【正文】 世界70年代，采用點對點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90年代后期和21世紀初，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。可以預(yù)見，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必將成為21世紀一項極為重要的技術(shù)，它的發(fā)展和推廣也必將給人類社會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、筆記本電腦、PDA(Personal Digital Assistant,個人數(shù)碼處理)等便攜裝置隨時組成網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成一個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)，從而能達到節(jié)能省電的目的。總之，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(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(xué)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。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)等對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也進行著相關(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(xué)習(xí)，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)。 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。 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。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。 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。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。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。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)。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。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)。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。l 數(shù)據(jù)鏈路層：負責(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)。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。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。 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。“服務(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。 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。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。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。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)。（4）節(jié)點數(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、盡可能準確地獲取有價值信息。 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。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。 網(wǎng)絡(luò)拓撲控制。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。 帶寬有限。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。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）。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。 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。它的最大傳輸速率可達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)點到點的直線傳輸，這些缺點限制了它的推廣應(yīng)用。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。數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kbps，免費全球通用。 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。 WiFi技術(shù) WiFi（Wireless Fidelity，無線相容性認證），是由WiFi聯(lián)盟所制訂。 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。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。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)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。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)。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)能實現(xiàn)數(shù)百Mbps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)，為了更好的分析對比它們各自的優(yōu)缺點，表11列舉了它們的主要參數(shù)：由列表數(shù)據(jù)對比得出結(jié)論：對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)試驗性研究來說，WiFi優(yōu)勢明顯，但是這項應(yīng)用才剛起步，而且造價比較昂貴，一般性研究支付不起。本文將對基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行初步研究，下文將對ZigBee技術(shù)和WSN方案進行敘述。第二章對ZigBee/、體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)配置、組網(wǎng)、路由等方面進行了介紹。第四章對基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件部分進行了設(shè)計，并通過兩個實驗，來驗證所設(shè)計系統(tǒng)的可靠性和可行性。 本章小結(jié) 本章首先對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的起源、應(yīng)用前景和發(fā)展狀況進行了簡單介紹。另外，本章還介紹了幾種重要的短距離無線通信技術(shù)，并對它們做了對比分析。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，通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴，達到交換信息的目的，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)一標準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、免申請的無線電頻段，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）；另外兩個頻段86915MHz分別適用于歐洲和美國，其相應(yīng)的信道個數(shù)分別為1個信道和10個信道，傳輸速率分別為20kbps和40kbps，分別采用直接序列擴頻技術(shù)(DSSS)和二進制相移鍵控(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)采用了三級安全性措施，對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進行加密處理。這是ZigBee技術(shù)最為顯著的一個特點，由于它采用了休眠喚醒機制，大大減少能量消耗，兩節(jié)5號電池可支持一個節(jié)點624個小時。l 低成本。l 傳輸速率低。l 短距離。這指的是相鄰節(jié)點間的距離，如果通過路由和節(jié)點間通信的接力,傳輸距離將可以更遠。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)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms ,進一步節(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（前面我們已經(jīng)對幾種無線通信技術(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體接口對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；對信道的能量進行檢測；對收到的數(shù)據(jù)包有鏈路質(zhì)量指示；空閑信道評估；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層管理實體服務(wù)接入點向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主要負責(zé)數(shù)據(jù)單元的處理和傳輸以及應(yīng)用對象的綁定。AF為用戶自定義的應(yīng)用程序提供一個模板式的活動空間，通過鍵值對和報文兩種服務(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)點類型，三種拓撲結(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。更多的存儲器、計算能力可使其在空閑時起網(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ZigBee網(wǎng)絡(luò)PAN(Personal Area Network)有且僅有一個協(xié)調(diào)器，該設(shè)備負責(zé)啟動網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)成員地址，維護網(wǎng)絡(luò)，維護節(jié)點的綁定關(guān)系表等，需要最多的存儲空間、計算能力和電能。l 終端設(shè)備ZE：不具備成為父節(jié)點或路由器的能力，一般作為網(wǎng)絡(luò)的邊緣設(shè)備，負責(zé)與實際的監(jiān)控對象相連，這種設(shè)備只與自己的父節(jié)點主動通訊，具體的信息路由則全部交由其父節(jié)點及網(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)拓撲結(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，所需的資源相對較少，并且可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，從而也擴大了網(wǎng)絡(luò)的