［前语］无线传感器网络作为一门面向运用的研讨领域，在近几年获得了飞速开展。在关键技能的研制方面，学术界从网络协议、数据交融、测验丈量、操作体系、服务质量、节点定位、时刻同步等方面展开了许多研讨，获得丰盛的效果;工业界也在环境监测、军事方针盯梢、智能家居、主动抄表、灯火操控、建筑物健康监测、电力线监控等领域进行运用探究。无线传感器网络作为一门面向运用的研讨领域，在近几年获得了飞速开展。在关键技能的研制方面，学术界从网络协议、数据交融、测验丈量、操作体系、服务质量、节点定位、时刻同步等方面展开了许多研讨，获得丰盛的效果;工业界也在环境监测、军事方针盯梢、智能家居、主动抄表、灯火操控、建筑物健康监测、电力线监控等领域进行运用探究。跟着运用的推行，无线传感器网络技能开端暴露出越来越多的问题。
到现在为止，无线传感器网络的规范化作业遭到了许多国家及国际规范安排的遍及重视，现已完结了一系列草案乃至规范规范的拟定。其间最知名的便是IEEE 802.15.4/zigbee规范，它乃至现已被一部分研讨及工业界人士视为规范。IEEE 802.15.4界说了短间隔无线通讯的物理层及链路层规范，zigbee则界说了网络互联、传输和运用规范。虽然IEEE802.15.4和zigbee协议现已推出多年，但跟着运用的推行和工业的开展，其根本协议内容现已不能彻底习惯需求，加上该协议仅界说了联网通讯的内容，没有对传感器部件提出规范的协议接口，所以难以承载无线传感器网络技能的愿望与使命;别的，该规范在落地不同国家时，也必定要遭到该国家区域现行规范的束缚。为此，人们开端以IEEE 802.15.4/zigbee协议为根底，推出更多版别以习惯不同运用、不同国家和区域。
虽然存在不完善之处，IEEE 802.15.4/zigbee依然是现在工业界开展无线传感网技能见义勇为的最佳组合。本文将要点介绍IEEE 802.15.4/zigbee协议规范，并恰当顾及传感网技能重视的其他相关规范。当然，无线传感器网络的规范化作业负重致远：首要，无线传感网络究竟仍是一个新式领域，其研讨及运用都还显得适当年青，工业的需求还不明亮;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运用有些问题需求进一步处理;别的，专门针对无线传感网技能的国际规范化作业还刚刚开端，国内的规范化作业组也还刚刚树立。为此，咱们要为规范化作业的顺利完结做好充沛的预备。
一. PHY/MAC 层规范
无线传感器网络的底层规范一般沿袭了无线个域网（IEEE 802.15）的相关规范部分。无线个域网（Wireless Personal Area Network，WPAN）的呈现比传感器网络要早，一般界说为供给个人及消费类电子设备之间进行互联的无线短间隔专用网络。无线个域网专心于便携式移动设备（如：个人电脑、外围设备、PDA、手机、数码产品等消费类电子设备）之间的双向通讯技能问题，其典型掩盖规模一般在10米以内。IEEE 802.15作业组便是为完结这一使命而专门设置的，且现已完结一系列相关规范的拟定作业，其间就包括了被广泛用于传感器网络的底层规范IEEE 802.15.4。
（1） IEEE 802.15.4b规范
IEEE 802.15.4规范首要针对低速无线个域网（Low-Rate Wireless Personal Area Network，LR-WPAN）拟定。该规范把低能量消耗、低速率传输、低成本作为要点方针（这和无线传感器网络一起），旨在为个人或许家庭规模内不同设备之间低速互联供给一致接口。因为IEEE 802.15.4界说的LR-WPAN网络的特性和无线传感器网络的簇内通讯有许多相似之处，许多研讨机构把它作为传感器网络节点的物理及链路层通讯规范。
IEEE 802.15.4规范界说了物理层和介质拜访操控子层，契合敞开体系互连模型（OSI）。物理层包括射频收发器和底层操控模块，介质拜访操控子层为高层供给了拜访物理信道的服务接口。图1给出了IEEE 802.15.4层与层之间的联系以及IEEE 802.15.4/zigbee的协议架构，具体参阅下图
IEEE 802.15.4在物理（PHY）层规划中面向低成本和更高层次的集成需求，选用的作业频率分为868MHz、915MHz和2.4GHz三种，各频段可运用的信道别离有1个、10个、16个，各自供给20kb/s、40kb/s和250kb/s的传输速率，其传输规模介于10米～100米之间。因为规范运用的三个频段是国际电信联盟电信规范化组 （ITUT， ITU TelecommunicaTIon StandardizaTIon Sector）界说的用于科研和医疗的ISM（Industrial ScienTIfic and Medical）敞开频段，被各种无线通讯体系广泛运用。为削减体系间搅扰，协议规定在各个频段选用直接序列扩频（DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum）编码技能。与其他数字编码方法相较，直接序列扩频技能可使物理层的模仿电路规划变得简略，且具有更高的容错功用，合适低端体系的完结。
IEEE 802.15.4在介质拜访操控层方面，界说了两种拜访方式。其一为带抵触防止的载波侦听多路拜访方法（Carrier Sense MulTIple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）。这种方法参阅无线局域网（WLAN）中IEEE802.11规范界说的DCF 方式，易于完结与无线局域网（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，意味着信道闲暇，将直接进入数据传输情况;若存在载波，则在随机退避一段时刻后从头检测信道。这种介质拜访操控层计划简化了完结自安排（Ad Hoc）网络运用的进程，但在大流量传输运用时给进步带宽运用率带来了费事;一起，因为没有功耗办理规划，所以要完结根据睡觉机制的低功耗网络运用，需求做更多的作业。
IEEE 802.15.4界说的别的一种通讯方式相似于802.11规范界说的PCF 方式，通过运用同步的超帧机制进步信道运用率，并通过在超帧内界说休眠时段，很简略完结低功耗操控。PCF方式界说了两种器材：全功用器材（Full-Function Device，FFD）和简化功用器材（Reduced-function Device，RFD）。FFD设备支撑一切的49个根本参数，而RFD设备在最小装备时只要求它支撑38个根本参数。在PCF方式下，FFD设备作为和谐器操控一切相关的RFD设备的同步、数据收发进程，能够与网络内任何一种设备进行通讯。而RFD设备只能和与其相关的FFD设备互通。在PCF方式下，一个IEEE 802.15.4网络中至少存在一个FFD设备作为网络和谐器（PAN Coordinator），起着网络主操控器的效果，背负簇间和簇内同步、分组转发、网络树立、成员办理等使命。
IEEE 802.15.4规范支撑星型和点对点两种网络拓扑结构，有16位和64位两种地址格局。其间64位地址是全球仅有的扩展地址，16位段地址用于小型网络构建，或许作为簇内设备的辨认地址。IEEE 802.15.4b规范具有多个变种，包括了低速超宽带的IEEE 802.15.4a，及最近我国正在着力推进的IEEE 802.15.4c和IEEE 802.15.4e，以及日本首要推进的IEEE 802.15.4d，在这儿就不深化评论了。
（2）蓝牙（Bluetooth）技能
1998年5月，就在IEEE 802.15无线个域网作业组树立不久，五家国际闻名的IT公司：爱立信（Ericsson）、IBM、英特尔（Intel）、诺基亚（Nokia）和东芝（Toshiba）联合宣告了一项叫做“蓝牙（Bluetooth）”的研制计划。1999年7月蓝牙作业组推出了蓝牙协议1.0版，2001年更新为版别1.1，即咱们熟知的IEEE 802.15.1协议。该协议旨在规划通用的无线空中接口（Radio Air Interface）及其软件的国际规范，使通讯和计算机进一步结合，让不同厂家出产的便携式设备具有在没有电缆的情况下完结近间隔规模内互通的才能。计划一经发布，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家厂商的广泛支撑和选用。
蓝牙技能也是作业在2.4GHz的ISM频段，选用快速跳频和短包技能削减同频搅扰，确保物理层传输的牢靠性和安全性，具有必定的组网才能，支撑64Kbps的实时语音。蓝牙技能日益遍及，市场上的相关产品也在不断增多，但跟着超宽带技能、无线局域网及zigbee技能的呈现，特别是其安全性、价格、功耗等方面的问题日益闪现，其竞赛优势开端下降。2004年蓝牙作业组推出2.0版别，带宽进步三倍，且功耗下降一半，在必定程度上重建了工业界决心。
因为蓝牙技能与zigbee技能存在必定的共性，所以它们经常被运用于无线传感器网络中。
二. 其他无线个域网规范
无线传感器网络要构建从物理层到运用层的完好的网络，而无线个域网规范为其提早拟定了物理层及介质拜访操控层规范。除了前面评论的IEEE 802.15.4及蓝牙技能外，无线个域网技能计划还包括：超宽带（UWB）技能、红外（IrDA）技能、家用射频（HomeRF）技能等，其一起的特点是短间隔、低功耗、低成本、个人专用等，它们均在不同的运用场景中被用于无线传感器网络的底层协议计划，简略介绍如下：
（1） 超宽带（UWB）技能
超宽带（Ultra Wide-Band，UWB）技能起源于20世纪50年代末，是一项运用从几Hz到几GHz的宽带电波信号的技能，通过发射极时间短的脉冲，并接纳和剖析反射回来的信号，就能够得到检测方针的信息。UWB因为运用了极高的带宽，故其功率谱密度非常平整，表现为在任何频点的输出功率都非常小，乃至低于一般设备放射的噪声，故其具有很好的抗搅扰性和安全性。超宽带技能开端首要作为军事技能在雷达勘探和定位等运用领域中运用，美国FCC（联邦通讯委员会）于2002年2月答应该技能进入民用领域。除了低功耗外，超宽带技能的传输速率简略可达100Mbps以上，其第二代产品可望到达500Mbps以上，仅这一项方针就让其他许多技能望尘莫及。环绕UWB的规范之争从一开端就非常剧烈，Freescale的DS-UWB和由TI倡议的MBOA逐渐锋芒毕露，近几年国内在这方面的研讨也非常抢手。
因为其功耗低、带宽高、抗搅扰才能强，超宽带技能无疑具有梦幻般的开展前景，但超宽带芯片产品却迟迟未曾面市，这无疑留给咱们一个大大的惋惜。近年来开端呈现相关产品的报导，不过这项见识极深的技能还需求整个工业界的一起推进。现在超宽带技能可谓牛刀小试，信任它归于大器晚成、老而弥坚的类型，在无线传感器网络运用中必会大有作为。
（2） 红外（IrDA）技能
红外技能是一种运用红外线进行点对点通讯的技能，是由树立于1993 年的非营利性安排红外线数据规范协会IrDA（Infrared Data Association）担任推进的，该协会致力于树立无线传达衔接的国际规范，现在具有130个以上的正式企业会员。红外技能的传输速率现已从开端FIR的4Mbps上升为现在VFIR的16Mbps，接纳视点也由开端的30°扩展到120°。因为它仅用于点对点通讯，且具有必定方向性，故数据传输所受的搅扰较少。因为产品体积小、成本低、功耗低、不需求频率申请等优势，红外技能从诞生到现在一向被广泛运用，可谓无线个域网领域的一棵常青树。通过多年的开展，其硬件与配套的软件技能都已适当老练，现在全国际有至少5000万台设备选用IrDA技能，而且依然以年递加50%的速度在添加。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）更是遍及选用红外技能。
可是IrDA是一种视距传输技能，中心部件红外线LED也不是非常经用，更无法构建长时刻运转的安稳网络，形成红外技能毕竟没能成为无线个域网的物理层规范技能，仅在极少数无线传感器网络运用中进行过测验（如定位盯梢），而且是与其他无线技能合作运用的。
（3）家用射频（HomeRF）技能
家用射频作业组（Home Radio Frequency Working Group，HomeRF WG）树立于1998年3月，是由美国家用射频委员会领导的，榜首批成员包括：英特尔、IBM、康柏、3Com、飞利浦（Philips）、微软、摩托罗拉等公司，其宗旨是在顾客能够接受的前提下，建造家庭中的互操作性语音和数据网络。家用射频作业组于1998 年即拟定了同享无线拜访协议（Shared Wireless Access Protocol SWAP），该协议首要针对家庭无线局域网。该协议的数据通讯选用简化的IEEE 802.11协议规范，沿袭了以太网载波侦听多路拜访/抵触检测（CSMA/CD）技能;其语音通讯选用DECT（Digital Enhanced Cordless Telephony）规范，运用时分多址（TDMA）技能。家用射频作业频段是2.4GHz，开端支撑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 规范中选用了WBFH（Wide Band Frequency Hopping 宽带跳频）技能，添加跳频调制功用，数据带宽峰值可达10Mbps，现已能够满意大部分运用。
2000年左右家用射频技能的遍及率一度到达45%，但因为技能规范被操控在数十家公司手中，并没有像红外技能相同敞开，特别是802.11b规范的呈现，从2001年开端，家用射频的遍及率突然降至30%，2003年家用射频作业组更是宣告中止研制和推行，从前风景无限的家用射频总算退出无线个域网的历史舞台，尤如稍纵即逝。
三. 路由及高层规范
在前面评论的底层规范的根底之上，现已呈现了一些包括了路由及运用层的高层协议规范，首要包括zigbee/IEEE 802.15.4、6LowPAN、IEEE1451.5（无线传感通讯接口规范）等，别的，Z-Wave联盟、Cypress （Wireless USB传感器网络）等也推出了相似的规范，可是在专门为无线传感器网络规划的规范出来曾经，zigbee无疑是最受宠爱的，也遭到了较多的运用厂商的推重，这儿简略介绍一下。
（1） zigbee协议规范
zigbee联盟树立于2001年8月，开端成员包括：霍尼韦尔（Honeywell）、Invensys、三菱（MITSUBISHI）、摩托罗拉和飞利浦等，现在具有超越200多个会员。zigbee 1.0（Revision 7）规范正式于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年春天又有必定的更新。zigbee技能具有功耗低、成本低、网络容量大、时延短、安全牢靠、作业频段灵敏等许多长处，现在是被遍及看好的无线个域网处理计划，也被许多人视为无线传感器网络的事实规范。
zigbee联盟对网络层协议和运用程序接口（Application Programming Interfaces，API）进行了规范化。zigbee协议栈架构根据敞开体系互连模型七层模型，包括IEEE 802.15.4规范以及由该联盟独立界说的网络层和运用层协议。zigbee所拟定的网络层首要担任网络拓扑的搭建和保护，以及设备寻址、路由等，归于通用的网络层功用领域，运用层包括运用支撑子层（Aplication Support Sub-layer，APS）、zigbee设备方针（zigbee Device Object，ZDO）以及设备商自界说的运用组件，担任事务数据流的会聚、设备发现、服务发现、安全与鉴权等。
别的，zigbee联盟也担任zigbee产品的互通性测验与认证规范的拟定。zigbee联盟定时举行ZigFest活动，让开展zigbee产品的厂商有一个揭露沟通的时机，完结设备的互通性测验;而在认证部分，zigbee联盟共界说了3种层级的认证：榜首级（Level 1）是认证物理层与介质拜访操控层，与芯片厂有最直接的联系;第二级（Level 2）是认证zigbee 协议栈（Stack），又称为zigbee兼容渠道认证（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答应贴上zigbee的标志，所以也称为zigbee标志认证（Logo Certification）。
协议芯片是协议规范的载体，也是最简略表现知识产权的一种方式。现在市场上呈现了较多的zigbee芯片产品及处理计划，有代表性的包括：Jennic的JN5121/JN5139，Chipcon的CC2430/CC2431（被TI收买）及Freescale MC13192，Ember的EM250 zigbee等系列的开发工具及芯片，表 1对这些芯片方针进行了比较。
（2） IEEE 1451.5规范
除了以上两种通用规范以外，在无线传感器网络的不同运用领域，也正在酝酿着特定职业的专用规范，如电力水力、工业操控、消费电子、智能家居等。这儿以工控领域为例简略评论一下IEEE1451.X，当然工业规范纷繁复杂，最近正在拟定专门面向工业主动化运用的无线技能规范ISA SP100，有许多我国工业及学术界同仁尽力参加了该规范的拟定作业。
IEEE1451规范族是通过界说一套通用的通讯接口，以使工业变送器（传感器+执行器）能够独立于通讯网络，并与现有的微处理器体系、仪表仪器和现场总线网络相连，处理不同网络之间的兼容性问题，并终究能够完结变送器到网络的互换性与互操作性。IEEE1451规范族界说了变送器的软硬件接口，将传感器分红两层模块结构。榜首层用来运转网络协议和运用硬件，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），其间包括变送器和电子数据表格TEDS。IEEE1451作业组先后提出了五项规范提案（IEEE1451.1—IEEE1451.5），别离针对了不同的工业运用现场需求，其间IEEE1451.5为无线传感通讯接口规范。
IEEE1451.5规范提案于2001年6月最新推出，在已有的IEEE1451柜架下提出了一个敞开的规范无线传感器接口，以满意工业主动化等不同运用领域的需求。IEEE1451.5尽量运用无线的传输介质，描绘了智能传感器与网络适配器模块之间的无线衔接规范，而不是网络适配器模块与网络之间的无线衔接，完结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提案的作业要点在于拟定无线数据通讯进程中的通讯数据模型和通讯操控模型。IEEE1451.5主张规范有必要对数据模型进行具有一般性的扩展以答应多种无线通讯技能能够运用，首要包括两方面：一是为变送器通讯界说一个通用的服务质量（QOS）机制，能够对任何无线电技能进行映射服务，别的对每一种无线射频技能都有一个映射层用来把无线发送具体装备参数映射到服务质量机制中。关于该规范具体内容，这儿就不再具体评论了。
（3）.6LowPan草案
无线传感器网络从诞生开端就与下一代互联网相相关，6LowPan（IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Network）便是结合这两个领域的规范草案。该草案的方针是拟定如安在LowPAN（低功率个域网）上传输IPv6报文。当时LowPAN选用的敞开协议首要指前面说到的IEEE802.15.4 介质拜访操控层规范，在上层并没有一个真实敞开的规范支撑路由等功用。因为IPv6是下一代互联网规范，在技能上趋于老练，而且在LowPan上选用IPv6协议能够与IPv6网络完结无缝衔接，因而互联网工程使命组（IETF， Internet Engineering Task Force，）树立了专门的作业组拟定如安在802.15.4协议上发送和接纳IPv6报文等相关技能规范。
在802.15.4上挑选传输IPv6报文首要是因为现有老练的IPv6技能能够很好地满意LowPan互联层的一些要求。首要在LowPan网络里边许多设备需求无情况主动装备技能，在IPv6街坊发现（Neighbor Discovery）协议里根据主机的多样性现已供给了两种主动装备技能：有情况主动装备与无情况主动装备。别的在LowPan网络中或许存在许多的设备，需求很大的IP地址空间，这个问题关于有着128位IP地址的IPv6协议不是问题;其次在包长受限的情况下，能够挑选IPv6的地址包括802.15.4介质拜访操控层地址。
IPv6与802.15.4协议的规划初衷是运用于两个彻底不同的网络，这导致了直接在802.15.4上传输IPv6报文会有许多的问题。首要两个协议的报文长度不兼容，IPv6报文答应的最大报文长度是1280字节，而在802.15.4的介质拜访操控层最大报文长度是127字节。因为自身的地址域信息（乃至还需求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，明显无法直接承载来自IPv6网络的数据包;其次两者选用的地址机制不相同，IPv6选用分层的聚类地址，由多段具有特定意义的地址段前缀与主机号构成;而在802.15.4中直接选用64位或16位的扁平地址;别的，两者设备的协议规划要求不同，在IPv6的协议规划时没有考虑节约能耗问题。而在802.15.4许多设备都是电池供电，能量有限，需求尽量削减数据通讯量和通讯间隔，以延伸网络寿数;最终，两个网络协议的优化方针不同，在IPv6中一般关怀怎么快速地完结报文转发问题，而在802.15.4中，如安在节约设备能量的情况下完结牢靠的通讯是其中心方针。
总归，因为两个协议的规划起点不同，要IEEE802.15.4支撑IPv6数据包的传输还存在许多技能问题需求处理，如报文分片与重组、报头紧缩、地址装备、映射与办理、网状路由转发、街坊发现等，在这儿就不再逐个评论了。
四. 国内规范化及国际化
近几年来，国内无线传感器网络领域的规范化作业在全国信息技能规范化技能委员会（简称信标委）推进下，获得了较大开展。信标委通过一年多的酝酿，于2005年11月29日安排国内及海外华人专家，在我国电子技能规范化研讨所召开了榜首次“无线个域网技能规范研讨会”，评论了无线个域网规范开展情况、市场剖析及规范拟定等事宜，会议主张将无线传感器网络归入无线个域网领域，并树立了专门的兴趣小组（别的还有低速无线个域网、超宽带等兴趣小组），自此我国无线传感器网络规范化作业迈出了榜首步。
无线传感器网络是当时信息领域中研讨的热门之一，可用于特别环境完结信号的收集、处理和发送。无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技能，在现实生活中得到了越来越广泛的运用。那么无线传感器网络的运用有哪些呢？
五 无线传感器网络的运用
