2.3　物聯(lián)局域網(wǎng)技術(shù)

2.3.1　ZigBee組網(wǎng)技術(shù)

2.3.1.1　概念介紹

ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。它此前被稱作“HomeRF Lite”或“FireFly”無線技術(shù)，主要用于近距離無線連接。它有自己的無線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們的通信效率非常高。最后，這些數(shù)據(jù)就可以進(jìn)入計(jì)算機(jī)用于分析或者被另外一種無線技術(shù)如WiMax收集。

ZigBee是可由多到65000個(gè)無線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，類似于現(xiàn)有的移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊相當(dāng)于移動網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信；每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從75m到幾百米，甚至幾千米；同時(shí)，整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其他的各種網(wǎng)絡(luò)連接。例如，你可以通過互聯(lián)網(wǎng)在北京監(jiān)控云南某地的一個(gè)ZigBee控制網(wǎng)絡(luò)。

2.3.1.2　原理及特點(diǎn)

1. 原理

ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信方式采用的是直序擴(kuò)頻技術(shù)（DSSS），它是一種抗干擾能力極強(qiáng)，保密性、可靠性都很高的通信方式。

動態(tài)路由是指網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂剑⒉皇穷A(yù)先設(shè)定的，而是傳輸數(shù)據(jù)前，通過對網(wǎng)絡(luò)當(dāng)時(shí)可利用的所有路徑進(jìn)行搜索，并決定它們的遠(yuǎn)近，然后選擇其中的一條路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

靈活可選的距離，除每個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊可以通過提高接收靈敏度和發(fā)射功率來增加節(jié)點(diǎn)間的通信距離外，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)還可以通過增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量，向外“無限”延伸擴(kuò)展開來。

自動組網(wǎng)，舉一個(gè)簡單的例子就可以很好地說明這個(gè)問題，假如一隊(duì)傘兵從天而降，他們每人持有一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊終端，降落到地面后，只要他們彼此間在網(wǎng)絡(luò)模塊的通信范圍內(nèi)，通過彼此自動尋找，很快就可以形成一個(gè)互聯(lián)互通的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。他們預(yù)先并不知道誰與誰為鄰。同時(shí)，當(dāng)人員的移動導(dǎo)致彼此間的聯(lián)絡(luò)發(fā)生變化時(shí)，模塊還可以通過重新尋找通信對象，確定彼此間的聯(lián)絡(luò)，對原有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行刷新。

每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以與監(jiān)控對象，例如，傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，它還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過來的數(shù)據(jù)資料；除此之外，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（FFD）還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)（RFD）無線連接。

ZigBee實(shí)際上是一種個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（PAN）的短程無線技術(shù)。IEEE標(biāo)準(zhǔn)定義了無線電的物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC）。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)則對此進(jìn)行了有效的擴(kuò)展，覆蓋了協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層和安全層，以及應(yīng)用框架和規(guī)范。

ZigBee增加了聯(lián)網(wǎng)功能，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)基于802.15.4堆協(xié)議棧而建立，定義了設(shè)備如何聯(lián)網(wǎng)。它支持三種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（Mesh）和簇狀結(jié)構(gòu)（Cluster tree）。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持三類節(jié)點(diǎn)。第一種是ZigBee協(xié)調(diào)器（ZigBee Coordinator，ZC），它可用于初始化網(wǎng)絡(luò)信息。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)ZC。第二種是ZigBee路由器（ZigBee Router，ZR），它起監(jiān)視或控制作用，但它也是用跳頻方式傳遞信息的路由器或中繼器。第三種是ZigBee終端設(shè)備（ZigBee End Device，ZED），它只有監(jiān)視或控制功能，不做路由或中繼之用。

由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)是自組織的，并能實(shí)現(xiàn)自我功能恢復(fù)，因此非常具有吸引力。節(jié)點(diǎn)搜索其他節(jié)點(diǎn)，并利用軟件“選中”某個(gè)節(jié)點(diǎn)后進(jìn)行自動鏈接。它指定地址，提供路由表以識別已經(jīng)證實(shí)的通信伙伴。在安全性方面，ZigBee采用AES-128加密技術(shù)來提供認(rèn)證和加密。ZigBee能夠用于藍(lán)牙、WiFi、超寬帶（UWB）、手機(jī)及其他無線技術(shù)不能覆蓋的大部分應(yīng)用領(lǐng)域。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)如圖2.6所示。

2. 特點(diǎn)

1）優(yōu)點(diǎn)

（1）ZigBee的自組織功能。無須人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能感知其他節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)。

（2）ZigBee自愈功能。增加、刪除或移動節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，無須人工干預(yù)，保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作。

（3）成本低廉。設(shè)備的復(fù)雜程度低，且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的，這些可以有效地降低設(shè)備成本；ZigBee的工作頻段靈活，為免執(zhí)照頻段的2.4GHz，即無使用費(fèi)的無線通信。

（4）網(wǎng)絡(luò)容量大。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在200多個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

（5）省電。ZigBee技術(shù)可以確保兩節(jié)五號電池支持長達(dá)6個(gè)月到2年的使用時(shí)間。

（6）可靠。采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競爭和沖突。

（7）成本低。是同類產(chǎn)品的幾分之一甚至十分之一。

（8）時(shí)延短。針對時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。

（9）網(wǎng)絡(luò)容量大。可支持達(dá)65000個(gè)節(jié)點(diǎn)。

（10）安全。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用通用的AES-128。

2）缺點(diǎn)

在ZigBee技術(shù)的使用過程中，人們發(fā)現(xiàn)ZigBee技術(shù)盡管有許多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在許多缺陷。對工業(yè)、家庭自動化控制和遙測遙控領(lǐng)域而言，ZigBee技術(shù)顯得太復(fù)雜、功耗大、距離近、組網(wǎng)規(guī)模太小等。

ZigBee和現(xiàn)有移動網(wǎng)（GPRS，CDMA-1X）的比較具有如下特點(diǎn)：無網(wǎng)絡(luò)使用費(fèi)、設(shè)備投入低、通信更可靠、高度的靈活性和低成本、覆蓋范圍具有彈性。

ZigBee與現(xiàn)有數(shù)傳電臺的比較具有如下優(yōu)點(diǎn)：可靠性高；使用方便安全；抗干擾力強(qiáng)、保密性好、誤碼率低；免費(fèi)頻段；價(jià)格低。

2.3.1.3　應(yīng)用現(xiàn)狀

由于ZigBee技術(shù)的目標(biāo)就是針對工業(yè)、家庭自動化控制、遙測遙控等應(yīng)用領(lǐng)域，并且具有上述優(yōu)點(diǎn)，因而其在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域具有強(qiáng)大的應(yīng)用空間，物聯(lián)網(wǎng)離不開自組網(wǎng)絡(luò)，因此ZigBee是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)之一。

ZigBee技術(shù)的主要應(yīng)用可以概括為以下幾個(gè)方面。

（1）城域無線通信（無線寬帶接入、小區(qū)覆蓋等）。

（2）企業(yè)局域網(wǎng)：展覽中心、體育場、旅游區(qū)、大型倉庫、港口、建筑、煤礦、石油/化工、環(huán)保等。

（3）應(yīng)急/救援通信系統(tǒng)。

（4）工業(yè)自動化控制。

（5）智能交通。

（6）傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

（7）家庭安全監(jiān)測系統(tǒng)。

（8）戰(zhàn)場偵察網(wǎng)絡(luò)、戰(zhàn)地監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、信息中繼。

（9）各種遠(yuǎn)程監(jiān)測/監(jiān)控系統(tǒng)（如環(huán)保、水文、地質(zhì)、資源保護(hù)、研究等）。

（10）公安/交警/消防。

2.3.1.4　發(fā)展趨勢

首先軟件方面，將有更多的產(chǎn)品面世，主要是可加快開發(fā)速度軟件。在硬件方面，更高速、更穩(wěn)定的ZigBee通信硬件設(shè)備有望研發(fā)成功。

其次，ZigBee技術(shù)和RFID技術(shù)在2004年就被列為當(dāng)今世界發(fā)展最快、市場前景最廣闊的十大最新技術(shù)中的兩個(gè)。今后若干年，都將是ZigBee技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)期。

最后，允許移動應(yīng)用的無線電技術(shù)變革正在進(jìn)行中。目前的ZigBee也許能夠處理10～15m/h（每小時(shí)所行駛之英里數(shù)）的一般移動速度。但如果移動節(jié)點(diǎn)需要100m/h的速度，就需要對技術(shù)進(jìn)行變革，比如在RFID或其他移動應(yīng)用中。

2.3.2　WiFi組網(wǎng)技術(shù)

2.3.2.1　概念介紹

WiFi Alliance成立于1999年，當(dāng)時(shí)的名稱為WECA（Wireless Ethernet Compatibility Alliance），于2002年10月正式更名為WiFi。其目前可使用的標(biāo)準(zhǔn)有IEEE 802.11a、IEEE 802.11b和IEEE 802.11g，在無線局域網(wǎng)中被廣泛應(yīng)用。

IEEE 802.11是IEEE最初制定的一個(gè)無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)務(wù)主要限定于數(shù)據(jù)存儲，最高數(shù)據(jù)傳輸速率僅能達(dá)到2Mb/s。IEEE 802.11a是于1999年獲準(zhǔn)的802.11原始標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)具有更少沖突的特點(diǎn)。該標(biāo)準(zhǔn)使用52個(gè)正交頻分多路復(fù)用副載波，物理層最大原始傳輸率為54Mb/s，并可以根據(jù)實(shí)際環(huán)境自動調(diào)整帶寬至48Mb/s，36Mb/s、24Mb/s、18Mb/s、12Mb/s、9Mb/s或6Mb/s，傳輸層可達(dá)25Mb/s。802.11a擁有12條不相互重疊的信道，其中8條用于室內(nèi)，4條用于點(diǎn)對點(diǎn)傳輸。

IEEE 802.11 b標(biāo)準(zhǔn)是無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中普及最廣的一種無線標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)工作在全球免費(fèi)的2.4GHz頻段上，最高速距傳輸率可達(dá)11Mb/s，也可依據(jù)實(shí)際環(huán)境自動降低到5.5Mb/s、2Mb/s或1Mb/s。

IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.11b的后繼標(biāo)準(zhǔn)，于2003年7月通過了第三種調(diào)變標(biāo)準(zhǔn)，與802.11b標(biāo)準(zhǔn)一樣，均工作在2.4GHz的開放頻段，但傳輸速率可達(dá)802. lla標(biāo)準(zhǔn)的54Mb/s，該標(biāo)準(zhǔn)物理層采用CCK補(bǔ)碼鍵控調(diào)制技術(shù)，可與802.11b向后兼容，同時(shí)又通過采用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交頻分復(fù)用技術(shù)支持高達(dá)54Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率。

2.3.2.2　原理和特點(diǎn)

1. 基本原理

WiFi的典型設(shè)置通常包括一個(gè)或多個(gè)接入點(diǎn)AP及一個(gè)或多個(gè)客戶端。每個(gè)接入點(diǎn)AP每隔100ms將服務(wù)單元標(biāo)識SSID（Service Set Identifier）即網(wǎng)絡(luò)名稱（Network Name）經(jīng)由Beacons封包廣播一次。Beacons封包的傳輸速率為1Mb/s，并且該封包的長度非常短，因此這個(gè)廣播動作對WiFi網(wǎng)絡(luò)的性能影響并不大。又因?yàn)閃iFi規(guī)定的最低傳輸速率為1Mb/s，所以足以確保所有接收到這個(gè)SSID廣播封包的WiFi客戶端都能至少在1Mb/s的速率下進(jìn)行通信。

基于如SSID這樣的設(shè)置，客戶端可以決定是否連接到某個(gè)接入點(diǎn)AP。若同一個(gè)SSID的兩個(gè)接入點(diǎn)AP都在客戶端的接收范圍內(nèi)，客戶端可以根據(jù)信號的強(qiáng)度選擇與哪個(gè)接入點(diǎn)的SSID連接。

IEEE 802.11體系由若干部分組成，這些元素通過相互作用來提供無線局域網(wǎng)服務(wù)，并向上層支持站點(diǎn)的移動性。這些基本的組成部分有以下幾個(gè)。

（1）站點(diǎn)（Station）。可以是一臺PC，也可以是如PDA等手持無線設(shè)備。

（2）基本服務(wù)單元BSS （Basic Service Set）。它是IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的無線局域網(wǎng)的最小構(gòu)件。一個(gè)基本服務(wù)單元BSS包括一個(gè)基站和若干個(gè)站點(diǎn)，所有的站點(diǎn)在本BSS內(nèi)都可以直接通信，但在和本BSS以外的站點(diǎn)通信時(shí)都必須通過本BSS的基站。最簡單的服務(wù)集可以只由兩個(gè)站點(diǎn)組成，每個(gè)站點(diǎn)都可以動態(tài)地連接到基本服務(wù)單元中。

（3）分配系統(tǒng)DS（Distribution System）。它用于連接不同的基本服務(wù)單元。分配系統(tǒng)通過必要的邏輯服務(wù)將匹配地址分配給目標(biāo)站點(diǎn)，使移動終端設(shè)備得到支持，并在多個(gè)BSS間實(shí)現(xiàn)無縫整合。正是分配系統(tǒng)DS，使擴(kuò)展服務(wù)單元ESS對上層的表現(xiàn)就像一個(gè)基本服務(wù)單元BSS一樣。

（4）接入點(diǎn)AP（Access Point）。基本服務(wù)單元里面的基站稱為接入點(diǎn)AP，但其作用和網(wǎng)橋相似。AP既有普通站點(diǎn)的身份，又有接入到分配系統(tǒng)的功能。

（5）擴(kuò)展服務(wù)單元ESS（Extended Service Set）。由分配系統(tǒng)和基本服務(wù)單元組合而成。一個(gè)基本服務(wù)單元可以是孤立的，也可以通過接入點(diǎn)AP連接到主干分配系統(tǒng)DS，然后再接入到另一個(gè)基本服務(wù)單元BSS，這樣就構(gòu)成了一個(gè)擴(kuò)展服務(wù)單元ESS。

（6）門橋（Portal）。它是IEEE 802.11定義的新名詞，作用就相當(dāng)于網(wǎng)橋。用于將無線局域網(wǎng)和有線局域網(wǎng)或者其他網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來。所有來自非IEEE 802.11局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)都要通過門橋才能進(jìn)入IEEE 802.11的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。門橋可以使這兩種類型的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)邏輯上的綜合。

在定位測量方法上，按照所取參數(shù)的不同可分為基于接收信號強(qiáng)度的測量法（Received Signal Strength Indication，RSSI）、基于達(dá)到角度的測量法（Angle of Arrival，AOA）、基于到達(dá)時(shí)間的測量法（Time of Arrival，TOA）和基于到達(dá)時(shí)間差的測量法（Time Difference of Arrival，TDOA）。分別如圖2.7～圖2.9所示。

2. 特點(diǎn)

WiFi網(wǎng)絡(luò)能得到廣泛的應(yīng)用，主要是由于其具備以下幾個(gè)主要特點(diǎn)。

（1）具有可移動性。無線局域網(wǎng)擺脫了以往上網(wǎng)一定要依靠電纜線的限制，這不僅使用戶端在使用服務(wù)時(shí)更加舒適和方便，同時(shí)也降低了網(wǎng)絡(luò)配置的成本。在一些有線網(wǎng)不能運(yùn)行的地方，如戶外、年頭已久無法布網(wǎng)的建筑等，都可以通過無線局域網(wǎng)連接到互聯(lián)網(wǎng)上。

（2）組建簡便。無線局域網(wǎng)的組建在硬件設(shè)備上的要求與有線網(wǎng)相比，更加簡潔方便，而且目前支持無線局域網(wǎng)的設(shè)備已經(jīng)在市場上得到了廣泛的普及，不同品牌的接入點(diǎn)AP以及客戶網(wǎng)絡(luò)接口之間在基本的服務(wù)層面上都是可以實(shí)現(xiàn)互操作的。而全球統(tǒng)一的WiFi標(biāo)準(zhǔn)使其與蜂窩載波技術(shù)不同，同一個(gè)WiFi用戶可以在世界各個(gè)國家使用無線局域網(wǎng)服務(wù)。

（3）完全開放的頻率使用段。如前文所述，無線局域網(wǎng)使用的ISM頻段是全球開放的頻率使用段，使得用戶端無須任何許可就可以自由使用該頻段上的服務(wù)。

（4）動態(tài)拓?fù)涮匦浴Ｓ脩舳丝稍诰W(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍內(nèi)任意移動，隨時(shí)加入或退出，但拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化不會給客戶端帶來任何影響。

（5）與以太網(wǎng)的兼容性。其相互兼容的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議使有線和無線之間通過網(wǎng)橋即可實(shí)現(xiàn)無線局域網(wǎng)與以太網(wǎng)的連接。

（6）無線電波的覆蓋范圍廣，WiFi的半徑則可達(dá)30m。

（7）傳輸速度非常快，可以達(dá)到11Mb/s。

2.3.2.3　應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，中國運(yùn)營商和設(shè)備制造商加大了對WiFi設(shè)備及業(yè)務(wù)的投入。繼中國網(wǎng)通2001年推出了無線寬帶接入品牌——“無線伴旅”之后，逐漸開始了對高檔酒店、寫字樓、機(jī)場、咖啡廳等場所進(jìn)行熱點(diǎn)覆蓋。同時(shí)由于設(shè)備價(jià)格的下降、終端產(chǎn)品的普及，市場將針對消費(fèi)能力比較旺盛的一、二級城市以較快的速度發(fā)展。

WiFi在金融、旅游、醫(yī)療、商務(wù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，將是無線局域網(wǎng)市場增長的主要?jiǎng)恿ΑＫ伎啤ETGEAR、華為3Com、D-Link等廠商紛紛開始謀求在國內(nèi)迅猛發(fā)展的家庭寬帶市場上分得一杯羹。

此外，WiFi在定位方面也有很好的應(yīng)用。例如，WiFi在某井下定位系統(tǒng)中的應(yīng)用。基于WiFi技術(shù)的井下定位系統(tǒng)，是通過利用井下以太網(wǎng)，根據(jù)實(shí)際覆蓋要求和現(xiàn)場測試結(jié)果部署若干臺無線接入點(diǎn)，建立井下WiFi無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)井巷覆蓋。此外，在該定位系統(tǒng)中還需要采用WiFi模塊的手機(jī)、PDA等移動通信終端或WiFi標(biāo)識卡。

2.3.2.4　發(fā)展趨勢

WiFi網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用逐漸普及，但是其自身存在著一定問題，主要體現(xiàn)在安全性、傳輸速率、穩(wěn)定性等方面。因而WiFi的發(fā)展將向著安全可靠、快速、大范圍覆蓋進(jìn)軍。

2.3.3　無線傳感組網(wǎng)技術(shù)

2.3.3.1　概念介紹

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量無處不在的、具有無線通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)，通過自組織的無線通信方式，相互傳遞信息，協(xié)同地完成特定功能的智能專用網(wǎng)絡(luò)。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、微電子制造技術(shù)和軟件編程技術(shù)等，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)所監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境和監(jiān)測對象的信息，并對收集到的信息進(jìn)行處理后傳送給終端用戶。

WSN系統(tǒng)實(shí)際上是傳感器技術(shù)發(fā)展的高級階段。其發(fā)展歷程是首先在普通傳感器的基礎(chǔ)上嵌入計(jì)算能力，變成智能傳感器；其次在有線智能傳感器的基礎(chǔ)上，增加無線通信能力，使其成為無線傳感器；最后將無線組網(wǎng)技術(shù)引入無線智能傳感器中，形成WSN系統(tǒng)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)結(jié)合傳感器、協(xié)同感知、協(xié)同信息處理、無線通信與網(wǎng)絡(luò)、綜合信息服務(wù)等多種技術(shù)的綜合信息系統(tǒng)。它具有高度創(chuàng)造性、滲透性和帶動性，不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值，還將在許多新興領(lǐng)域體現(xiàn)其優(yōu)越性，如家庭、保健、交通等。

2.3.3.2　原理及特點(diǎn)

1. 原理

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖2.9所示，系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和骨理節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或移動網(wǎng)絡(luò)到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)是一個(gè)微型化的嵌入式系統(tǒng)，構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)平臺。

典型的傳感器節(jié)點(diǎn)通常由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖2.10所示。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用類型過于廣泛，在其標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)、設(shè)計(jì)過程中較難有效地協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用特定性和系統(tǒng)普適性的矛盾關(guān)系。為了解決傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程中可能遇到的若干問題，需要研究建立一個(gè)科學(xué)、完整的傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)體系和系統(tǒng)架構(gòu)。這種系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)水平將決定傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程中的技術(shù)細(xì)節(jié)、應(yīng)用模式和發(fā)展趨勢。

2. 特點(diǎn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在著以下幾個(gè)特點(diǎn)。

（1）硬件資源有限。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力與內(nèi)存空間受到種種限制，與普通計(jì)算機(jī)相比，它們的功能要弱很多。

（2）能量有限。在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)往往采用電池作為能量來源，而由于其特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，電池能量完全決定了節(jié)點(diǎn)的壽命，因此，應(yīng)盡可能地節(jié)省能量以提高節(jié)點(diǎn)的工作壽命。

（3）無中心。絕大多數(shù)節(jié)點(diǎn)地位平等，而一個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障也不會導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)崩潰，從而決定了其極強(qiáng)的抗破壞性與抗毀滅性。

（4）自組織。由于網(wǎng)絡(luò)無中心且不依賴任何預(yù)先設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，因此節(jié)點(diǎn)可通過分布式算法與分層協(xié)議協(xié)調(diào)各自的行為，組成一個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)。

（5）多跳路由。由于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)通信半徑有限，因此要想與更多的節(jié)點(diǎn)交換信息，就必須通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由無法像固定網(wǎng)絡(luò)一樣通過網(wǎng)關(guān)與路由器，而只能通過普通節(jié)點(diǎn)完成對信息的發(fā)送與轉(zhuǎn)發(fā)。

（6）動態(tài)拓?fù)洹Ｒ驗(yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)可能隨處移動，網(wǎng)絡(luò)中隨時(shí)可能發(fā)生節(jié)點(diǎn)加入或退出網(wǎng)絡(luò)的事件，這樣會使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)發(fā)生變化。

（7）節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，分布密集。為保證對目標(biāo)區(qū)域的監(jiān)控任務(wù)能夠完成，同一時(shí)間段內(nèi)會有大量傳感器被應(yīng)用于目標(biāo)區(qū)域，傳感器節(jié)點(diǎn)的分布相當(dāng)密集，節(jié)點(diǎn)之間的高聯(lián)通度可保證系統(tǒng)的容錯(cuò)性和抗毀性。

2.3.3.3　應(yīng)用

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了全新的智能化通信、控制手段，具有可快速部署、可自組織和高容錯(cuò)性的特點(diǎn)，因此該項(xiàng)技術(shù)在國家安全及軍事上具有較大的應(yīng)用價(jià)值，主要應(yīng)用范圍有：監(jiān)測戰(zhàn)場人員及裝備、機(jī)器人控制及監(jiān)測敵軍和化學(xué)武器；評估軍隊(duì)作戰(zhàn)的戰(zhàn)果；核能、生物、化學(xué)攻擊的偵察；邊防警衛(wèi)；軍事區(qū)域的監(jiān)控照明、軍隊(duì)辦公大樓的安全；軍隊(duì)運(yùn)輸和軍事勘測管理、控制、數(shù)據(jù)采集；部隊(duì)營區(qū)倉庫環(huán)境監(jiān)控；配合傳感器網(wǎng)絡(luò)報(bào)告汽車所有系統(tǒng)的狀態(tài)；用于產(chǎn)品運(yùn)輸、產(chǎn)品跟蹤、存儲較大物品和財(cái)產(chǎn)管理；基于軍用部門互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備之間的機(jī)器對機(jī)器通信（M2M）等，如圖2.11所示。

同時(shí)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對于比較惡劣的環(huán)境和人不宜到達(dá)的場所也非常適用，比如，荒島上的環(huán)境和生態(tài)監(jiān)控、原始森林的防火和動物活動情況監(jiān)測、污染區(qū)域以及地震和火災(zāi)等突發(fā)災(zāi)難現(xiàn)場的監(jiān)控。另外，它還可用于城市的交通監(jiān)測、醫(yī)療機(jī)構(gòu)的病員及環(huán)境監(jiān)測、大型車間原材料和倉庫貨物進(jìn)出情況的監(jiān)測，以及機(jī)場、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以使人們在任何時(shí)間、地點(diǎn)和任何環(huán)境條件下獲取大量信息。

美國DARPA所啟動的SensIT（Sensor Information Techology）計(jì)劃中，將多種類型的傳感器、嵌入式處理器、無線通信技術(shù)結(jié)合起來，建立一個(gè)廉價(jià)而分布廣泛的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來監(jiān)測光、聲、振動、濕度、壓力、溫度、磁場、加速度、密度等物理量。傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量體積小、成本低、隨機(jī)散布的傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織形式構(gòu)成，因此非常適合于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境，在偵測沖突區(qū)域的敵方兵力、裝備物資、定位入侵目標(biāo)、評估損失等方面有著得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢。

2.3.3.4　發(fā)展趨勢

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有極大的應(yīng)用價(jià)值，但是也存在著以下挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)之一：如何在如此有限通信能力的條件下，高質(zhì)量地完成感知數(shù)據(jù)的查詢、分析、挖掘與傳輸？

挑戰(zhàn)之二：如何為多源信息傳輸選擇優(yōu)化通信路徑？

挑戰(zhàn)之三：通信路徑重構(gòu)為何成為突出問題？路由算法必須具有自適應(yīng)性嗎？

挑戰(zhàn)之四：如何使傳感器網(wǎng)絡(luò)在工作過程中節(jié)省能源，實(shí)現(xiàn)能源均衡，最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期？

挑戰(zhàn)之五：如何使用大量具有有限計(jì)算能力的傳感器設(shè)計(jì)能源有效的高性能分布式算法？

挑戰(zhàn)之六：如何使傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件具有高強(qiáng)壯性和容錯(cuò)性？

挑戰(zhàn)之七：如何管理成千上萬的分布式觸發(fā)器？

挑戰(zhàn)之八：如何設(shè)計(jì)高效率、能源有效、實(shí)時(shí)的海量感知數(shù)據(jù)流的查詢、分析和挖掘的分布式算法？

挑戰(zhàn)之九：如何建立以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡(luò)？

挑戰(zhàn)之十：如何建立新感知器概念、理論、技術(shù)和各種新型感知器？

目前，已有一些標(biāo)準(zhǔn)化組織和專業(yè)機(jī)構(gòu)提出了多種系統(tǒng)架構(gòu)模型，如美國國防部體系架構(gòu)（DoDAF），英國國防部體系架構(gòu)（MoDAF），開放組織體系框架（ToGAF），結(jié)構(gòu)化信息標(biāo)準(zhǔn)推動組織（OASIS），開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（OSI）等，但由于各自的針對性不同，這些系統(tǒng)架構(gòu)的定義和思想并不統(tǒng)一。傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為一種全新的異構(gòu)信息系統(tǒng)，需要選取合適的頂層規(guī)劃原則進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，這是WSN發(fā)展中需要解決的首要問題。