【正文】 世界70年代，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸連接傳感控制器構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)；第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有獲得多種信息、信號(hào)的綜合能力，采用串/并接口（如RS23RS485）與傳感控制器相連，構(gòu)成有多種綜合信息的傳感器網(wǎng)絡(luò)；第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代后期和21世紀(jì)初，采用現(xiàn)場總線連接傳感控制器，構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)，成為智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)；第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)即是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，正在研究開發(fā)。2004年，《IEEE Spectrum》雜志發(fā)表一期專集《傳感器的國度》，論述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和可能地廣泛應(yīng)用?？梢灶A(yù)見，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必將成為21世紀(jì)一項(xiàng)極為重要的技術(shù)，它的發(fā)展和推廣也必將給人類社會(huì)帶來重大影響和變革。在將來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)甚至能夠滲入到我們生活的角角落落，我們可以將手機(jī)、筆記本電腦、PDA(Personal Digital Assistant,個(gè)人數(shù)碼處理)等便攜裝置隨時(shí)組成網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成一個(gè)WLAN（Wireless Local Area Network,無線局域網(wǎng)），充分享受“信息隨身化、便利走天下”的理想境界。將WSN應(yīng)用到空調(diào)系統(tǒng)，來控制空調(diào)的功率和開關(guān)，從而能達(dá)到節(jié)能省電的目的?？傊?，在不久的將來，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。國外發(fā)達(dá)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(xué)創(chuàng)辦了傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)會(huì)(Sensor Network Consortium)，期望能促進(jìn)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(dá)到 “全球到達(dá)、迅速反應(yīng)”的低傷亡作戰(zhàn)目標(biāo)；美國國家科學(xué)基金贊助的Biomedical Sensors項(xiàng)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(xiàng)目[2]等等都是關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要研究。部分大學(xué)，例如國防科技大學(xué)、清華大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、電子科技大學(xué)、天津大學(xué)、北京郵電大學(xué)等對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也進(jìn)行著相關(guān)的研究工作。正是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)巨大的應(yīng)用價(jià)值和美好前景以及應(yīng)用較少的狀況，本文也開展了對(duì)WSN的基礎(chǔ)性研究學(xué)習(xí)，對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和協(xié)議棧進(jìn)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)。 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)。 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。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(diǎn)通過飛機(jī)播撒、人工布置等方式被部署在監(jiān)測區(qū)域，每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(jìn)行通信，并將數(shù)據(jù)信息傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)（sink節(jié)點(diǎn)），最終由匯聚節(jié)點(diǎn)通過Internet、衛(wèi)星或者移動(dòng)通信等方式將數(shù)據(jù)信息傳送到用戶終端。 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(diǎn)通常是一個(gè)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(chǔ)能力和通信能力比較弱。1. 一般節(jié)點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)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。 傳感器節(jié)點(diǎn)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。2. 匯聚（sink）節(jié)點(diǎn) 匯聚節(jié)點(diǎn)，也稱為網(wǎng)關(guān)（sink）節(jié)點(diǎn)，它比一般節(jié)點(diǎn)具有更高的電能，更強(qiáng)的發(fā)射能力，更高級(jí)的數(shù)據(jù)融合能力。圖12 典型的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu) 由于節(jié)點(diǎn)能量有限，無法將采集到的大量數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)方的控制計(jì)算機(jī)，所以需要在傳感器網(wǎng)絡(luò)附近設(shè)置基站。同時(shí)，它還具有一個(gè)本地?cái)?shù)據(jù)庫的副本來緩存最新的傳感器數(shù)據(jù)。同時(shí)，工作人員還可以通過終端計(jì)算機(jī)對(duì)遠(yuǎn)程信息進(jìn)行觀察、對(duì)比，以做出合理的操作控制。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(duì)應(yīng)。這些管理平臺(tái)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(dòng)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。l 數(shù)據(jù)鏈路層：負(fù)責(zé)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(cuò)控制等，保證了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸線路的可靠連接。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)是以數(shù)據(jù)為中心，我們不會(huì)關(guān)注某個(gè)具體節(jié)點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)，而是關(guān)心某個(gè)區(qū)域的觀測數(shù)據(jù)。l 傳輸層：主要是對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸控制，協(xié)作維護(hù)數(shù)據(jù)流，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分。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 移動(dòng)管理平臺(tái)：記載節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)匯聚節(jié)點(diǎn)的路由，使得節(jié)點(diǎn)能夠動(dòng)態(tài)跟蹤其鄰居節(jié)點(diǎn)的位置。 隨著研究的進(jìn)展，后來人們又提出了改進(jìn)的WSN協(xié)議棧模型，其結(jié)構(gòu)圖如圖14[5]所示?！胺?wù)質(zhì)量”（Quality of Service，簡稱QoS）管理在各協(xié)議層設(shè)計(jì)隊(duì)列管理、優(yōu)先級(jí)機(jī)制或者帶寬預(yù)留等機(jī)制，并對(duì)特定應(yīng)用的數(shù)據(jù)給予特別處理。 WSN特點(diǎn)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(diǎn)： （1）電源能量有限。所以，在硬件設(shè)計(jì)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(diǎn)的壽命。WSN沒有明確的中心，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間是對(duì)等的；任何節(jié)點(diǎn)都可以隨時(shí)加入或退出網(wǎng)絡(luò)，而不會(huì)影響其它節(jié)點(diǎn)的有效性，只是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)隨之而動(dòng)態(tài)變化。WSN中無需借助于其它輔助設(shè)備，完全由各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過預(yù)設(shè)的協(xié)議和算法自行組織，在相互之間進(jìn)行多跳轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，快速形成通信網(wǎng)絡(luò)。（4）節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，分布范圍廣。只有這樣才能在監(jiān)測范圍內(nèi)盡可能多、盡可能準(zhǔn)確地獲取有價(jià)值信息。 另外，WSN的特點(diǎn)也決定了它在技術(shù)上面臨著一些挑戰(zhàn)，存在著幾個(gè)關(guān)鍵問題： 能量管理問題。傳感器傳輸信息比執(zhí)行計(jì)算更消耗電能，因而構(gòu)成合理的拓?fù)渫ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)尤為重要。 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂啤Ａ己玫木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存周期。 帶寬有限。為了可靠地傳輸數(shù)據(jù)，足夠的帶寬設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵問題。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。 健壯性。 幾種常用的無線通信技術(shù) 藍(lán)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(gè)SIG（Special Interest Group,特別興趣集團(tuán)）聯(lián)盟，開發(fā)了一個(gè)無線標(biāo)準(zhǔn)，將計(jì)算機(jī)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(gè)項(xiàng)目被稱為藍(lán)牙（Bluetooth）。它能夠在手機(jī)、筆記本，臺(tái)式電腦、PDA等通信設(shè)備間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用方便，并且全球通用。 紅外技術(shù) 1993年，多家廠商成立了紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)（IrDA：Infrared Data Association），統(tǒng)一了紅外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它的最大傳輸速率可達(dá)16Mbps。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(diǎn)到點(diǎn)的直線傳輸，這些缺點(diǎn)限制了它的推廣應(yīng)用。2003年，IEEE正式發(fā)布了該項(xiàng)技術(shù)物理層和MAC層所采用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，即IEEE ；2004年12月，ZigBee聯(lián)盟正式發(fā)布了該項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kbps，免費(fèi)全球通用。 由于ZigBee價(jià)廉、短距離、低功率的無線通信特點(diǎn)，它一直占據(jù)著無線通訊市場。 WiFi技術(shù) WiFi（Wireless Fidelity，無線相容性認(rèn)證），是由WiFi聯(lián)盟所制訂。 ISM頻段上，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)54Mbps；，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)11Mbps。大量的智能手機(jī)現(xiàn)身市場，通過其WiFi技術(shù)吸引了眾多買家。另外，WiFi也開始進(jìn)軍無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并且有著很大優(yōu)勢(shì)，但是此應(yīng)用才剛剛開始，仍需進(jìn)一步發(fā)展。RFID射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)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)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(yùn)動(dòng)計(jì)時(shí)、電子門票、道路自動(dòng)收費(fèi)、野生動(dòng)物標(biāo)識(shí)等方面。它推出的HomeRF標(biāo)準(zhǔn)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(dá)100Mbps，在WLAN的安全性方面主要考慮訪問控制和加密技術(shù)。使用范圍有很大局限性，大多用在家庭網(wǎng)絡(luò)中。它在10米左右的范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)數(shù)百M(fèi)bps至數(shù)Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率， GHz頻段。 幾種無線通信技術(shù)對(duì)比 上文介紹了7種重要的短距離無線通信技術(shù)，為了更好的分析對(duì)比它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，表11列舉了它們的主要參數(shù)：由列表數(shù)據(jù)對(duì)比得出結(jié)論：對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)性研究來說，WiFi優(yōu)勢(shì)明顯，但是這項(xiàng)應(yīng)用才剛起步，而且造價(jià)比較昂貴，一般性研究支付不起。本文將對(duì)基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初步研究，下文將對(duì)ZigBee技術(shù)和WSN方案進(jìn)行敘述。第二章對(duì)ZigBee/、體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)配置、組網(wǎng)、路由等方面進(jìn)行了介紹。第四章對(duì)基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性和可行性。 本章小結(jié) 本章首先對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的起源、應(yīng)用前景和發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了簡單介紹。另外，本章還介紹了幾種重要的短距離無線通信技術(shù)，并對(duì)它們做了對(duì)比分析。第二章 ZigBee/ ZigBee/ZigBee技術(shù)的名字源自蜂群（Bee）在發(fā)現(xiàn)花粉時(shí)，通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴，達(dá)到交換信息的目的，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。ZigBee技術(shù)是一種具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)，其物理層(PHY)和媒體接入控制（MAC），網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟[7]制定。分為16個(gè)頻段，該頻段為全球通用的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)（ISM，Industrial Scientific and Medical）頻段，該頻段為免費(fèi)、免申請(qǐng)的無線電頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps，采用偏移四相相移鍵控調(diào)制技術(shù)（OQPSK）；另外兩個(gè)頻段86915MHz分別適用于歐洲和美國，其相應(yīng)的信道個(gè)數(shù)分別為1個(gè)信道和10個(gè)信道，傳輸速率分別為20kbps和40kbps，分別采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)(DSSS)和二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)調(diào)制技術(shù)。ZigBee采用載波偵聽多路訪問/沖突避免 (CSMA/CA)方式，有效避免了無線電載波之間的沖突。為保證ZigBee設(shè)備之間通信數(shù)據(jù)的安全保密性，ZigBee技術(shù)采用了三級(jí)安全性措施，對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理。這是ZigBee技術(shù)最為顯著的一個(gè)特點(diǎn)，由于它采用了休眠喚醒機(jī)制，大大減少能量消耗，兩節(jié)5號(hào)電池可支持一個(gè)節(jié)點(diǎn)624個(gè)小時(shí)。l 低成本。l 傳輸速率低。l 短距離。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)。Zigbee 的響應(yīng)速度較快,一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms ,節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms ,進(jìn)一步節(jié)省了電能。l 高容量:。l 高安全。l 免執(zhí)照頻段?；赯igBee這些特點(diǎn)（前面我們已經(jīng)對(duì)幾種無線通信技術(shù)做過比較），目前ZigBee技術(shù)最適合于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。圖21 ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu) l 物理層：ZigBee PHY提供了兩種類型的服務(wù)，即通過物理層管理實(shí)體接口對(duì)PHY層數(shù)據(jù)和PHY層管理提供服務(wù)。PHY層的具體功能是：激活和關(guān)閉射頻收發(fā)器；對(duì)信道的能量進(jìn)行檢測；對(duì)收到的數(shù)據(jù)包有鏈路質(zhì)量指示；空閑信道評(píng)估；載波偵聽多路訪問/沖突避免(CSMA/CA)協(xié)議；信道頻率選擇；數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等。ZigBee MAC層也提供了兩種類型的服務(wù)：通過MAC層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)向MAC層數(shù)據(jù)和MAC層管理提供服務(wù)。l 網(wǎng)絡(luò)層。l 應(yīng)用層。APS主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)單元的處理和傳輸以及應(yīng)用對(duì)象的綁定。AF為用戶自定義的應(yīng)用程序提供一個(gè)模板式的活動(dòng)空間，通過鍵值對(duì)和報(bào)文兩種服務(wù)方式。 ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)配置 Zigbee網(wǎng)絡(luò)中包含兩種功能設(shè)備，三種節(jié)點(diǎn)類型，三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及兩種工作模式。 兩種功能設(shè)備ZigBee網(wǎng)絡(luò)含全功能設(shè)備FFD(Full Function Device)和精簡功能設(shè)備RFD(Reduced Function Device)兩種功能類型的設(shè)備。更多的存儲(chǔ)器、計(jì)算能力可使其在空閑時(shí)起網(wǎng)絡(luò)路由器作用，也能用作終端設(shè)備。RFD由于省掉了內(nèi)存和其他電路，降低了ZigBee部件的成本，而簡單的8位處理器和小協(xié)議棧也有助于降低成本。l 協(xié)調(diào)器ZC：一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)PAN(Personal Area Network)有且僅有一個(gè)協(xié)調(diào)器，該設(shè)備負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)成員地址，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)節(jié)點(diǎn)的綁定關(guān)系表等，需要最多的存儲(chǔ)空間、計(jì)算能力和電能。l 終端設(shè)備ZE：不具備成為父節(jié)點(diǎn)或路由器的能力，一般作為網(wǎng)絡(luò)的邊緣設(shè)備，負(fù)責(zé)與實(shí)際的監(jiān)控對(duì)象相連，這種設(shè)備只與自己的父節(jié)點(diǎn)主動(dòng)通訊，具體的信息路由則全部交由其父節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)中具有路由功能的協(xié)調(diào)器和路由器完成。圖23 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)l 星形網(wǎng)絡(luò)。在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)設(shè)備一般由電力系統(tǒng)供電，而其他設(shè)備采用電池供電。l 網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)(Mesh)。l 簇形網(wǎng)絡(luò)。在簇形網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)設(shè)備、器由設(shè)備和終端設(shè)備的功能清晰，相對(duì)于Mesh網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建簇形網(wǎng)絡(luò)比較簡單，所需的資源相對(duì)較少，并且可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，從而也擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)的