【正文】 組在從事無線傳感器網(wǎng)絡相關技術的研究。國內的一些科研單位和著名大學，如中國科學院自動化所、軟件所及清華大學、哈爾濱工業(yè)大學從2002年開始在時間同步與定位、傳感器數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)方面開展了研究工作。國家發(fā)改委下一代互聯(lián)網(wǎng)(CNGI)示范工程中，也部署了無線傳感器網(wǎng)絡相關的課題，國內也有越來越多的企業(yè)開始關注無線傳感器網(wǎng)絡技術的發(fā)展，開始推出針對無線傳感器網(wǎng)絡及ZigBee的解決方案，而無線網(wǎng)絡應用在生活中的研究也是剛剛起步[7]。例如，在工業(yè)領域，ZigBee技術不僅用來控制照明燈的開關，它還有一個用途是檢查高速路上照明燈的工作情況。再如，ZigBee技術用于進出的控制，可以記錄汽車的進出，也可以在人員進出時用于傳輸相關指紋來識別數(shù)據(jù)，進行身份認證。在加油站，一些客戶不希望布線，他們正在考慮采用ZigBee無線技術來傳輸相關數(shù)據(jù)?，F(xiàn)今我們也可以看到ZigBee用于家庭保安，消費者在家中的門和窗上都安裝了ZigBee網(wǎng)絡，當有人闖入時，ZigBee可以控制開啟室內攝像裝置，這些數(shù)據(jù)再通過Internet或WLAN網(wǎng)絡反饋給主人，從而實現(xiàn)報警[8]。在建筑智能化領域，各種燈光的控制，氣體的感應與監(jiān)測，如煤氣泄漏的感應和報警都可以應用ZigBee技術。在工業(yè)領域，利用傳感器和ZigBee網(wǎng)絡，使得數(shù)據(jù)的自動采集，分析和處理變得更加容易，可以作為決策輔助系統(tǒng)的重要組成部分。由于很多傳感器只能內置在飛轉的車輪或者發(fā)動機中，比如輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)，這就要求內置無線通信設備使用的電池有較長的壽命，同時應該克服嘈雜的環(huán)境和金屬結構對電磁波的屏蔽效應。在家庭和樓宇自動化領域，家庭自動化系統(tǒng)作為電子技術的集成得以迅速擴展，易于進入，簡單明了和廉價的安裝成本等成了驅動自動化居家，建筑開發(fā)和應用無線技術的主要動因[8]。在消費和家用自動化市場，可以聯(lián)網(wǎng)的家用設備有電視，錄像機，無線耳機，PC外設，運動與休閑器械，兒童玩具，游戲機，窗戶和窗簾，照明設備，空調系統(tǒng)和其它家用電器。一是，目前我國采用的空氣質量監(jiān)測方法的研究，基于無線傳感器網(wǎng)絡的空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)的研究意義和無線傳感器網(wǎng)絡的概述，概述包括基本概念、結構、體系結構、特點、應用、關鍵技術和網(wǎng)絡拓撲結構。溫濕度傳感器節(jié)點由西安華凡科技有限公司的HFZ－CC2430EM－22模塊，溫濕度傳感器DHT90和兩節(jié)五號電池組成。研究了HFZ－CC2430EM－22模塊的結構、特性和CC2430芯片的內部結構、外在電路；研究了DHT90的工作原理并實現(xiàn)了傳感器通信，最終焊接制作出溫濕度傳感器節(jié)點。主要應用母版的串口電路和電源模塊，因為匯聚節(jié)點一直處于工作狀態(tài)因此選擇持續(xù)的USB供電方式，通過串口連接匯聚節(jié)點和PC機并顯示測試數(shù)據(jù)，而串口電平與TTL電平幅值不同無法直接相連，因此需要串口電路轉換電平。論文研究了德州儀器開發(fā)的ZigBee協(xié)議棧Z－Stack的軟件構架，并在IAR集成開發(fā)環(huán)境中開發(fā)該協(xié)議棧，根據(jù)傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點的應用流程添加自己的溫濕度采集應用程序和修改主文件中的任務處理函數(shù)，最終實現(xiàn)功能。介紹了目前的空氣質量監(jiān)測方法，課題的研究背景及研究意義，無線傳感器網(wǎng)絡的研究進展和論文的主要研究內容和組織框架。介紹了無線傳感器網(wǎng)絡的基本構架、體系結構、特點、應用和關鍵技術。介紹了ZigBee技術，系統(tǒng)的總體結構設計，傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點的硬件設計。介紹了ZigBee協(xié)議棧，IAR集成開發(fā)環(huán)境，傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點的應用程序設計?？偨Y本論文所做的工作，提出現(xiàn)有方案的不足之處，并對下一步工作進行了展望。它的英文是Wireless Sensor Network 簡稱WSN。在這個定義中，傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集，處理和傳輸?shù)娜N功能，而這對應著現(xiàn)代信息技術的三大基礎技術，即傳感器技術，計算機技術和通信技術。發(fā)達國家如美國，非常重視無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展，IEEE正在努力推進無線傳感器網(wǎng)絡的應用和發(fā)展。美國的《技術評論》雜志在論述未來新興十大技術時，更是將無線傳感器網(wǎng)絡列為第一項未來新興技術，《商業(yè)周刊》預測的未來四大新技術中，無線傳感器網(wǎng)絡也被列入其中[10]。 無線傳感器網(wǎng)絡體系結構概述近年來隨著無線通信、集成電路、傳感器以及微機電系統(tǒng)（MEMS）等技術的飛速發(fā)展，使得低成本、低功耗、多功能的微型無線傳感器的大量生產成為可能，這些微型無線傳感器具有無線通信、數(shù)據(jù)采集和處理、協(xié)同合作等功能，無線傳感器網(wǎng)絡（以下簡稱傳感器網(wǎng)絡）就是由許多這些傳感器節(jié)點協(xié)同組織起來的。傳感器網(wǎng)絡被認為是21世紀最重要的技術之一，它將會對人類未來的生活方式產生深遠影響[11]。傳感器網(wǎng)絡最初來源于美國先進國防研究項目局(DARPADefense Advanced Research Projects Agency)的一個研究項目，當時處于冷戰(zhàn)時期，為了監(jiān)測敵方潛艇的活動情況，需要在海洋中布置大量的傳感器，使用這些傳感器所監(jiān)測的信息來實時監(jiān)測海水中潛艇的行動。近年來隨著無線通信、微處理器、微電機系統(tǒng)等技術的發(fā)展，使得傳感器網(wǎng)絡的理想藍圖能夠得以實現(xiàn)，其應用前景越來越廣，國外各個研究機構對它的研究也正方興未艾。 無線傳感器網(wǎng)絡特點傳感器網(wǎng)絡是由大量體積小、成本低、具有無線通信、傳感、數(shù)據(jù)處理的傳感器節(jié)點（sensor node）組成的，傳感器節(jié)點一般由傳感單元、處理單元、收發(fā)單元、電源單元等功能模塊組成（如圖21所示）。其中電源單元是最重要的模塊之一，有的系統(tǒng)可能采用太陽能電池等方式來補充能量，但是大多數(shù)情況下傳感器節(jié)點的電池是不可補充的。此外，GPS定位還受到其他限制，如部分應用于建筑物內部等。除借助GPS的定位方式外，還有離散梯度法等間接定位方式。傳感器網(wǎng)絡的主要特點有：1) 傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)量大、密度高由于傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的微型化，每個節(jié)點的通信和傳感半徑很有限，一般為十幾米范圍之內，而且為了節(jié)能，傳感器節(jié)點大部分時間處于睡眠狀態(tài)，所以往往通過鋪設大量的傳感器節(jié)點來保證網(wǎng)絡的質量。這會帶來一系列問題，如信號沖突、信息的有效傳送路徑的選擇、大量節(jié)點之間如何協(xié)同工作等。3) 傳感器網(wǎng)絡節(jié)點在電池能量、計算能力和存儲容量等方面有限制由于傳感器節(jié)點的微型化，節(jié)點的電池能量有限，而且由于物理限制難以給節(jié)點更換電池，所以傳感器節(jié)點的電池能量限制是整個傳感器網(wǎng)絡設計最關鍵的約束之一，它直接決定了網(wǎng)絡的工作壽命。4) 傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構變化很快由于傳感器網(wǎng)絡自身的特點，傳感器節(jié)點在工作和睡眠狀態(tài)之間切換以及傳感器節(jié)點隨時可能由于各種原因發(fā)生故障而失效，或者有新的傳感器節(jié)點補充進來以提高網(wǎng)絡的質量，這些特點都使得傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構變化很快，這對網(wǎng)絡各種算法（如路由算法和鏈路質量控制協(xié)議等）的有效性提出了挑戰(zhàn)。5) 以數(shù)據(jù)為中心在傳感器網(wǎng)絡中人們只關心某個區(qū)域的某個觀測指標的值，而不會去關心具體某個節(jié)點的觀測數(shù)據(jù)，比如說人們可能希望知道“檢測區(qū)域的東北角上的溫度是多少”，而不會關心“節(jié)點N所探測到的溫度值是多少”。而傳統(tǒng)網(wǎng)絡傳送的數(shù)據(jù)是和節(jié)點的物理地址聯(lián)系起來的，以數(shù)據(jù)為中心的特點要求傳感器網(wǎng)絡能夠脫離傳統(tǒng)網(wǎng)絡的尋址過程，快速有效的組織起各個節(jié)點的信息并融合提取出有用信息直接傳送給用戶[15]。他們還為Mica開發(fā)了一套微型的操作系統(tǒng)TinyOS。Mica2工作在915MHz的ISM頻段上，有兩個可調的工作頻率：[16]?，F(xiàn)在關于傳感器網(wǎng)絡的大多數(shù)科研和演示系統(tǒng)都是以Mica為平臺的。另一方面由于節(jié)點的微型化要求每個節(jié)點的體積越來越小，Dust公司已經開始設計最終能夠懸浮于空氣中的“靈巧微塵”（smart dust）傳感器，現(xiàn)已設計出的最小全功能“靈巧微塵”的直徑只有5mm左右，他們計劃將在1年之內最終設計出體積不大于1mm3的產品。這樣就可以方便地監(jiān)控我軍布防的陣地是否有敵軍入侵，也可以將網(wǎng)絡布置在敵方陣地上，以隱密的方式監(jiān)控敵方陣地和敵軍活動情況。雖然傳感器網(wǎng)絡最初主要應用于軍事領域，但是隨著技術的發(fā)展，傳感器節(jié)點的成本越來越低，而功能卻日益強大，使得以前造價昂貴的傳感器網(wǎng)絡現(xiàn)在已經能夠進入民用領域。傳感器網(wǎng)絡在民用方面的應用主要有：生態(tài)環(huán)境監(jiān)測；基礎設施安全；先進制造；物流管理；醫(yī)療健康；工業(yè)傳感；智能交通控制；智能能源等。可以肯定的是，隨著技術的進步和經濟的發(fā)展，傳感器網(wǎng)絡必將會越來越多的應用到社會生活的各個方面。而功耗和安全問題對于無線傳感器網(wǎng)絡來說，是兩個最重要的性能指標，所以WSN的關鍵技術必然以降低網(wǎng)絡功耗和確保網(wǎng)絡安全為主線。1) 網(wǎng)絡拓撲控制對于自組織的傳感器網(wǎng)絡而言，網(wǎng)絡拓撲控制具有特別重要的意義。所以，拓撲控制是WSN研究的核心技術之一[19]。拓撲控制分為節(jié)點功率控制和層次型拓撲結構控制兩個方面。層次型的拓撲控制利用分簇機制，讓一些節(jié)點作為簇頭，由簇頭形成一個處理并轉發(fā)數(shù)據(jù)的骨干網(wǎng)，其他非骨干網(wǎng)節(jié)點可以暫時關閉通信模塊，進入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。但是在數(shù)據(jù)的采集和傳輸過程中，總要對采集的數(shù)據(jù)進行處理，因此存在如何對采集的數(shù)據(jù)進行處理、融合的問題。因此，如何對采集的數(shù)據(jù)進行處理與融合對降低節(jié)點能耗起到相當大的作用。3) 定位技術位置信息是傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)中不可缺少的部分，沒有位置信息的監(jiān)測消息通常毫無意義。由于傳感器節(jié)點存在資源有限、隨機部署、通信易受環(huán)境干擾甚至節(jié)點失效等特點，定位機制必須滿足自組織性、健壯性、能量高效、分布式計算等要求。基于測距的定位機制利用到達時間延遲、信號到達時差和接收信號強度來估計距離或來波方向，然后使用三邊測量法或最大似然估計等計算未知節(jié)點的位置。距離無關的定位機制的定位性受環(huán)境因素的影響小，雖然定位誤差相應有所增加，但定位精度能夠滿足多數(shù)傳感器網(wǎng)絡應用的需求，是目前大家重點關注的定位機制[20]。把低功耗、低成本作為設計的主要目標。另外，超寬帶無線通信以其高速率、低功耗、抗多徑、低成本等諸多優(yōu)勢，已成為室內短距離無線網(wǎng)絡的首選方案，這為WSN的數(shù)據(jù)傳輸開辟了一種嶄新的方案。另外,傳感器網(wǎng)絡是一個分布式網(wǎng)絡,所有節(jié)點在通信上地位對等,沒有優(yōu)先級可言。 無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結構從無線傳感器組網(wǎng)形態(tài)和方法來看，有集中式、分布式和混合式。其中無線傳感器按節(jié)點功能及結構層次來看，有可分為平面網(wǎng)絡結構、分級網(wǎng)絡結構、混合網(wǎng)絡結構以及Mesh網(wǎng)絡結構[21]。但是由于采用自組織協(xié)同算法形成網(wǎng)絡，其組網(wǎng)算法比較復雜：圖22 無線傳感器網(wǎng)絡平面網(wǎng)絡結構Fig 22 level network structure of Wireless sensor network2) 分級網(wǎng)絡結構（層次網(wǎng)絡結構）：如下圖23所示，分級網(wǎng)絡分為上層和下層兩個部分—上層為中心骨干節(jié)點；下層為一般傳感器節(jié)點。一般傳感器節(jié)點沒有路由、管理及匯聚處理等功能。這種結構和分級網(wǎng)絡結構不同的是一般傳感器節(jié)點之間可以直接通信，可不需要通過匯聚骨干節(jié)點來轉發(fā)數(shù)據(jù)，但是對所需硬件成本更高[22]。通常只允許和節(jié)點最近的鄰居通信。由于通常Mesh網(wǎng)絡結構節(jié)點之間存在多條路由路徑，網(wǎng)絡對于單點或單個鏈路故障具有較強的容錯能力。圖25無線傳感器網(wǎng)絡的Mesh網(wǎng)絡結構Fig 25 Mesh network structure of Wireless sensor network從技術上看，基于Mesh網(wǎng)絡結構的無線傳感器具有以下特點：：這種類型的網(wǎng)絡節(jié)點是由一個傳感器或執(zhí)行器構成且連接到一個雙向無線收發(fā)器。具有自我形成、自愈功能，以確保存在一條更加可靠的通信路徑。通過Mesh方式的網(wǎng)絡連接，只需短距離的通信鏈路，經受較少的干擾，因而可以為網(wǎng)絡提供較高的吞吐率及較高的頻譜復用效率?；静皇茈娫聪拗?，而感應節(jié)點通常由電池供電。無線傳感器節(jié)點結構：如下圖26所示，無線傳感器由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊這四部分組成。圖26無線傳感器節(jié)點結構Fig 26 Wireless sensor node structure除了這四個模塊外，傳感器節(jié)點還可以包括其他輔助單元，如移動系統(tǒng)、定位系統(tǒng)和自供電系統(tǒng)等。3 空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計 ZigBee技術。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網(wǎng)絡。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡基站。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)絡平臺，在整個網(wǎng)絡范圍內，每一個Zigbee網(wǎng)絡數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡節(jié)點間的距離可以從標準的75m無限擴展。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。除此之外，每一個Zigbee網(wǎng)絡節(jié)點(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內，和多個不承擔網(wǎng)絡信息中轉任務的孤立的子節(jié)點(RFD)無線連接。作為一種無線通信技術，ZigBee具有如下特點：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設備非常省電。2) 成本低：ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，—, 并且ZigBee協(xié)議是免專利費的。3) 時延短：通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延30ms,休眠激活的時延是15ms,活動設備信道接入的時延為15ms。4) 網(wǎng)絡容量大：一個星型結構的Zigbee網(wǎng)絡最多可以容納254個從設備和一個主設備，一個區(qū)域內可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡,而且網(wǎng)絡組成靈活。MAC層采用了完全確認的數(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信息。6) 安全：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權和認證，采用了AES128的加密算法,各個應用可以靈活確定其安全屬性。ZigBee網(wǎng)絡層、加密層及應用描述層的制定也取得了較大的進展。其他應用領域及其相關的設備描述也會陸續(xù)發(fā)布。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個設備的基本節(jié)點的4K字節(jié)或者作為Hub或路由器的協(xié)調器的32K字