传感器无线互联标准及实现

网络容量大：一个Zigbee网络可以容纳最多65536个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个Zigbee网络。

时延小：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。

兼容性：与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器(Coordinator)自动建立网络，采用CSMA-CA方式进行信道存取。为了可靠传递，提供全握手协议。

安全性：Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。

实现成本低：模块的初始成本估计在6美元左右，很快就能降到1．5~2．5美元，且Zigbee协议是免专利费的。
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    协议套件紧凑而简单：其具体实现的要求很低。Zigbee协议套件的需求估计：8位微处理器，如80c51；全协议套件软件需要32K字节的ROM；最小协议套件软件大约4K字节的ROM。

2 802．15．4标准传感器的实现

2．1基于802．15．4标准传感器的实现

传感器的实现机理是以802．15．4传输模块代替传统的串行通信模块，将采集的数据以无线方式发送出去。其主要包括802．15．4无线通信模块、微控制器模块、传感器模块及接口、直流电源模块以及外部存储器等。

802．15．4无线通信模块负责数据的无线收发，主要包括射频和基带两部分，前者提供数据通信的空中接口，后者主要提供链路的物理信道和数据分组。微控制器负责链路管理与控制，执行基带通信协议和相关的处理过程，包括建立链接、频率选择、链路类型支持、媒体接入控制、功率模式和安全算法等。经过调理的传感器模拟信号经过AD转换后暂存于缓存中，由802．15．4无线通信模块通过无线信道发送到主控节点，再进行特征提取、信息融合等高层决策处理。整个节点可由外部直流电源供电或采用电池组，视具体情况而定。若要增加通信距离，可添加功率放大器以提高天线发射功率。如图3所示。

2．2 802。15．4传感器网络实现

802．15．4将提供一个低成本的用于数据采集和传输的网状网络，网络上每个监测点只需在有限的时间内发送几个比特的数据，数据流是异步的，并在数据等待时间上限制极小，这些因素利于电池使用寿命的延长。传感器主要有两种使用方式：Ad-hoc方式和接入点方式。

Ad-hoc方式：各传感器与控制设备组成独立的、封闭的微网。传感器将数据发送给控制器，控制器据此完成相应的任务，数据不需要上传，一切功能都在本地完成。这种情况常见于移动范围较大、信息数据自成一体的应用，如机器人、汽车等。

接入点方式：各传感器之间可以互相访问，并可通过接入点与有线网上的设备交换数据，甚至可以再次通过有线网上的另一个接入点与远端的设备互通信息。在这种情况下，无线成为有线的延伸和补充，一般用于需要经常移动传感器的地方，及线缆密集不宜再度布线的地方。 如果两个传感器建立了无线链接，其中一个设备将扮演主控角色(master)，另一个则扮演从属角色(slave)。角色的分配是在微微网形成时临时确定的，主控设备通常由发起通信的设备承担，而且这种主从角色也可以互换。一个单独的主控设备和临近与之通信的所有从属设备组成了所谓的piconet，惯称微微网。在一个piconet中只能有一个主控设备，它的时钟序列被用来使该中的所有从属设备与之同步。这些从属设备都与主控设备保持链接和通信，共享一个公共传输信道，并处于某一特定的基带模式，例如活动从属设备就可以进入呼吸(sniff)或保持(hold)模式等低功率节能状态。在邻近区域可能还有一些处于待机(standby)状态的设备，它们未与主控设备连接，因而不是piconet网的一部分。

传感器的微微网之间也可建立连接，形成多pieonet结构。每个piconet除了Slave和master之间，各个slave节点之间也可以通信。在这里只以单个的piconet为主干构建传感器测控网络。master节点为测控网络主控节点，实现信息的汇集处理功能，slave节点为传感器节点。考虑到各个传感器节点之间相互独立，信息融合只在master节点完成，所以仅实现master点对多slave点的通信，形成一个星型的拓扑结构。整个无线传感器网络功能分为三层：最下层是各种敏感单元，负责收集原始信息；中间是基于传感器智能模块的slave节点，负责对原始数据的预处理(包括滤波、补偿、数字化等)和处理后数据的发送；javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>最上层是基于普通PC机或其他类型上位机(如嵌入式计算机)的master节点，所有传感器的信息在这里进行更高一级处理，如谱分析、模式识别、信息融合、判断决策等。在微微网内，还可以采用有线或无线中继扩大信号的覆盖范围，改善网络拓扑结构(如图4所示)。

2．3 802．15．4传感器实现的问题和解决

用802．15．4实现无线数据采集，主要还有以下两个问题：(1)网络内传感器节点时钟需要同步，监控系统的多传感器信息融合时，上位机需要知道每个原始数据是何时采集的，采样的触发要求每个节点有统一的时钟；(2)其通信速率较低，而且又受到接口通信速率的限制，加之受纠错码的编码效率影响，真正的数据发送量是很低的。解决此问题可以通过如下的途径：传感器节点采用DSP处理器，尽可能在传感器节点一级多做些数据处理工作，尽量减少原始数据的发送量，只发送有用信息。例如，对于平稳状态的原始数据可以不发送到上位机中，只发送可疑状态前后的原始数据。这样就大大减少了数据的通信量。

基于802．15．4标准的无线传感器网络大大提高了数据传输的抗干扰性，同时又减少了现场布线带来的各种问题，对传感器节点的管理也比较方便。可以应用在大型的机械设备监测场合。国外已经开发出了可以投入使用的产品。随着微电子技术、计算机技术的发展，微处理器芯片的网络功能会得到加强，智能传感器与无线通信网络的结合会更加容易。应用高性能的嵌入式处理器之后，传感器网络的功能也会越来越强。

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