jiān)控的網(wǎng)點(diǎn)多、要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大且要求設(shè)備成本低、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高、安全性高、設(shè)備體積很小、不便放置較大的充電電池或者電源模塊、地形復(fù)雜、需要較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋等特點(diǎn)。比較上面幾種無線傳感器實(shí)現(xiàn)方案，選擇低成本，低功耗，低速率，開發(fā)簡單的ZigBee技術(shù)研發(fā)用于農(nóng)業(yè)環(huán)境的無線自動化監(jiān)測控制系統(tǒng)。 本章小結(jié)本章主要對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了介紹。介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和應(yīng)用，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)等方面，通過對幾種實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)進(jìn)行比較，選擇使用ZigBee技術(shù)研究和開發(fā)農(nóng)業(yè)無線自動化監(jiān)測控制系統(tǒng)。第三章 ZigBee技術(shù)第三章 ZigBee技術(shù)ZigBee聯(lián)盟是一個高速增長的非牟利業(yè)界組織，成員包括國際著名半導(dǎo)體生產(chǎn)商、技術(shù)提供者、代工生產(chǎn)商以及最終使用者，、可靠、高性價比、低功耗的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用規(guī)格，稱之為ZigBee標(biāo)準(zhǔn)，解決了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在普及應(yīng)用的過程中，因?yàn)闆]有統(tǒng)一的使用規(guī)范，不同廠家生產(chǎn)出的設(shè)備存在兼容的問題。目前超過68家成員公司正積極進(jìn)行ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。當(dāng)中包括7位推廣委員、半導(dǎo)體生產(chǎn)商、無線技術(shù)供應(yīng)商及代工生產(chǎn)商。7位推廣委員分別為:Honeywell，Invensys，Mitsubishi，Motorola，Philips，samsung。ZigBee聯(lián)盟的主要目標(biāo)是通過利用無線網(wǎng)絡(luò)功能，為消費(fèi)者提供更富彈性、更易用的電子產(chǎn)片。ZigBee技術(shù)能融入各類電子產(chǎn)品，應(yīng)用范圍橫跨全球民用、商用、公用及工業(yè)用等市場。，無線個人局域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。這個標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層和介質(zhì)訪問控制層。物理層規(guī)范確定無線網(wǎng)絡(luò)的工作頻段以及該頻段上傳輸數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)傳輸速率。介質(zhì)訪問控制層規(guī)范定義了在同一區(qū)域工作的多個無線信號如何共享空中信道。但是，僅僅定義物理層和介質(zhì)訪問層并不能保證不同設(shè)備之間可以對話。，定義了允許不同廠商制造的設(shè)備相互兼容的應(yīng)用綱要[13]。 ZigBee技術(shù)的簡介。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。蜜蜂在發(fā)現(xiàn)花叢后會通過一種特殊的肢體語言來告知同伴新發(fā)現(xiàn)的食物源位置等信息，這種肢體語言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之間一種簡單傳達(dá)信息的方式。借此意義Zigbee作為新一代無線通訊技術(shù)的命名。在此之前ZigBee也被稱為“HomeRF Lite”、“RF EasyLink”或“fireFly”無線電技術(shù)，目前統(tǒng)稱為ZigBee。簡單的說，ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴(kuò)展。ZigBee是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴(kuò)展。第三章 ZigBee技術(shù)與移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)不同的是，ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，因而，它必須具有簡單，使用方便，工作可靠，價格低的特點(diǎn)。而移動通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立，每個基站價值一般都在百萬元人民幣以上，而每個ZigBee“基站”卻不到1000元人民幣。每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以作為監(jiān)控對象，例如其所連接的傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過來的數(shù)據(jù)資料。除此之外，每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)(RFD)無線連接。 為了滿足低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)要求，任務(wù)就是針對于低速無線個人區(qū)域網(wǎng)(low rate wireless personal area network，LRWPAN)，為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間低速互連提供統(tǒng)一的制定標(biāo)準(zhǔn)。它具有復(fù)雜度低、成本極少、功耗很小的特點(diǎn)，能在低成本設(shè)備(固定、便攜或可移動的)之間進(jìn)行低數(shù)據(jù)率的傳輸。:(l) 在不同頻率下，有兩種不同的傳輸速率:250kbps()、20kbps(868，915MHz)。(2) 支持星型和對等網(wǎng)絡(luò)。(3) 每個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)最多可達(dá)65534個。(4) 作用范圍一般10厘米至10米，最多可達(dá)100米。(5) 功耗低，可以使用電池供電。(6) 支持沖突避免的載波多路偵聽技(carrier sense multiple access with collision avoidance，CSMACA)。(7) 支持確認(rèn)(ACK)機(jī)制，保證傳輸?shù)目煽啃訹14]。 ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)ZigBee是一種無線連接，(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國流行)3個頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在1075m的范圍內(nèi),但可以繼續(xù)增加。作為一種無線通信技術(shù)，ZigBee具有如下特點(diǎn)：(1) 低功耗: 由于ZigBee的傳輸速率低,發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式，功耗低,因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達(dá)6個月到2年左右的使用時間,這是其它無線設(shè)備望塵莫及的。第三章 ZigBee技術(shù)(2) 成本低：ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，—, 并且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。低成本對于ZigBee也是一個關(guān)鍵的因素。(3) 時延短: 通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設(shè)備時延30ms,休眠激活的時延是15ms, 活動設(shè)備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場合等)應(yīng)用。(4) 網(wǎng)絡(luò)容量大：一個星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個從設(shè)備和一個主設(shè)備， 一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡(luò), 而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。(5) 可靠: 采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙,避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式， 每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)行重發(fā)。(6) 安全: ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認(rèn)證， 采用了AES128的加密算法,各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。(7) 低速率: ZigBee工作在20～250kbps的速率，分別提供250 kbps()、40kbps(915 MHz)和20kbps(868 MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。(8) 近距離: 傳輸范圍一般介于10～100m之間，在增加發(fā)射功率后，亦可增加到1～3km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。(9)