［前言］無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一門面向應(yīng)用的研究領(lǐng)域，在近幾年獲得了飛速發(fā)展。在關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)方面，學(xué)術(shù)界從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、數(shù)據(jù)融合、測試測量、操作系統(tǒng)、服務(wù)質(zhì)量、節(jié)點定位、時間同步等方面開展了大量研究，取得豐碩的成果;工業(yè)界也在環(huán)境監(jiān)測、軍事目標(biāo)跟蹤、智能家居、自動抄表、燈光控制、建筑物健康監(jiān)測、電力線監(jiān)控等領(lǐng)域進行應(yīng)用探索。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一門面向應(yīng)用的研究領(lǐng)域，在近幾年獲得了飛速發(fā)展。在關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)方面，學(xué)術(shù)界從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、數(shù)據(jù)融合、測試測量、操作系統(tǒng)、服務(wù)質(zhì)量、節(jié)點定位、時間同步等方面開展了大量研究，取得豐碩的成果;工業(yè)界也在環(huán)境監(jiān)測、軍事目標(biāo)跟蹤、智能家居、自動抄表、燈光控制、建筑物健康監(jiān)測、電力線監(jiān)控等領(lǐng)域進行應(yīng)用探索。隨著應(yīng)用的推廣，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開始暴露出越來越多的問題。

　　到目前為止，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化工作受到了許多國家及國際標(biāo)準(zhǔn)組織的普遍關(guān)注，已經(jīng)完成了一系列草案甚至標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定。其中最出名的就是IEEE 802.15.4/zigbee規(guī)范，它甚至已經(jīng)被一部分研究及產(chǎn)業(yè)界人士視為標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.15.4定義了短距離無線通信的物理層及鏈路層規(guī)范，zigbee則定義了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、傳輸和應(yīng)用規(guī)范。盡管IEEE802.15.4和zigbee協(xié)議已經(jīng)推出多年，但隨著應(yīng)用的推廣和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其基本協(xié)議內(nèi)容已經(jīng)不能完全適應(yīng)需求，加上該協(xié)議僅定義了聯(lián)網(wǎng)通信的內(nèi)容，沒有對傳感器部件提出標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議接口，所以難以承載無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的夢想與使命;另外，該標(biāo)準(zhǔn)在落地不同國家時，也必然要受到該國家地區(qū)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的約束。為此，人們開始以IEEE 802.15.4/zigbee協(xié)議為基礎(chǔ)，推出更多版本以適應(yīng)不同應(yīng)用、不同國家和地區(qū)。

　　盡管存在不完善之處，IEEE 802.15.4/zigbee仍然是目前產(chǎn)業(yè)界發(fā)展無線傳感網(wǎng)技術(shù)當(dāng)仁不讓的最佳組合。本文將重點介紹IEEE 802.15.4/zigbee協(xié)議規(guī)范，并適當(dāng)顧及傳感網(wǎng)技術(shù)關(guān)注的其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化工作任重道遠：首先，無線傳感網(wǎng)絡(luò)畢竟還是一個新興領(lǐng)域，其研究及應(yīng)用都還顯得相當(dāng)年輕，產(chǎn)業(yè)的需求還不明朗;其次，IEEE 802.15/zigbee并非針對無線傳感網(wǎng)量身定制，在無線傳感網(wǎng)環(huán)境下使用有些問題需要進一步解決;另外，專門針對無線傳感網(wǎng)技術(shù)的國際標(biāo)準(zhǔn)化工作還剛剛開始，國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化工作組也還剛剛成立。為此，我們要為標(biāo)準(zhǔn)化工作的順利完成做好充分的準(zhǔn)備。

　　一. PHY/MAC 層標(biāo)準(zhǔn)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層標(biāo)準(zhǔn)一般沿用了無線個域網(wǎng)（IEEE 802.15）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)部分。無線個域網(wǎng)（Wireless Personal Area Network，WPAN）的出現(xiàn)比傳感器網(wǎng)絡(luò)要早，通常定義為提供個人及消費類電子設(shè)備之間進行互聯(lián)的無線短距離專用網(wǎng)絡(luò)。無線個域網(wǎng)專注于便攜式移動設(shè)備（如：個人電腦、外圍設(shè)備、PDA、手機、數(shù)碼產(chǎn)品等消費類電子設(shè)備）之間的雙向通信技術(shù)問題，其典型覆蓋范圍一般在10米以內(nèi)。IEEE 802.15工作組就是為完成這一使命而專門設(shè)置的，且已經(jīng)完成一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，其中就包括了被廣泛用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4。

　　（1） IEEE 802.15.4b規(guī)范

　　IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)主要針對低速無線個域網(wǎng)（Low-Rate Wireless Personal Area Network，LR-WPAN）制定。該標(biāo)準(zhǔn)把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標(biāo)（這和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一致），旨在為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間低速互聯(lián)提供統(tǒng)一接口。由于IEEE 802.15.4定義的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)的特性和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的簇內(nèi)通信有眾多相似之處，很多研究機構(gòu)把它作為傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的物理及鏈路層通信標(biāo)準(zhǔn)。

　　IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層和介質(zhì)訪問控制子層，符合開放系統(tǒng)互連模型（OSI）。物理層包括射頻收發(fā)器和底層控制模塊，介質(zhì)訪問控制子層為高層提供了訪問物理信道的服務(wù)接口。圖1給出了IEEE 802.15.4層與層之間的關(guān)系以及IEEE 802.15.4/zigbee的協(xié)議架構(gòu)，具體參考下圖

?

　　IEEE 802.15.4在物理（PHY）層設(shè)計中面向低成本和更高層次的集成需求，采用的工作頻率分為868MHz、915MHz和2.4GHz三種，各頻段可使用的信道分別有1個、10個、16個，各自提供20kb/s、40kb/s和250kb/s的傳輸速率，其傳輸范圍介于10米～100米之間。由于規(guī)范使用的三個頻段是國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化組 （ITUT， ITU Telecommunication Standardization Sector）定義的用于科研和醫(yī)療的ISM（Industrial Scientific and Medical）開放頻段，被各種無線通信系統(tǒng)廣泛使用。為減少系統(tǒng)間干擾，協(xié)議規(guī)定在各個頻段采用直接序列擴頻（DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum）編碼技術(shù)。與其他數(shù)字編碼方式相較，直接序列擴頻技術(shù)可使物理層的模擬電路設(shè)計變得簡單，且具有更高的容錯性能，適合低端系統(tǒng)的實現(xiàn)。

　　IEEE 802.15.4在介質(zhì)訪問控制層方面，定義了兩種訪問模式。其一為帶沖突避免的載波偵聽多路訪問方式（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）。這種方式參考無線局域網(wǎng)（WLAN）中IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)定義的DCF 模式，易于實現(xiàn)與無線局域網(wǎng)（WLAN， Wireless LAN）的信道級共存。所謂的CSMA/CA是在傳輸之前，先偵聽介質(zhì)中是否有同信道（co-channel）載波，若不存在，意味著信道空閑，將直接進入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài);若存在載波，則在隨機退避一段時間后重新檢測信道。這種介質(zhì)訪問控制層方案簡化了實現(xiàn)自組織（Ad Hoc）網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的過程，但在大流量傳輸應(yīng)用時給提高帶寬利用率帶來了麻煩;同時，因為沒有功耗管理設(shè)計，所以要實現(xiàn)基于睡眠機制的低功耗網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，需要做更多的工作。

　　IEEE 802.15.4定義的另外一種通信模式類似于802.11標(biāo)準(zhǔn)定義的PCF 模式，通過使用同步的超幀機制提高信道利用率，并通過在超幀內(nèi)定義休眠時段，很容易實現(xiàn)低功耗控制。PCF模式定義了兩種器件：全功能器件（Full-Function Device，F(xiàn)FD）和簡化功能器件（Reduced-function Device，RFD）。FFD設(shè)備支持所有的49個基本參數(shù)，而RFD設(shè)備在最小配置時只要求它支持38個基本參數(shù)。在PCF模式下，F(xiàn)FD設(shè)備作為協(xié)調(diào)器控制所有關(guān)聯(lián)的RFD設(shè)備的同步、數(shù)據(jù)收發(fā)過程，可以與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任何一種設(shè)備進行通信。而RFD設(shè)備只能和與其關(guān)聯(lián)的FFD設(shè)備互通。在PCF模式下，一個IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中至少存在一個FFD設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（PAN Coordinator），起著網(wǎng)絡(luò)主控制器的作用，擔(dān)負簇間和簇內(nèi)同步、分組轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)建立、成員管理等任務(wù)。

　　IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)支持星型和點對點兩種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，有16位和64位兩種地址格式。其中64位地址是全球唯一的擴展地址，16位段地址用于小型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，或者作為簇內(nèi)設(shè)備的識別地址。IEEE 802.15.4b標(biāo)準(zhǔn)擁有多個變種，包括了低速超寬帶的IEEE 802.15.4a，及最近中國正在著力推進的IEEE 802.15.4c和IEEE 802.15.4e，以及日本主要推動的IEEE 802.15.4d，在這里就不深入討論了。

　　（2）藍牙（Bluetooth）技術(shù)

　　1998年5月，就在IEEE 802.15無線個域網(wǎng)工作組成立不久，五家世界著名的IT公司：愛立信（Ericsson）、IBM、英特爾（Intel）、諾基亞（Nokia）和東芝（Toshiba）聯(lián)合宣布了一項叫做“藍牙（Bluetooth）”的研發(fā)計劃。1999年7月藍牙工作組推出了藍牙協(xié)議1.0版，2001年更新為版本1.1，即我們熟知的IEEE 802.15.1協(xié)議。該協(xié)議旨在設(shè)計通用的無線空中接口（Radio Air Interface）及其軟件的國際標(biāo)準(zhǔn)，使通信和計算機進一步結(jié)合，讓不同廠家生產(chǎn)的便攜式設(shè)備具有在沒有電纜的情況下實現(xiàn)近距離范圍內(nèi)互通的能力。計劃一經(jīng)公布，就得到了包括摩托羅拉（Motorola）、朗訊（Lucent）、康柏（Compaq）、西門子（Simens）、3Com、TDK以及微軟（Microsoft）等大公司在內(nèi)的近2000家廠商的廣泛支持和采納。

　　藍牙技術(shù)也是工作在2.4GHz的ISM頻段，采用快速跳頻和短包技術(shù)減少同頻干擾，保證物理層傳輸?shù)目煽啃院桶踩裕哂幸欢ǖ慕M網(wǎng)能力，支持64Kbps的實時語音。藍牙技術(shù)日益普及，市場上的相關(guān)產(chǎn)品也在不斷增多，但隨著超寬帶技術(shù)、無線局域網(wǎng)及zigbee技術(shù)的出現(xiàn)，特別是其安全性、價格、功耗等方面的問題日益顯現(xiàn)，其競爭優(yōu)勢開始下降。2004年藍牙工作組推出2.0版本，帶寬提高三倍，且功耗降低一半，在一定程度上重建了產(chǎn)業(yè)界信心。

　　由于藍牙技術(shù)與zigbee技術(shù)存在一定的共性，所以它們經(jīng)常被應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。

　　二. 其他無線個域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要構(gòu)建從物理層到應(yīng)用層的完整的網(wǎng)絡(luò)，而無線個域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為其提前制定了物理層及介質(zhì)訪問控制層規(guī)范。除了前面討論的IEEE 802.15.4及藍牙技術(shù)外，無線個域網(wǎng)技術(shù)方案還包括：超寬帶（UWB）技術(shù)、紅外（IrDA）技術(shù)、家用射頻（HomeRF）技術(shù)等，其共同的特點是短距離、低功耗、低成本、個人專用等，它們均在不同的應(yīng)用場景中被用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層協(xié)議方案，簡單介紹如下：

　　（1） 超寬帶（UWB）技術(shù)

　　超寬帶（Ultra Wide-Band，UWB）技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代末，是一項使用從幾Hz到幾GHz的寬帶電波信號的技術(shù)，通過發(fā)射極短暫的脈沖，并接收和分析反射回來的信號，就可以得到檢測對象的信息。UWB因為使用了極高的帶寬，故其功率譜密度非常平坦，表現(xiàn)為在任何頻點的輸出功率都非常小，甚至低于普通設(shè)備放射的噪聲，故其具有很好的抗干擾性和安全性。超寬帶技術(shù)最初主要作為軍事技術(shù)在雷達探測和定位等應(yīng)用領(lǐng)域中使用，美國FCC（聯(lián)邦通信委員會）于2002年2月準(zhǔn)許該技術(shù)進入民用領(lǐng)域。除了低功耗外，超寬帶技術(shù)的傳輸速率輕易可達100Mbps以上，其第二代產(chǎn)品可望達到500Mbps以上，僅這一項指標(biāo)就讓其他眾多技術(shù)望塵莫及。圍繞UWB的標(biāo)準(zhǔn)之爭從一開始就非常激烈，F(xiàn)reescale的DS-UWB和由TI倡導(dǎo)的MBOA逐步脫穎而出，近幾年國內(nèi)在這方面的研究也非常熱門。

　　由于其功耗低、帶寬高、抗干擾能力強，超寬帶技術(shù)無疑具有夢幻般的發(fā)展前景，但超寬帶芯片產(chǎn)品卻遲遲未曾面市，這無疑留給我們一個大大的遺憾。近年來開始出現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品的報道，不過這項底蘊極深的技術(shù)還需要整個產(chǎn)業(yè)界的共同推動。目前超寬帶技術(shù)可謂初露鋒芒，相信它屬于大器晚成、老而彌堅的類型，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中必會大有作為。

　　（2） 紅外（IrDA）技術(shù)

　　紅外技術(shù)是一種利用紅外線進行點對點通信的技術(shù)，是由成立于1993 年的非營利性組織紅外線數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會IrDA（Infrared Data Association）負責(zé)推進的，該協(xié)會致力于建立無線傳播連接的世界標(biāo)準(zhǔn)，目前擁有130個以上的正式企業(yè)會員。紅外技術(shù)的傳輸速率已經(jīng)從最初FIR的4Mbps上升為現(xiàn)在VFIR的16Mbps，接收角度也由最初的30°擴展到120°。由于它僅用于點對點通信，且具有一定方向性，故數(shù)據(jù)傳輸所受的干擾較少。由于產(chǎn)品體積小、成本低、功耗低、不需要頻率申請等優(yōu)勢，紅外技術(shù)從誕生到現(xiàn)在一直被廣泛應(yīng)用，可謂無線個域網(wǎng)領(lǐng)域的一棵常青樹。經(jīng)過多年的發(fā)展，其硬件與配套的軟件技術(shù)都已相當(dāng)成熟，目前全世界有至少5000萬臺設(shè)備采用IrDA技術(shù)，并且仍然以年遞增50%的速度在增長。當(dāng)今有95%的手提電腦都安裝了IrDA 接口，而遙控設(shè)備（電視機、空調(diào)、數(shù)字產(chǎn)品等）更是普遍采用紅外技術(shù)。

　　但是IrDA是一種視距傳輸技術(shù)，核心部件紅外線LED也不是十分耐用，更無法構(gòu)建長時間運行的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，造成紅外技術(shù)終究沒能成為無線個域網(wǎng)的物理層標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，僅在極少數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中進行過嘗試（如定位跟蹤），并且是與其他無線技術(shù)配合使用的。

　　（3）家用射頻（HomeRF）技術(shù)

　　家用射頻工作組（Home Radio Frequency Working Group，HomeRF WG）成立于1998年3月，是由美國家用射頻委員會領(lǐng)導(dǎo)的，首批成員包括：英特爾、IBM、康柏、3Com、飛利浦（Philips）、微軟、摩托羅拉等公司，其主旨是在消費者能夠承受的前提下，建設(shè)家庭中的互操作性語音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。家用射頻工作組于1998 年即制定了共享無線訪問協(xié)議（Shared Wireless Access Protocol SWAP），該協(xié)議主要針對家庭無線局域網(wǎng)。該協(xié)議的數(shù)據(jù)通信采用簡化的IEEE 802.11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，沿用了以太網(wǎng)載波偵聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）技術(shù);其語音通信采用DECT（Digital Enhanced Cordless Telephony）標(biāo)準(zhǔn)，使用時分多址（TDMA）技術(shù)。家用射頻工作頻段是2.4GHz，最初支持?jǐn)?shù)據(jù)和音頻最大數(shù)據(jù)的傳輸速率為2Mbps，在新的家用射頻2.x 標(biāo)準(zhǔn)中采用了WBFH（Wide Band Frequency Hopping 寬帶跳頻）技術(shù)，增加跳頻調(diào)制功能，數(shù)據(jù)帶寬峰值可達10Mbps，已經(jīng)能夠滿足大部分應(yīng)用。

　　2000年左右家用射頻技術(shù)的普及率一度達到45%，但由于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)被控制在數(shù)十家公司手中，并沒有像紅外技術(shù)一樣開放，特別是802.11b標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，從2001年開始，家用射頻的普及率驟然降至30%，2003年家用射頻工作組更是宣布停止研發(fā)和推廣，曾經(jīng)風(fēng)光無限的家用射頻終于退出無線個域網(wǎng)的歷史舞臺，尤如曇花一現(xiàn)。

　　三. 路由及高層標(biāo)準(zhǔn)

　　在前面討論的底層標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)之上，已經(jīng)出現(xiàn)了一些包括了路由及應(yīng)用層的高層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，主要包括zigbee/IEEE 802.15.4、6LowPAN、IEEE1451.5（無線傳感通信接口標(biāo)準(zhǔn)）等，另外，Z-Wave聯(lián)盟、Cypress （Wireless USB傳感器網(wǎng)絡(luò)）等也推出了類似的標(biāo)準(zhǔn)，但是在專門為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)出來以前，zigbee無疑是最受寵愛的，也受到了較多的應(yīng)用廠商的推崇，這里簡單介紹一下。

　　（1） zigbee協(xié)議規(guī)范

　　zigbee聯(lián)盟成立于2001年8月，最初成員包括：霍尼韋爾（Honeywell）、Invensys、三菱（MITSUBISHI）、摩托羅拉和飛利浦等，目前擁有超過200多個會員。zigbee 1.0（Revision 7）規(guī)格正式于2004年12月推出，2006年12月，推出了zigbee 2006（Revision 13），即1.1版，2007年又推出了zigbee 2007 Pro，2008年春天又有一定的更新。zigbee技術(shù)具有功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、時延短、安全可靠、工作頻段靈活等諸多優(yōu)點，目前是被普遍看好的無線個域網(wǎng)解決方案，也被很多人視為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的事實標(biāo)準(zhǔn)。

　　zigbee聯(lián)盟對網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和應(yīng)用程序接口（Application Programming Interfaces，API）進行了標(biāo)準(zhǔn)化。zigbee協(xié)議棧架構(gòu)基于開放系統(tǒng)互連模型七層模型，包含IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)以及由該聯(lián)盟獨立定義的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層協(xié)議。zigbee所制定的網(wǎng)絡(luò)層主要負責(zé)網(wǎng)絡(luò)拓撲的搭建和維護，以及設(shè)備尋址、路由等，屬于通用的網(wǎng)絡(luò)層功能范疇，應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層（Aplication Support Sub-layer，APS）、zigbee設(shè)備對象（zigbee Device Object，ZDO）以及設(shè)備商自定義的應(yīng)用組件，負責(zé)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、安全與鑒權(quán)等。

　　另外，zigbee聯(lián)盟也負責(zé)zigbee產(chǎn)品的互通性測試與認證規(guī)格的制定。zigbee聯(lián)盟定期舉辦ZigFest活動，讓發(fā)展zigbee產(chǎn)品的廠商有一個公開交流的機會，完成設(shè)備的互通性測試;而在認證部分，zigbee聯(lián)盟共定義了3種層級的認證：第一級（Level 1）是認證物理層與介質(zhì)訪問控制層，與芯片廠有最直接的關(guān)系;第二級（Level 2）是認證zigbee 協(xié)議棧（Stack），又稱為zigbee兼容平臺認證（Compliant Platform Certification）;第三級（Level 3）是認證zigbee產(chǎn)品，通過第三級認證的產(chǎn)品才允許貼上zigbee的標(biāo)志，所以也稱為zigbee標(biāo)志認證（Logo Certification）。

　　協(xié)議芯片是協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的載體，也是最容易體現(xiàn)知識產(chǎn)權(quán)的一種形式。目前市場上出現(xiàn)了較多的zigbee芯片產(chǎn)品及解決方案，有代表性的包括：Jennic的JN5121/JN5139，Chipcon的CC2430/CC2431（被TI收購）及Freescale MC13192，Ember的EM250 zigbee等系列的開發(fā)工具及芯片，表 1對這些芯片指標(biāo)進行了比較。

　　（2） IEEE 1451.5標(biāo)準(zhǔn)

　　除了以上兩種通用規(guī)范以外，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不同應(yīng)用領(lǐng)域，也正在醞釀著特定行業(yè)的專用標(biāo)準(zhǔn)，如電力水力、工業(yè)控制、消費電子、智能家居等。這里以工控領(lǐng)域為例簡單討論一下IEEE1451.X，當(dāng)然工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)紛繁復(fù)雜，最近正在制定專門面向工業(yè)自動化應(yīng)用的無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)ISA SP100，有很多中國工業(yè)及學(xué)術(shù)界同仁努力參與了該標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。

　　IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)族是通過定義一套通用的通信接口，以使工業(yè)變送器（傳感器+執(zhí)行器）能夠獨立于通信網(wǎng)絡(luò)，并與現(xiàn)有的微處理器系統(tǒng)、儀表儀器和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)相連，解決不同網(wǎng)絡(luò)之間的兼容性問題，并最終能夠?qū)崿F(xiàn)變送器到網(wǎng)絡(luò)的互換性與互操作性。IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)族定義了變送器的軟硬件接口，將傳感器分成兩層模塊結(jié)構(gòu)。第一層用來運行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用硬件，稱為網(wǎng)絡(luò)適配器（Network Capable Application Processor， NCAP）;第二層為智能變送器接口模塊（Smart Transducer Interface Module， STIM），其中包括變送器和電子數(shù)據(jù)表格TEDS。IEEE1451工作組先后提出了五項標(biāo)準(zhǔn)提案（IEEE1451.1—IEEE1451.5），分別針對了不同的工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場需求，其中IEEE1451.5為無線傳感通信接口標(biāo)準(zhǔn)。

　　IEEE1451.5標(biāo)準(zhǔn)提案于2001年6月最新推出，在已有的IEEE1451柜架下提出了一個開放的標(biāo)準(zhǔn)無線傳感器接口，以滿足工業(yè)自動化等不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。IEEE1451.5盡量使用無線的傳輸介質(zhì)，描述了智能傳感器與網(wǎng)絡(luò)適配器模塊之間的無線連接規(guī)范，而不是網(wǎng)絡(luò)適配器模塊與網(wǎng)絡(luò)之間的無線連接，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)適配器模塊與智能傳感器的IEEE 802.11、Bluetooth、zigbee無線接口之間的互操作性。IEEE1451.5提案的工作重點在于制定無線數(shù)據(jù)通信過程中的通信數(shù)據(jù)模型和通信控制模型。IEEE1451.5建議標(biāo)準(zhǔn)必須對數(shù)據(jù)模型進行具有一般性的擴展以允許多種無線通信技術(shù)可以使用，主要包括兩方面：一是為變送器通信定義一個通用的服務(wù)質(zhì)量（QOS）機制，能夠?qū)θ魏螣o線電技術(shù)進行映射服務(wù)，另外對每一種無線射頻技術(shù)都有一個映射層用來把無線發(fā)送具體配置參數(shù)映射到服務(wù)質(zhì)量機制中。關(guān)于該標(biāo)準(zhǔn)具體內(nèi)容，這里就不再詳細討論了。

　　（3）.6LowPan草案

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)從誕生開始就與下一代互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)聯(lián)，6LowPan（IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Network）就是結(jié)合這兩個領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)草案。該草案的目標(biāo)是制定如何在LowPAN（低功率個域網(wǎng)）上傳輸IPv6報文。當(dāng)前LowPAN采用的開放協(xié)議主要指前面提到的IEEE802.15.4 介質(zhì)訪問控制層標(biāo)準(zhǔn)，在上層并沒有一個真正開放的標(biāo)準(zhǔn)支持路由等功能。由于IPv6是下一代互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，在技術(shù)上趨于成熟，并且在LowPan上采用IPv6協(xié)議可以與IPv6網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無縫連接，因此互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF， Internet Engineering Task Force，）成立了專門的工作組制定如何在802.15.4協(xié)議上發(fā)送和接收IPv6報文等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

　　在802.15.4上選擇傳輸IPv6報文主要是因為現(xiàn)有成熟的IPv6技術(shù)可以很好地滿足LowPan互聯(lián)層的一些要求。首先在LowPan網(wǎng)絡(luò)里面很多設(shè)備需要無狀態(tài)自動配置技術(shù)，在IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)（Neighbor Discovery）協(xié)議里基于主機的多樣性已經(jīng)提供了兩種自動配置技術(shù)：有狀態(tài)自動配置與無狀態(tài)自動配置。另外在LowPan網(wǎng)絡(luò)中可能存在大量的設(shè)備，需要很大的IP地址空間，這個問題對于有著128位IP地址的IPv6協(xié)議不是問題;其次在包長受限的情況下，可以選擇IPv6的地址包含802.15.4介質(zhì)訪問控制層地址。

　　IPv6與802.15.4協(xié)議的設(shè)計初衷是應(yīng)用于兩個完全不同的網(wǎng)絡(luò)，這導(dǎo)致了直接在802.15.4上傳輸IPv6報文會有很多的問題。首先兩個協(xié)議的報文長度不兼容，IPv6報文允許的最大報文長度是1280字節(jié)，而在802.15.4的介質(zhì)訪問控制層最大報文長度是127字節(jié)。由于本身的地址域信息（甚至還需要留一些字節(jié)給安全設(shè)置）占用了25個字節(jié)，留給上層的負載域最多102個字節(jié)，顯然無法直接承載來自IPv6網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包;其次兩者采用的地址機制不相同，IPv6采用分層的聚類地址，由多段具有特定含義的地址段前綴與主機號構(gòu)成;而在802.15.4中直接采用64位或16位的扁平地址;另外，兩者設(shè)備的協(xié)議設(shè)計要求不同，在IPv6的協(xié)議設(shè)計時沒有考慮節(jié)省能耗問題。而在802.15.4很多設(shè)備都是電池供電，能量有限，需要盡量減少數(shù)據(jù)通信量和通信距離，以延長網(wǎng)絡(luò)壽命;最后，兩個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的優(yōu)化目標(biāo)不同，在IPv6中一般關(guān)心如何快速地實現(xiàn)報文轉(zhuǎn)發(fā)問題，而在802.15.4中，如何在節(jié)省設(shè)備能量的情況下實現(xiàn)可靠的通信是其核心目標(biāo)。

　　總之，由于兩個協(xié)議的設(shè)計出發(fā)點不同，要IEEE802.15.4支持IPv6數(shù)據(jù)包的傳輸還存在很多技術(shù)問題需要解決，如報文分片與重組、報頭壓縮、地址配置、映射與管理、網(wǎng)狀路由轉(zhuǎn)發(fā)、鄰居發(fā)現(xiàn)等，在這里就不再一一討論了。

　　四. 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化及國際化

　　近幾年來，國內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工作在全國信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（簡稱信標(biāo)委）推動下，取得了較大進展。信標(biāo)委經(jīng)過一年多的醞釀，于2005年11月29日組織國內(nèi)及海外華人專家，在中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究所召開了第一次“無線個域網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研討會”，討論了無線個域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)進展?fàn)顩r、市場分析及標(biāo)準(zhǔn)制定等事宜，會議建議將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)納入無線個域網(wǎng)范疇，并成立了專門的興趣小組（另外還有低速無線個域網(wǎng)、超寬帶等興趣小組），自此中國無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化工作邁出了第一步。　

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前信息領(lǐng)域中研究的熱點之一，可用于特殊環(huán)境實現(xiàn)信號的采集、處理和發(fā)送。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，在現(xiàn)實生活中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。那么無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用有哪些呢？

? ? ? 五?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

　　（1）軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

　　在軍事領(lǐng)域，由于WSN具有密集型、隨機分布的特點，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境。利用WSN能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測敵軍區(qū)域內(nèi)的兵力和裝備、實時監(jiān)視戰(zhàn)場狀況、定位目標(biāo)、監(jiān)測核攻擊或者生物化學(xué)攻擊等。

　　（2）輔助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

　　WSN特別適用于以下方面的生產(chǎn)和科學(xué)研究。例如，大棚種植室內(nèi)及土壤的溫度、濕度、光照監(jiān)測、珍貴經(jīng)濟作物生長規(guī)律分析與測量、葡萄優(yōu)質(zhì)育種和生產(chǎn)等，可為農(nóng)村發(fā)展與農(nóng)民增收帶來極大的幫助。采用WSN建設(shè)農(nóng)業(yè)環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)，用一套網(wǎng)絡(luò)設(shè)備完成風(fēng)、光、水、電、熱和農(nóng)藥等的數(shù)據(jù)采集和環(huán)境控制，可有效提高農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)程度，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植的科學(xué)性。

　　（3）生態(tài)監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)警

　　WSN可以廣泛地應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、生物種群研究、氣象和地理研究、洪水、火災(zāi)監(jiān)測。環(huán)境監(jiān)測為環(huán)境保護提供科學(xué)的決策依據(jù)，是生態(tài)保護的基礎(chǔ)。在野外地區(qū)或者不宜人工監(jiān)測的區(qū)域布置WSN可以進行長期無人值守的不間斷監(jiān)測，為生態(tài)環(huán)境的保護和研究提供實時的數(shù)據(jù)資料。

　　具體的應(yīng)用包括：通過跟蹤珍稀鳥類等動物的棲息、覓食習(xí)慣進行瀕危種群的研究;在河流沿線區(qū)域布置傳感器節(jié)點，隨時監(jiān)測水位及水資源被污染的情況;在泥石流、滑坡等自然災(zāi)害容易發(fā)生的地區(qū)布置節(jié)點，可提前發(fā)出災(zāi)害預(yù)警，及時采取相應(yīng)抗災(zāi)措施;可在重點保護林區(qū)布置大量節(jié)點隨時監(jiān)控內(nèi)部火險情況，一旦發(fā)現(xiàn)火情，可立刻發(fā)出警報，并給出具體位置及當(dāng)前火勢的大小;可將節(jié)點布置在發(fā)生地震、水災(zāi)等災(zāi)害的地區(qū)、邊遠山區(qū)或偏僻野外地區(qū)，用于臨時應(yīng)急通信。

　　（4）基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

　　WSN技術(shù)對于大型工程的安全施工以及建筑物安全狀況的監(jiān)測有積極的幫助作用。通過布置傳感器節(jié)點，可以及時準(zhǔn)確地觀察大樓、橋梁和其他建筑物的狀況，及時發(fā)現(xiàn)險情，及時進行維修，避免造成嚴(yán)重后果。

　　（5）工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

　　在工業(yè)安全方面，傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可用于危險的工作環(huán)境，例如在煤礦、石油鉆井、核電廠和組裝線布置傳感器節(jié)點，可以隨時監(jiān)測工作環(huán)境的安全狀況，為工作人員的安全提供保證。另外，傳感器節(jié)點還可以代替部分工作人員到危險的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，不僅降低了危險程度，還提高了對險情的反應(yīng)精度和速度。

　　由于WSN部署方便、組網(wǎng)靈活，其在倉儲物流管理和智能家居方面也逐漸發(fā)揮作用。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使傳感器形成局部物聯(lián)網(wǎng)，實時地交換和獲得信息，并最終匯聚到物聯(lián)網(wǎng)，形成物聯(lián)網(wǎng)重要的信息來源和基礎(chǔ)應(yīng)用。

　　（6）在智能交通中保障安全暢通

　　智能交通系統(tǒng)（ITS）是在傳統(tǒng)交通體系的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型交通系統(tǒng)，它將信息、通信、控制和計算機技術(shù)以及其他現(xiàn)代通信技術(shù)綜合應(yīng)用于交通領(lǐng)域，并將“人—車—路—環(huán)境”有機地結(jié)合在一起。在現(xiàn)有的交通設(shè)施中增加一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將能夠從根本上緩解困擾現(xiàn)代交通的安全、通暢、節(jié)能和環(huán)保等問題，同時還可以提高交通工作效率。因此，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)已經(jīng)成為近幾年的研究熱點。

　　智能交通系統(tǒng)主要包括交通信息的采集、交通信息的傳輸、交通控制和誘導(dǎo)等幾個方面。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以為智能交通系統(tǒng)的信息采集和傳輸提供一種有效手段，用來監(jiān)測路面與路口各個方向的車流量、車速等信息。

　　它主要由信息采集輸入、策略控制、輸出執(zhí)行、各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸與通信等子系統(tǒng)組成。信息采集子系統(tǒng)主要通過傳感器采集車輛和路面信息，然后由策略控制子系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)，并運用計算方法計算出最佳方案，同時輸出控制信號給執(zhí)行子系統(tǒng)，以引導(dǎo)和控制車輛的通行，從而達到預(yù)設(shè)的目標(biāo)。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通中還可以用于交通信息發(fā)布、電子收費、車速測定、停車管理、綜合信息服務(wù)平臺、智能公交與軌道交通、交通誘導(dǎo)系統(tǒng)和綜合信息平臺等技術(shù)領(lǐng)域。

　　（7）在醫(yī)療系統(tǒng)大有作為

　　近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療系統(tǒng)和健康護理方面已有很多應(yīng)用，例如，監(jiān)測人體的各種生理數(shù)據(jù)，跟蹤和監(jiān)控醫(yī)院中醫(yī)生和患者的行動，以及醫(yī)院的藥物管理等。如果在住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點，例如心率和血壓監(jiān)測設(shè)備，醫(yī)生就可以隨時了解被監(jiān)護病人的病情，在發(fā)現(xiàn)異常情況時能夠迅速搶救。

　　羅切斯特大學(xué)的一項研究表明，這些計算機甚至可以用于醫(yī)療研究。科學(xué)家使用無線傳感器創(chuàng)建了一個“智能醫(yī)療之家”，即一個5間房的公寓住宅，在這里利用人類研究項目來測試概念和原型產(chǎn)品。

　　“智能醫(yī)療之家”使用微塵來測量居住者的重要特征（血壓、脈搏和呼吸）、睡覺姿勢以及每天24小時的活動狀況。所搜集的數(shù)據(jù)將被用于開展以后的醫(yī)療研究。通過在鞋、家具和家用電器等設(shè)備中嵌入網(wǎng)絡(luò)傳感器，可以幫助老年人、重病患者以及殘疾人的家庭生活。利用傳感器網(wǎng)絡(luò)可高效傳遞必要的信息從而方便接受護理，而且可以減輕護理人員的負擔(dān)，提高護理質(zhì)量。

　　利用傳感器網(wǎng)絡(luò)長時間收集人的生理數(shù)據(jù)，可以加快研制新藥品的過程，而安裝在被監(jiān)測對象身上的微型傳感器也不會給人的正常生活帶來太多的不便。此外，在藥物管理等諸多方面，它也有新穎而獨特的應(yīng)用。

　　（8）促進信息家電設(shè)備更加智能

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的逐漸普及，促進了信息家電、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，家庭網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)備已由單一機向多種家電設(shè)備擴展，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點為家庭內(nèi)、外部網(wǎng)絡(luò)的連接及內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)之間信息家電和設(shè)備的連接提供了一個基礎(chǔ)平臺。

　　在家電中嵌入傳感器節(jié)點，通過無線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)連接在一起，將為人們提供更加舒適、方便和更人性化的智能家居環(huán)境。利用遠程監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)對家電的遠程遙控，也可以通過圖像傳感設(shè)備隨時監(jiān)控家庭安全情況。利用傳感器網(wǎng)絡(luò)可以建立智能幼兒園，監(jiān)測兒童的早期教育環(huán)境，以及跟蹤兒童的活動軌跡。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)利用現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)和電話網(wǎng)將室內(nèi)環(huán)境參數(shù)、家電設(shè)備運行狀態(tài)等信息告知住戶，使住戶能夠及時了解家居內(nèi)部情況，并對家電設(shè)備進行遠程監(jiān)控，實現(xiàn)家庭內(nèi)部和外界的信息傳遞。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使住戶不但可以在任何可以上網(wǎng)的地方，通過瀏覽器監(jiān)控家中的水表、電表、煤氣表、電熱水器、空調(diào)、電飯煲等及安防系統(tǒng)、煤氣泄漏報警系統(tǒng)、外人侵入預(yù)警系統(tǒng)等，而且可通過瀏覽器設(shè)置命令，對家電設(shè)備遠程控制。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由多個功能相同或不同的無線傳感器節(jié)點組成，對一種設(shè)備進行監(jiān)控，從而形成一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，采用一種基于星形結(jié)構(gòu)的混合星形無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型。傳感器節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中負責(zé)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)節(jié)點的數(shù)據(jù)采集，模塊采集戶內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，如溫度、濕度等，由通信路由協(xié)議直接或間接地將數(shù)據(jù)傳輸給遠方的網(wǎng)關(guān)節(jié)點。

　　目前，國內(nèi)外主要研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的低功耗硬件平臺設(shè)計和拓撲控制、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、定位技術(shù)等。以檢測光線強度的傳感器為例，實現(xiàn)了一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)傳感器所檢測的光線強弱來關(guān)閉或開啟指示燈。

　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，普通節(jié)點將它采集的光強度數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將含有控制變量的數(shù)據(jù)幀發(fā)送給帶有指示燈節(jié)點的同時，還可以通過串口將光強度數(shù)據(jù)傳送給計算機。通過安裝在計算機上的后臺軟件，可以看出光強度信號的變化。通過遮蓋光強度傳感器可以改變采集到的光強度數(shù)據(jù)，當(dāng)光強度比較低時曲線下降，反之曲線上升。

　　這種傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、短程無線通信技術(shù)，有著廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)不需要對現(xiàn)場結(jié)構(gòu)進行改動，不需要原先任何固定網(wǎng)絡(luò)的支持，能夠快速布置、方便調(diào)整，并且具有很好的可維護性和拓展性。