无锡远红外线测温仪无线传感器网络
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无锡远红外线测温仪无线传感器网络
“智能”能源管理应用和大量基于标准的低价无线MCU的普及刺激了市场上的无线传感器/致动器网络(WSAN)快速增长，这些市场包括家庭与楼宇自动化、远程医疗和照明等。据市场研究公司IDTechEx预测，到2019年WSAN市场将有近10倍的增长，规模达18亿美元KL808PT100 GTY|。
WSAN为分布式监视与控制设备的部署提供了一种简单经济的方法，避免了有线系统所必需的昂贵改进。但对应用开发人员来说，射频设计经验的缺乏和对众多无线协议的困惑将会是他们面临最大的挑战。本文讨论了无线传感器网络和协议的一些基本概念、组成无线传感器的重要元件以及在使用方面的一些重要设计考虑因素。
无线传感器与致动器网络(图1)是随机散布的一些小型设备的集合，主要提供三大功能：监视物理与环境条件，如温度、压力、光线和温度，而且通常是实时的；操作开关、电机或致动器等调控这些条件的设备；通过无线网络提供高效可靠的通信。
图1：无线传感器/致动器网络。
最后一种功能的实现对WSAN来说是最独特的。由于WSAN是为低流量监视与控制应用设计的，因此没有必要支持像Wi-Fi数据网络那么高的数据吞吐量要求。典型的WSAN空中数据速率范围从20kbps至1Mbps。因此WSAN节点设备可以工作在低得多的功耗下，允许节点采用电池供电，并且物理尺寸可以很小。
WSAN通常具有自组织和自愈特性。自组织网络允许新节点自动加入网络，不需要人工干预。自愈网络允许节点重新配置其链路关联性，寻找绕道故障或断电节点的替代路径。这些功能的实现方式具体取决于网络管理协议和网络拓扑，最终也决定了网络的灵活性、可扩展性、成本和性能。
无线传感器网络使用三种基本的网络拓扑：点到点、星形(点到多点)或网状(图2)。点到点只是两个点之间的一条专用链路，实际上根本算不上网络。星形网络是点到点链路的汇聚，中心主节点管理固定数量的从节点，并用作所有上行通信的管道。
图2：基本的无线网络拓扑。
主节点也可以链接其它主节点，从而将星形网络扩展为各种不同的配置，有时这样的配置被称为群集或群集树网络(图3)。
图3：群集树式的扩展星形网络。
星形拓扑的缺点之一是主节点是单个故障点。如果主节点发生故障，整个子网络都将瘫痪。在网状拓扑中，每个节点都有多条路径到达其它节点，因此可以提供最大的弹性和灵活性。大多数实用的网状网络使用伪网格类型，采用的是支持路由的对等通信链路。消息利用多跳路由算法在网络中传输，而且这种算法专门针对最低时延或最低功耗作了优化。由于网状网中的每个节点必须通过路由表了解网络中的其它节点，因此网状网中每个节点要求的内存和处理开销比较高。
&不同协议间的差异
网络管理协议将决定支持哪种拓扑，当节点加入或离开时网络如何进行重新配置。用于网络组建、自动配置、路由等的详细过程与具体协议有关。虽然像ZigBee和WirelessHART等一些WSAN协议已被广泛采纳，但其前景不是很明朗。因为有数十种竞争性且没有互操作性的协议存在，而且每种协议都有各自的优缺点，其中的许多协议是私有协议。虽然采用流行工业标准支持的协议可以保证多供应商的互操作性，但一些私有协议可以提供满足特定性能参数的解决方案，如简单性、网络弹性或安全性。另一方面，私有协议可能限制在未来网络扩展时只能用一家供应商的产品。
与用于数据通信的Wi-Fi不同，WSAN不可能有一种普遍适用的标准。相反，在特殊应用领域中某些协议已经成为事实上的标准，因为它们是最适合的。例如ZigBee，凭借对联盟成员来说有近5亿美元的美国智能电网市场，无疑将成为智能能源和家庭/楼宇自动化应用的主导标准。
WirelessHART是工业自动化应用中使用的已有(有线)高速可寻址远程传感(HART)协议的扩展，由HART联盟提供支持。与WirelessHART有关的ISA100.11a同样用于工业应用，另外它还能传送Modbus、Profibus和Fieldbus协议。也许6LoWPAN是最有吸引力的一种协议，该协议由小对象IP(IPSO)联盟推荐，可将小型嵌入式设备适配进IPv6网络。6LoWPAN协议定义了特殊的IP适配层，非常适合资源受限制的小内存设备使用，使这些设备具有互联网访问功能。
2010年5月，ZigBee联盟和IPv6论坛与IPSO联盟建立了战略性的合作伙伴关系，旨在加速IP联网型智能对象的普及，这是向物联网发展方面迈出的一大步。由于传感器节点需要靠近被监视或控制的环境变量附近，因此节点设计一般都要针对小型物理尺寸和低功耗进行优化。传感器节点中的基本设计元件包括微控制器、内存、射频通信、传感器/致动器接口、电源以及包含网络协议堆栈的固件(图4)。
图4：传感器节点框图。
堆栈是在MCU上执行的软件模块的一个集合，用于实现某种特定的协议。基于上述理由，堆栈是传感器设计中的一个重要组成部分。由于传感器节点中使用的MCU类型一般是低功耗、资源受限制的器件，因此协议堆栈必须小巧高效，并且通常挤在与传感器应用节点共享的64KB至128KB的MCU内部存储器中。
可以围绕各种性能需求对堆栈进行优化，如标准兼容性、功效、执行速度、内存容量等。折衷方案的数量似乎无穷无尽，这正是有这么多协议堆栈选项可供选择的原因。这些堆栈也可以针对特定的MCU架构进行优化，但是针对特定MCU的特定堆栈的可用性，可能会限制器件的选择。MCU供应商一般都向使用他们器件的客户免费提供经过测试和认证的堆栈，包括像ZigBee和6LoWPAN这样与标准兼容的堆栈，以及他们自己(通常是更简单)的私有堆栈。
在典型无线传感器/致动器节点的中心是小型超低功耗的微控制器(MCU)。由于传感器节点通常采用电池供电，因此必须仔细管理MCU功耗。大多数WSAN协议都能将节点配置为较短的活动工作占比。每隔几分钟，睡眠节点会苏醒以执行仅数十毫秒的任务。由于MCU在工作寿命内有99.9%的时间处于最低功耗(睡眠)模式，因此睡眠模式下使用的微小电流是一个关键参数。
目前市场上的许多MCU都提供1?A以下的睡眠电流。虽然睡眠模式电流很重要，但在活动模式下的低功耗以及处理速度也同样重要。MCU必须能够快速苏醒，能够快速执行目标任务，其中包括通信协议处理，然后在尽可能短的时间内返回睡眠模式，最大限度地减少活动模式下花的时间。
如图5所示，传感器的总平均功耗及最终电池寿命将取决于本身功耗指标以及活动/睡眠占比的贡献。
图5：平均功耗与睡眠/活动占比的关系。
收集环境能量
给无线传感器节点供电的一种越来越有吸引力的方法是从传感器环境中收集环境能量。即使一个经过仔细设计的传感器可以用单个CR2032型锂电池工作数年时间，维护具有数百个传感器的大型WSAN网络中的电池也会是一个巨大的挑战。
微型能量收集设备可以发挥自供电、零维护传感器的巨大潜能。鉴于目前超低功耗MCU的极小能量要求，现实世界中有数量惊人的环境能量资源能用来转换出足够的电能供传感器节点使用。常见的2in2光伏电池可以从低至300lux的正常照明办公室环境中连续输出50?W的能量。
利用压电效应的小型振动能量收集器可以调整到收集50Hz-200Hz范围内小于1gRMS的振动，并提供毫瓦级的连续功率。当与小型可充电电池结合使用时，这些能量收集器能为低工作占比的传感器节点提供足够强劲的电源。高功效的射频收发器是无线传感器设计中的另外一个关键元件。就像MCU一样，收发器的功耗特性对电池寿命有很大影响。收发器应具有低功耗睡眠模式、低接收功率、可编程发射功率和唤醒定时器功能。
集成式收发器现在已经很常用，通常是在单个小型封装中包括所有重要的射频电路——滤波器、放大器、混频器、调制器/解调器等。这些器件支持覆盖1GHz以下和2.4GHz ISM频段的频率选项，以及包括FSK、OOK、BPSK和QPSK在内的许多调制选项。收发器数据手册会标明不同数据速率下的接收灵敏度和发射功率(单位是dBm，dBm = 10log(P/1mW))。这两种参数之间的差异可以为总的射频链路预算及网络中的节点至节点距离提供一阶近似值，
链路预算为85dB的2.45GHz链路在室外视距应用中可以达200米距离。由于射频吸收和传播损耗影响，同样的链路在室内的有效距离可能缩短到10米。传感器节点还需要一副天线，可以是外部安装型天线、表贴芯片型天线或印刷电路板设计中的嵌入式天线。
虽然这部分电路对WSAN节点设计来说非常重要，但许多微型射频电路设计可能使这部分设计变得复杂和困难。幸运的是，IC和模块供应商提供的产品可以极大地简化这个任务。
一个特别值得一提的WSAN器件是最早于2003年定义的IEEE Std 802.15.4无线电装置。这是一种短距离的扩频无线电装置，采用三个ISM频段中的一个，并有多种调制选项，可以在16个信道中提供高达250kbps的数据速率。该装置专门设计用于支持大型、低功耗、低数据速率的网状网络，是ZigBee、WirelessHART和6LoWPAN以及较早前提及的许多私有协议的参考性无线电装置标准。
IEEE标准规定了物理层(PHY)和介质访问控制层(MAC)的要求，将上面的网络管理层定义留给了各个不同的感兴趣方，以满足他们特殊的应用需求(图6)。
图6：使用IEEE Std 802.15.4的协议堆栈。
2.45GHz 物理层采用的是基本上全球都免许可的频段，并使用O-QPSK调制和带32位伪随机码序列的直接序列扩展频谱(DSSS)扩频技术。这种技术组合对窄带干扰具有一定的弹性，有助于减轻多径衰落引起的信号抵消效应。这个IEEE标准在定义时专门考虑到了与同样工作在2.4GHz ISM频段工作的802.11和蓝牙设备的共存。有多家IC供应商提供独立的802.15.4兼容无线电器件，小批量时的价格不到3美元。
芯片行业正在积极地提供更多针对WSAN应用优化了的集成式SoC器件。这些SoC一般集成有像ARM Cortex-M3这样的低功耗MCU以及像IEEE Std 802.15.4无线电装置这样的标准射频通信器件。如今最新的趋势是提供预先编程了ROM型协议堆栈的器件，以进一步简化软件开发任务。模块供应商做得更多，在小型集成式模块中提供包括MCU、无线电器件、协议堆栈在内的完整无线模块，在许多情况下甚至包括天线，并且这些模块已经通过测试，完全满足FCC/ETSI要求。
与昂贵的内部定制设计相比(假设射频设计和测试功能也在内部做)，模块可以提供快得多的产品上市路径，并且可以极大地节省成本。当完整模块价格在10美元至20美元之间、基本元件材料清单占2/3时，从定制设计的制造与购买成本分析可以看出，在超过5万片批量之前可能达不到很好的经济效益。
总之，无线传感器/致动器网络提供了实现更加智能控制的经济便利方法，但系统开发人员面临着众多的折衷与选项。网络在动态变化下的灵活性、性能和鲁棒性都将取决于网络架构和协议。
由于没有统一的WSAN协议，开发人员必须从一系列容易令人困惑的协议选项中作出选择。像ZigBee、WirelessHART和6LoWPAN等协议在某类应用中得到了较为广泛的采纳。 幸运的是，今天的元件供应商支持各种选项，包括用于超低功耗MCU且预先测试过的软件堆栈、复杂的兼容标准的射频IC甚至为WSAN应用设计的完整集成和预先认证的现成模块。
表1：IEEE Std 802.15.4-2006 PHY选项。
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所谓网络是指由许多在空间上分布的、具有通讯能力的、可协同实现不同位置对象的物理、化学或环境状态（如温度、湿度、压力、风向、风速、照度、振动、声强、电流、电压、化学浓度、污染物浓度等）监视和记录的传感器互联而组成的一种计算机网络。传感器网络通常不具有或仅拥有十分有限的控制器功能。多个传感器网络可通过相互耦合而构成更大的设备网络。
按网络传输介质的不同，传感器网络可分为有线和无线两大类，有线传感器通讯网络大都是遵循现场总线范畴内的Sensor Bus层次的协议标准（如AS-I、LonWorks）等。鉴于无线传感器网络的重要性日增及其广阔的应用前景，本文着重介绍无线传感器网络。
WSN概念及应用
无线传感器网络（简称WSN）是指由空间分布的自治传感器所组成的、通过无线传输协同监视对象状态的传感器网络。随着半导体技术、通讯技术和计算机技术的迅猛发展，上世纪90年代末美国军方率先开始了无线传感器网络的研究、应用和推广。目前，无线传感器网络在工业过程监视和控制、机械设备状态监视、环境和生境监视、家庭智能和自动化、交通监视和控制管理、医疗保健、气象监视、控制、安全与军事感知、资产跟踪与供应链管理、智能农业等领域均得以运用，并具有广阔的应用和发展前景。
WSN中的网络节点由一个或多个传感器、一个无线电收发器或其它无线通讯设备、一个很小的微控制器和（通常为电池）等四个主要部分构成，并支持多跳路由算法（可通过多个节点将数据包接力传送到网络基站）。WSN的基站是具有更强大的计算、能量和通讯资源的独特部件，承担传感器网络节点和最终用户之间网关的作用。WSN具有节点的可移动性和可异构性、节点容量的可伸缩性、动态的网络拓朴、可大范围地布置、自治运行、成本较低、功率有限、可承受恶劣环境和节点故障的能力等众多特点。
在现代社会中，任何一种新技术的兴旺发展大都建立在成功实现标准化的基础上，无线传感器网络也不例外。为了更进一步地降低成本，扩大应用，实现规模效益，WSN必须实现标准化，以使来自不同生产厂商的产品能够在网络下协同工作，实现其无线传感器的互换性和互操作性。
早在2 0 0 5 年， 国际自动化学会ISA100就倡导并致力于通过定义和颁布系列标准和推荐导则及组成相应技术工作组，以实现自动化和控制环境下的无线传感器网络标准化。到目前为止，WSN通讯协议的国际标准化工作正在进行中，与现场总线类似，WSN的标准化也如春秋战国时代纷争不断，目前还难以统一到一个真正意义上的技术标准。其现状是：其中有的标准已正式颁布实施，有的还在讨论批准过程中，有的还尚处于研发阶段。下面将具有代表性的WSN系列标准或技术规范现状做简要介绍。
6LoWPAN、无线HART、ISA100和ZigBee等无线传感器网络标准或规范均是基于IEEE 802.15.4-2006低速率无线个域网标准。
6LoWPAN是“IPv6 over Low powerWireless Personal Area Networks”（低功率无线个域网上的IPv6）的缩写，属IETF（因特网工程任务组）中的一个工作组，负责制订基于IEEE802.15.4标准个域网上IPv6传输的通讯技术标准。现已发布了RFC4944基础性的技术规范。
无线HART（WirelessHART）标准是HART通讯协议的扩展，专为如过程监视和控制等工业环境应用所设计。在2007年6月，经HART通讯基金会批准，无线HART标准作为HART 7技术规范的一部分，加进了总的HART通讯协议族中。IEC 6259（Ed. 1.0）是国际电工委员会于2010年4月批准发布的完全国际化的无线HART标准，是过程自动化领域的第一个无线传感器网络国际标准。该网络使用运行在2.4GHz频段上的无线电IEEE802.15.4标准，采用直接序列扩频（DSSS）、通信安全与可靠的信道跳频、时分多址（TDMA）同步、网络上设备间延控通信（Latency-controlled Communications）等技术。其无线HARTMesh网络拓朴结构示意见图1。
图1、WirelessHART Mesh扩展网ISA100是正处于发展过程中的相对较新的标准组织，其采用了6LoWPAN技术，主要提供工业自动化与控制应用领域的、重点在现场级（Level 0）的无线系统标准。具体而言，ISA100委员会主要致力于制订在无线技术应用环境、无线设备及系统的技术和生存周期、无线技术应用等方面的无线制造和控制系统类标准、推荐导则、技术报告和相关信息等。
无线技术应用环境包括无线定义、无线电频率、振动、温度、湿度、电磁兼容、互操作性、与原系统的共存、物理设备布置等。无线设备及系统的技术和生存周期是基于非专有无线技术的全面的短期、中期和长期技术需求和实施方案。关于无线技术应用，一是通过无线技术，将用于监视、控制、报警、跳闸等的现场传感器纵向与实时控制系统、直到顶层的管理信息系统相集成；二是将无线技术应用于诸如从无线现场设备互联、控制LAN、商用LAN等全过程系统中。
2009年已发布了ISA-100.11a-2009（用于工业自动化的无线系统：过程控制和标准应用）标准，其在制订的标准还有：I SA-100.15（无线回程主干网）、I SA-100.14（可信无线）、ISA-100.21 （ 人员和资源跟踪和识别）、ISA-100.12（WirelessHART和ISA100.11a汇合网络应用）等。
ZigBee是ZigBee联盟所定义的、并在2004年12月获得批准的、基于IEEE802.15.4标准频率2.4GHz的Mesh网络互联通讯协议。ZigBee标准化组织主要致力于制订诸如嵌入传感、医疗数据收集、电视遥控类用户装置、家庭自动化等方面应用的IEEE无线标准联网规范，并受到许多大的工业联合体的支持。另外，ZigBee也已制订了如鉴别、加密、关联和应用服务等处于通讯上层的附加通讯性能方面的相关规定。
IEEE1451系列标准是由IEEE仪器和测量协会的传感器技术委员会发起的，是专为智能传感器接口（其主要特点是具有数据处理的智能化）而制订的标准。其IEEE7标准即为智能传感器无线通讯协议和传感器电子数据表（TEDS）格式的相关标准。
EnOcean是楼宇自动化领域的一种无线通讯系统，并未获得相应国际标准化组织的批准认可，但受到西门子等公司的大力支持。其技术是基于机械激发等能量捕获原理，其传感器不用电池，具有免维护功能。数据包仅为14字节，传输速率120kbit/s，设备传输频率868.3MHz，无线传输距离可达300米。
无线传感器网络的国际标准化战争尚未结束，用户在具体选择何种WSN标准时一定要在慎重考虑其应用领域、市场支持程度、安全性和可靠性等因素后，经综合评估后再选定适合自身的WSN技术类型和供应商。(end)
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3秒自动关闭窗口无线传感器网络标准化工作进展(转）
无线传感器网络标准化工作进展
徐勇军 朱红松 崔莉
&摘要：无线传感器网络是面向应用的研究领域，其标准化工作是连接科研和产业的纽带。无线传感器网络标准化一开始在国内外都纳入了无线个域网范畴，随着工作的进展逐步分化成专门的工作组，独立开展工作。中科院计算所传感器网络实验室正在积极参与国内及国际相关标准的制定工作，本文就其进展进行简单综述，供大家参考。当然，这方面工作还不长，很多技术问题还在讨论之中，具体应以工作组正式公布的版本为准。
&关键词：无线传感器网络；无线个域网；标准化
&无线传感器网络作为一门面向应用的研究领域，在近几年获得了飞速发展。在关键技术的研发方面，学术界从网络协议、数据融合、测试测量、操作系统、服务质量、节点定位、时间同步等方面开展了大量研究，取得丰硕的成果；工业界也在环境监测、军事目标跟踪、智能家居、自动抄表、灯光控制、建筑物健康监测、电力线监控等领域进行应用探索。随着应用的推广，无线传感器网络技术开始暴露出越来越多的问题。不同厂商的设备需要实现互联互通，且要避免与现行系统的相互干扰，因此要求不同的芯片厂商、方案提供商、产品提供商及关联设备提供商达成一定的默契，齐心协力实现目标。这就是无线传感器网络标准化工作的背景。实际上，由于标准化工作关系到多方的经济利益甚至社会利益，往往受到相关行业的普遍重视，如何协调好各方利益，达成共识，需要参与各方拥有足够的理解和耐心。
&到目前为止，无线传感器网络的标准化工作受到了许多国家及国际标准组织的普遍关注，已经完成了一系列草案甚至标准规范的制定。其中最出名的就是IEEE
802.15.4/ZigBee规范，它甚至已经被一部分研究及产业界人士视为标准。IEEE
802.15.4定义了短距离无线通信的物理层及链路层规范，ZigBee则定义了网络互联、传输和应用规范。尽管IEEE802.15.4和ZigBee协议已经推出多年，但随着应用的推广和产业的发展，其基本协议内容已经不能完全适应需求，加上该协议仅定义了联网通信的内容，没有对传感器部件提出标准的协议接口，所以难以承载无线传感器网络技术的梦想与使命；另外，该标准在落地不同国家时，也必然要受到该国家地区现行标准的约束。为此，人们开始以IEEE
802.15.4/ZigBee协议为基础，推出更多版本以适应不同应用、不同国家和地区。
&尽管存在不完善之处，IEEE
802.15.4/ZigBee仍然是目前产业界发展无线传感网技术当仁不让的最佳组合。本文将重点介绍IEEE
802.15.4/ZigBee协议规范，并适当顾及传感网技术关注的其他相关标准。当然，无线传感器网络的标准化工作任重道远：首先，无线传感网络毕竟还是一个新兴领域，其研究及应用都还显得相当年轻，产业的需求还不明朗；其次，IEEE
802.15/Zigbee并非针对无线传感网量身定制，在无线传感网环境下使用有些问题需要进一步解决；另外，专门针对无线传感网技术的国际标准化工作还刚刚开始，国内的标准化工作组也还刚刚成立。为此，我们要为标准化工作的顺利完成做好充分的准备。
&1.&PHY/MAC
&无线传感器网络的底层标准一般沿用了无线个域网（IEEE
802.15）的相关标准部分。无线个域网（Wireless Personal Area
Network，WPAN）的出现比传感器网络要早，通常定义为提供个人及消费类电子设备之间进行互联的无线短距离专用网络。无线个域网专注于便携式移动设备（如：个人电脑、外围设备、PDA、手机、数码产品等消费类电子设备）之间的双向通信技术问题，其典型覆盖范围一般在10米以内。IEEE
802.15工作组就是为完成这一使命而专门设置的，且已经完成一系列相关标准的制定工作，其中就包括了被广泛用于传感器网络的底层标准IEEE
802.15.4。
&(1).& IEEE
802.15.4b规范
802.15.4标准主要针对低速无线个域网(Low-Rate Wireless Personal Area
Network，LR-WPAN)制定。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标（这和无线传感器网络一致），旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速互联提供统一接口。由于IEEE
802.15.4定义的LR-WPAN网络的特性和无线传感器网络的簇内通信有众多相似之处，很多研究机构把它作为传感器网络节点的物理及链路层通信标准。
802.15.4标准定义了物理层和介质访问控制子层，符合开放系统互连模型（OSI）。物理层包括射频收发器和底层控制模块，介质访问控制子层为高层提供了访问物理信道的服务接口。图1给出了IEEE
802.15.4层与层之间的关系以及IEEE 802.15.4/ZigBee的协议架构，具体参考[1]
图1.&IEEE 802.15.4 及
ZigBee协议栈架构
SSCS：业务相关聚合子层 Service Specific Convergence
802.2LLC是IEEE 802标准中定义逻辑链接控制（defining Logical
Link Control LLC)的部分
802.15.4在物理(PHY)层设计中面向低成本和更高层次的集成需求，采用的工作频率分为868MHz、915MHz和2.4GHz三种，各频段可使用的信道分别有1个、10个、16个，各自提供20kb/s、40kb/s和250kb/s的传输速率，其传输范围介于10米～100米之间。由于规范使用的三个频段是国际电信联盟电信标准化组
(ITUT, ITU Telecommunication Standardization
Sector)定义的用于科研和医疗的ISM(Industrial Scientific and
Medical)开放频段，被各种无线通信系统广泛使用。为减少系统间干扰，协议规定在各个频段采用直接序列扩频(DSSS，Direct
Sequence Spread
Spectrum)编码技术。与其他数字编码方式相较，直接序列扩频技术可使物理层的模拟电路设计变得简单，且具有更高的容错性能，适合低端系统的实现。
802.15.4在介质访问控制层方面，定义了两种访问模式。其一为带冲突避免的载波侦听多路访问方式(Carrier Sense
Multiple Access with Collision
Avoidance，CSMA/CA)。这种方式参考无线局域网(WLAN)中IEEE802.11标准定义的DCF
模式，易于实现与无线局域网（WLAN, Wireless
LAN）的信道级共存。所谓的CSMA/CA是在传输之前，先侦听介质中是否有同信道（co-channel）载波，若不存在，意味着信道空闲，将直接进入数据传输状态；若存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道。这种介质访问控制层方案简化了实现自组织（Ad
Hoc）网络应用的过程，但在大流量传输应用时给提高带宽利用率带来了麻烦；同时，因为没有功耗管理设计，所以要实现基于睡眠机制的低功耗网络应用，需要做更多的工作。
802.15.4定义的另外一种通信模式类似于802.11标准定义的PCF
模式，通过使用同步的超帧机制提高信道利用率，并通过在超帧内定义休眠时段，很容易实现低功耗控制。PCF模式定义了两种器件：全功能器件(Full-Function
Device，FFD)和简化功能器件(Reduced-function
Device，RFD)。FFD设备支持所有的49个基本参数，而RFD设备在最小配置时只要求它支持38个基本参数。在PCF模式下，FFD设备作为协调器控制所有关联的RFD设备的同步、数据收发过程，可以与网络内任何一种设备进行通信。而RFD设备只能和与其关联的FFD设备互通。在PCF模式下，一个IEEE
802.15.4网络中至少存在一个FFD设备作为网络协调器（PAN
Coordinator），起着网络主控制器的作用，担负簇间和簇内同步、分组转发、网络建立、成员管理等任务。
802.15.4标准支持星型和点对点两种网络拓扑结构，有16位和64位两种地址格式。其中64位地址是全球唯一的扩展地址，16位段地址用于小型网络构建，或者作为簇内设备的识别地址。IEEE
802.15.4b标准拥有多个变种，包括了低速超宽带的IEEE 802.15.4a，及最近中国正在着力推进的IEEE
802.15.4c和IEEE 802.15.4e，以及日本主要推动的IEEE
802.15.4d，在这里就不深入讨论了。
蓝牙(Bluetooth)技术
&1998年5月，就在IEEE
802.15无线个域网工作组成立不久，五家世界著名的IT公司：爱立信（Ericsson）、IBM、英特尔（Intel）、诺基亚（Nokia）和东芝（Toshiba）联合宣布了一项叫做“蓝牙（Bluetooth）”的研发计划。1999年7月蓝牙工作组推出了蓝牙协议1.0版，2001年更新为版本1.1，即我们熟知的IEEE
802.15.1协议。该协议旨在设计通用的无线空中接口（Radio Air
Interface）及其软件的国际标准，使通信和计算机进一步结合，让不同厂家生产的便携式设备具有在没有电缆的情况下实现近距离范围内互通的能力。计划一经公布，就得到了包括摩托罗拉（Motorola）、朗讯（Lucent）、康柏（Compaq）、西门子（Simens）、3Com、TDK以及微软（Microsoft）等大公司在内的近2000家厂商的广泛支持和采纳。
&蓝牙技术也是工作在2.4GHz的ISM频段，采用快速跳频和短包技术减少同频干扰，保证物理层传输的可靠性和安全性，具有一定的组网能力，支持64Kbps的实时语音。蓝牙技术日益普及，市场上的相关产品也在不断增多，但随着超宽带技术、无线局域网及ZigBee技术的出现，特别是其安全性、价格、功耗等方面的问题日益显现，其竞争优势开始下降。2004年蓝牙工作组推出2.0版本，带宽提高三倍，且功耗降低一半，在一定程度上重建了产业界信心。
&由于蓝牙技术与ZigBee技术存在一定的共性，所以它们经常被应用于无线传感器网络中。
其他无线个域网标准
&无线传感器网络要构建从物理层到应用层的完整的网络，而无线个域网标准为其提前制定了物理层及介质访问控制层规范。除了前面讨论的IEEE
802.15.4及蓝牙技术外，无线个域网技术方案还包括：超宽带(UWB)技术、红外（IrDA）技术、家用射频(HomeRF)技术等，其共同的特点是短距离、低功耗、低成本、个人专用等，它们均在不同的应用场景中被用于无线传感器网络的底层协议方案，简单介绍如下：
&(1). 超宽带(UWB)技术
&超宽带(Ultra
Wide-Band，UWB)技术起源于20世纪50年代末，是一项使用从几Hz到几GHz的宽带电波信号的技术，通过发射极短暂的脉冲，并接收和分析反射回来的信号，就可以得到检测对象的信息。UWB因为使用了极高的带宽，故其功率谱密度非常平坦，表现为在任何频点的输出功率都非常小，甚至低于普通设备放射的噪声，故其具有很好的抗干扰性和安全性。超宽带技术最初主要作为军事技术在雷达探测和定位等应用领域中使用，美国FCC(联邦通信委员会)于2002年2月准许该技术进入民用领域。除了低功耗外，超宽带技术的传输速率轻易可达100Mbps以上，其第二代产品可望达到500Mbps以上，仅这一项指标就让其他众多技术望尘莫及。围绕UWB的标准之争从一开始就非常激烈，Freescale的DS-UWB和由TI倡导的MBOA逐步脱颖而出，近几年国内在这方面的研究也非常热门。
&由于其功耗低、带宽高、抗干扰能力强，超宽带技术无疑具有梦幻般的发展前景，但超宽带芯片产品却迟迟未曾面市，这无疑留给我们一个大大的遗憾。近年来开始出现相关产品的报道，不过这项底蕴极深的技术还需要整个产业界的共同推动。目前超宽带技术可谓初露锋芒，相信它属于大器晚成、老而弥坚的类型，在无线传感器网络应用中必会大有作为。
&(2). 红外（IrDA）技术
&红外技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是由成立于1993
年的非营利性组织红外线数据标准协会IrDA（Infrared Data
Association）负责推进的，该协会致力于建立无线传播连接的世界标准，目前拥有130个以上的正式企业会员。红外技术的传输速率已经从最初FIR的4Mbps上升为现在VFIR的16Mbps，接收角度也由最初的30°扩展到120°。由于它仅用于点对点通信，且具有一定方向性，故数据传输所受的干扰较少。由于产品体积小、成本低、功耗低、不需要频率申请等优势，红外技术从诞生到现在一直被广泛应用，可谓无线个域网领域的一棵常青树。经过多年的发展，其硬件与配套的软件技术都已相当成熟，目前全世界有至少5000万台设备采用IrDA技术，并且仍然以年递增50%的速度在增长。当今有95%的手提电脑都安装了IrDA
接口，而遥控设备（电视机、空调、数字产品等）更是普遍采用红外技术。
&但是IrDA是一种视距传输技术，核心部件红外线LED也不是十分耐用，更无法构建长时间运行的稳定网络，造成红外技术终究没能成为无线个域网的物理层标准技术，仅在极少数无线传感器网络应用中进行过尝试（如定位跟踪），并且是与其他无线技术配合使用的。
&(3). 家用射频(HomeRF)技术
&家用射频工作组（Home Radio Frequency
Working Group，HomeRF
WG）成立于1998年3月，是由美国家用射频委员会领导的，首批成员包括：英特尔、IBM、康柏、3Com、飞利浦（Philips）、微软、摩托罗拉等公司，其主旨是在消费者能够承受的前提下，建设家庭中的互操作性语音和数据网络。家用射频工作组于1998
年即制定了共享无线访问协议(Shared Wireless Access Protocol
SWAP)，该协议主要针对家庭无线局域网。该协议的数据通信采用简化的IEEE
802.11协议标准，沿用了以太网载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）技术；其语音通信采用DECT(Digital
Enhanced Cordless
Telephony)标准，使用时分多址（TDMA）技术。家用射频工作频段是2.4GHz，最初支持数据和音频最大数据的传输速率为2Mbps，在新的家用射频2.x
标准中采用了WBFH(Wide Band Frequency Hopping
宽带跳频)技术，增加跳频调制功能，数据带宽峰值可达10Mbps，已经能够满足大部分应用。
&2000年左右家用射频技术的普及率一度达到45%，但由于技术标准被控制在数十家公司手中，并没有像红外技术一样开放，特别是802.11b标准的出现，从2001年开始，家用射频的普及率骤然降至30%，2003年家用射频工作组更是宣布停止研发和推广，曾经风光无限的家用射频终于退出无线个域网的历史舞台，尤如昙花一现。
&3. 路由及高层标准
&在前面讨论的底层标准的基础之上，已经出现了一些包括了路由及应用层的高层协议标准，主要包括ZigBee/IEEE
802.15.4、6LowPAN、IEEE1451.5(无线传感通信接口标准)等，另外，Z-Wave联盟、Cypress
USB传感器网络)等也推出了类似的标准，但是在专门为无线传感器网络设计的标准出来以前，ZigBee无疑是最受宠爱的，也受到了较多的应用厂商的推崇，这里简单介绍一下。
&(1). ZigBee协议规范
&ZigBee联盟成立于2001年8月，最初成员包括：霍尼韦尔（Honeywell）、Invensys、三菱（MITSUBISHI）、摩托罗拉和飞利浦等，目前拥有超过200多个会员。ZigBee
1.0(Revision 7)规格正式于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技术具有功耗低、成本低、网络容量大、时延短、安全可靠、工作频段灵活等诸多优点，目前是被普遍看好的无线个域网解决方案，也被很多人视为无线传感器网络的事实标准。
&ZigBee联盟对网络层协议和应用程序接口（Application
Programming Interfaces，API）进行了标准化。ZigBee协议栈架构基于开放系统互连模型七层模型，包含IEEE
802.15.4标准以及由该联盟独立定义的网络层和应用层协议。ZigBee所制定的网络层主要负责网络拓扑的搭建和维护，以及设备寻址、路由等，属于通用的网络层功能范畴，应用层包括应用支持子层（Aplication
Support Sub-layer，APS）、ZigBee设备对象（ZigBee Device
Object，ZDO）以及设备商自定义的应用组件，负责业务数据流的汇聚、设备发现、服务发现、安全与鉴权等。
&另外，ZigBee联盟也负责ZigBee产品的互通性测试与认证规格的制定。ZigBee联盟定期举办ZigFest活动，让发展ZigBee产品的厂商有一个公开交流的机会，完成设备的互通性测试；而在认证部分，ZigBee联盟共定义了3种层级的认证：第一级(Level
1)是认证物理层与介质访问控制层，与芯片厂有最直接的关系；第二级(Level 2)是认证ZigBee
协议栈（Stack），又称为ZigBee兼容平台认证（Compliant Platform
Certification）；第三级(Level
3)是认证ZigBee产品，通过第三级认证的产品才允许贴上ZigBee的标志，所以也称为ZigBee标志认证（Logo
Certification）。
&协议芯片是协议标准的载体，也是最容易体现知识产权的一种形式。目前市场上出现了较多的ZigBee芯片产品及解决方案，有代表性的包括：Jennic的JN5121/JN5139，Chipcon的CC2430/CC2431（被TI收购）及Freescale
MC13192，Ember的EM250 ZigBee等系列的开发工具及芯片，表 1对这些芯片指标进行了比较。
表 1主流ZigBee解决方案芯片的比较
16位XAP2b MCU
32MHz主频 8051MCU
96k RAM,64k ROM
4k RAM,60k FLASH
5k RAM,128k FLASH
8k RAM,128k FLASH
接收/发送电流
ADC,DAC,UART,
SPI ,I2C,Timer,
Comparator
SPI ,I2C,Timer,
Comparator
ADC, UART,
ADC, UART,
1451.5标准
&除了以上两种通用规范以外，在无线传感器网络的不同应用领域，也正在酝酿着特定行业的专用标准，如电力水力、工业控制、消费电子、智能家居等。这里以工控领域为例简单讨论一下IEEE1451.X，当然工业标准纷繁复杂，最近正在制定专门面向工业自动化应用的无线技术标准ISA
SP100，有很多中国工业及学术界同仁努力参与了该标准的制定工作。
&IEEE1451标准族是通过定义一套通用的通信接口，以使工业变送器（传感器+执行器）能够独立于通信网络，并与现有的微处理器系统、仪表仪器和现场总线网络相连，解决不同网络之间的兼容性问题，并最终能够实现变送器到网络的互换性与互操作性。IEEE1451标准族定义了变送器的软硬件接口，将传感器分成两层模块结构。第一层用来运行网络协议和应用硬件，称为网络适配器（Network
Capable Application Processor, NCAP）；第二层为智能变送器接口模块（Smart Transducer
Interface Module,
STIM），其中包括变送器和电子数据表格TEDS。IEEE1451工作组先后提出了五项标准提案（IEEE1451.1—IEEE1451.5），分别针对了不同的工业应用现场需求，其中IEEE1451.5为无线传感通信接口标准。
&IEEE1451.5标准提案于2001年6月最新推出，在已有的IEEE1451柜架下提出了一个开放的标准无线传感器接口，以满足工业自动化等不同应用领域的需求。IEEE1451.5尽量使用无线的传输介质，描述了智能传感器与网络适配器模块之间的无线连接规范，而不是网络适配器模块与网络之间的无线连接，实现了网络适配器模块与智能传感器的IEEE
802.11、Bluetooth、ZigBee无线接口之间的互操作性。IEEE1451.5提案的工作重点在于制定无线数据通信过程中的通信数据模型和通信控制模型。IEEE1451.5建议标准必须对数据模型进行具有一般性的扩展以允许多种无线通信技术可以使用，主要包括两方面：一是为变送器通信定义一个通用的服务质量（QOS）机制，能够对任何无线电技术进行映射服务，另外对每一种无线射频技术都有一个映射层用来把无线发送具体配置参数映射到服务质量机制中。关于该标准具体内容，这里就不再详细讨论了。
&(3).6LowPan草案
&无线传感器网络从诞生开始就与下一代互联网相关联，6LowPan（IPv6
over Low Power Wireless Personal Area
Network）就是结合这两个领域的标准草案。该草案的目标是制定如何在LowPAN（低功率个域网）上传输IPv6报文。当前LowPAN采用的开放协议主要指前面提到的IEEE802.15.4
介质访问控制层标准，在上层并没有一个真正开放的标准支持路由等功能。由于IPv6是下一代互联网标准，在技术上趋于成熟，并且在LowPan上采用IPv6协议可以与IPv6网络实现无缝连接，因此互联网工程任务组（IETF，
Internet Engineering Task
Force，）成立了专门的工作组制定如何在802.15.4协议上发送和接收IPv6报文等相关技术标准。
&在802.15.4上选择传输IPv6报文主要是因为现有成熟的IPv6技术可以很好地满足LowPan互联层的一些要求。首先在LowPan网络里面很多设备需要无状态自动配置技术，在IPv6邻居发现(Neighbor
Discovery)协议里基于主机的多样性已经提供了两种自动配置技术：有状态自动配置与无状态自动配置。另外在LowPan网络中可能存在大量的设备，需要很大的IP地址空间，这个问题对于有着128位IP地址的IPv6协议不是问题；其次在包长受限的情况下，可以选择IPv6的地址包含802.15.4介质访问控制层地址。
&IPv6与802.15.4协议的设计初衷是应用于两个完全不同的网络，这导致了直接在802.15.4上传输IPv6报文会有很多的问题。首先两个协议的报文长度不兼容，IPv6报文允许的最大报文长度是1280字节，而在802.15.4的介质访问控制层最大报文长度是127字节。由于本身的地址域信息(甚至还需要留一些字节给安全设置)占用了25个字节，留给上层的负载域最多102个字节，显然无法直接承载来自IPv6网络的数据包；其次两者采用的地址机制不相同，IPv6采用分层的聚类地址，由多段具有特定含义的地址段前缀与主机号构成；而在802.15.4中直接采用64位或16位的扁平地址；另外，两者设备的协议设计要求不同，在IPv6的协议设计时没有考虑节省能耗问题。而在802.15.4很多设备都是电池供电，能量有限，需要尽量减少数据通信量和通信距离，以延长网络寿命；最后，两个网络协议的优化目标不同，在IPv6中一般关心如何快速地实现报文转发问题，而在802.15.4中，如何在节省设备能量的情况下实现可靠的通信是其核心目标。
总之，由于两个协议的设计出发点不同，要IEEE802.15.4支持IPv6数据包的传输还存在很多技术问题需要解决，如报文分片与重组、报头压缩、地址配置、映射与管理、网状路由转发、邻居发现等，在这里就不再一一讨论了。
&4. 国内标准化及国际化
&近几年来，国内无线传感器网络领域的标准化工作在全国信息技术标准化技术委员会（简称信标委）推动下，取得了较大进展。信标委经过一年多的酝酿，于日组织国内及海外华人专家，在中国电子技术标准化研究所召开了第一次“无线个域网技术标准研讨会”，讨论了无线个域网标准进展状况、市场分析及标准制定等事宜，会议建议将无线传感器网络纳入无线个域网范畴，并成立了专门的兴趣小组（另外还有低速无线个域网、超宽带等兴趣小组），自此中国无线传感器网络标准化工作迈出了第一步。
&工作组经过国内三十多个科研及产业实体近两年的共同努力，先后组织了八次全国范围的技术研讨会，提出了低速无线个域网使用的780MHz(779-787
专用频段及相关技术标准，获得国家无管委的正式批准(日本使用950MHz、美国使用915MHz)。针对该频段，工作组提出了拥有自主产权的MPSK
调制编码技术，摆脱了国外同类技术的专利束缚。日到4日，工作组对《信息技术 系统间远程通信和信息交换
局域网和城域网特定要求第15.4部分：低速率无线个域网（WPAN）物理层和媒体访问控制层规范》意见函进行了投票，并通过了780MHZ工作频段采用MPSK和O-QPSK
调制编码技术提案作为低速率无线个域网共同可选(Co-alternative)的物理层技术规范（MPSK和O-QPSK分别由中国和美国相关团体提出，并各自拥有知识产权），即LR-WPAN可以采用MPSK和OQPSK其中之一，或共同使用，并最终将形成IEEE
802.15.4c标准。另外，由中国及华人专家主要负责起草的包括了MAC/PHY两层协议的IEEE
802.15.4e也在顺利推进中（在IEEE 802.15.4—2006 介质访问控制中加入工业无线标准支持ISA
SP-100.11a，并兼容IEEE
802.15.4c）。这是国内标准化工作的一个重要进展，也是我国参与国际标准制定的重要一步。计算所是这个工作组的正式会员单位之一，参与了其中的一些工作。
&最近，国内及国际无线传感器网络的标准化工作又取得了新的发展。首先，国标委已正式批复无线传感器网络从无线个域网工作组中分离出来，成立了直属于全国信息技术标准化管理委员会的无线传感器网络标准工作组（秘书处现挂靠微系统所，计算所作为其成员单位之一，将致力于该标准的制定工作）。工作组预计于日左右完成筹备工作，这标志着传感器网络的标准化工作向前迈进了一大步；其次，国际标准化组织也成立了ISO/IEC
JTC1/SGSN研究小组，开始了传感器网络相关国际标准的制定。中国和美国、韩国、日本等国家一起作为重要成员单位参与其中。其第一次会议也将于2008年6月底在中国上海隆重召开。会议不但有国内外相关领域专家对其中若干关键问题展开技术讨论，也会有众多从事传感器网络应用的企业携最新产品参加展览。与此同时，各会员国将对传感器网络标准框架开展深入探讨，为标准草案的详细设计奠定基础。
&标准是连接科研和产业的纽带，而芯片正是标准的最直接的实现形式。参与标准化工作，特别是参与国际标准的制定，对提升我国产品的竞争力和技术水平，占领行业制高点，有着举足轻重的作用。制定标准的最终目的还是为提升产业水平、满足产品国际化、保护自主知识产权、兼容同类或配套产品等方面提供便利。如果我们能参与无线传感器网络相关的国内和国际标准的制定，就会在本领域的芯片设计、方案提供及产品制造等方面获得有力保障。系统芯片作为标准最直接的体现形式，将是无线传感器网络应用系统的关键部件，不但是成本的主要决定因素，更是知识产权的主要体现形式。缺少产业的标准显得苍白无力，只是一纸空文；缺少芯片的标准制定显得有名无实，只是纸上谈兵。但是，目前国内在芯片设计及产业化（特别是射频芯片）方面的水平都较低，能力比较弱，这是无线传感器网络领域亟需取得突破的两个关键环节。标准制定和通信芯片是目前传感器网络领域的两个不可或缺的方面，我们一定“两手都要抓，两手都要硬”，这也是我们团队的当务之急。
&参考文献：
&[1]&IEEE无线个域网标准工作组：
&[2]&中国无线个域网标准工作组：
&[3]&无线个域网技术论坛：
&作者简介：
&徐勇军：&中国科学院计算技术研究所、助理研究员
&朱红松：&中国科学院计算技术研究所、博士研究生
莉：&研究员，中国科学院计算技术研究所无线传感网络实验室主任
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