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摘要：介绍了IEEE802.15.4协议的特点、构件及体系结构、发展前景，分析了IEEE1451智能传感器模型，提出了一种基于IEEE802.15.4协议的无线智能传感器网络结构设计，并探讨了其实现。
关键词：IEEE802.15.4IEEE1451智能传感器网络
近年来，随着计算机技术、网络技术与无线通信技术的高速发展和广泛应用，人们开始将无线网络技术与传感器技术相结合，提供了无线网络化传感器的概念。它不仅可以应用于Internet接入互连，还适用于有线接入方式所不能胜任的场合，以提供优质的数据传输服务。例如，在工厂巨大的设备间、低速长距离的通信要求和危险的工业环境。
12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作组，致力于定义一种从廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。产品的方便灵活、易于连接、实用可靠及可继续延续是市场的驱动力。一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用，传感器网络是802.15.4标准的主要布场对象。将传感器与802.15.4设备组合，进行数据收集、处理和分析，即可决定是否需要或何时需要用户操作。满足802.15.4标准的无线发射/接收机及网络被Motorola、Philips、Eaton、Invensys和Honeywell这些国际通信与工业控制界巨头们极力推崇。目前，IEEE1451工作组已考虑在其基础上实现无线智能传感器网络WSN（WirelessSensorNetworks）。本文探讨了基于IEEE802.15.4标准的无线智能传感器网络的实现。
1基于IEEE802.15.4标准的智能传感器模型
1.1IEEE1451智能传感器模型
智能传感器建立了一个标准化的传感器网络协议。它规定了传感器模块的电子数据表单，也定义了访问数据表单、读取传感器数据、设置参数的数字接口。IEEE1451的目的就是提供一个工业标准接口，有效地连接传感器和微控制器，并把传感器接入网络。
IEEE1451模型主要由智能传感器接口模块STIM（SmartTransducerInterfaceModule）和网络应用处理器NCAP（NetworkCapableApplicationPorcessor）组成，中间通过传感器独立接口TII相连接。NCAP模块用来运行网络协议堆和应用硬件，与网络互联；STIM模块为智能变送器接口模块，其中包括变送器电子数据表单TEDS（TransducerElectronicDataSheet），一个STIM可以连接太量不同的传感器或执行器，在正常使用过程中传感器和STIM是不可分开的。变送器独立接TII（TransducerIndependenceInterface）主要定义二者之间点点连线、同步时钟的矩距离接口，使制造商可以把一个传感器应用到多种商网络中。另外，IEEE1451标准通过TEDS，使传感器模型具有即插即用的兼容性。原始数据转换为国际标准单位。其结构如图1所示。
智能传感器接口模块是围绕传感元件建立起来的，包括传感器TEDS、控制、状态寄存器、中断屏蔽、寻址、功能译码逻辑、触发、触发应答功能，这些都是用于传感器独立接口的数字接口。传感器独立接口包括数据传输、时钟、触发、应答线。接口是串行外围接口，由两根串行数据输入输出组成。智能传感器接口模块通过传感器独立接口上电，这就意味着STIM可被热扫描，而不用释放对网络中其他传感器的操作。
智能传感器模型包括自身带有的内部消息：制造商、数据代码、序列号、使用的极限、未定量以及校准系数等。当电源加上STIM时，这些数据可以提供给NCAP及系统的其它部分。当NCAP读入STIM中TEDS数据时，NCAP可以知道这个STIM的通信速度、通道数及每个通道上变送器的数据格式（12位还是16位），并且知道所测量对象的物理单位，知道怎样将所得到的原始数据转换为国际标准单位。
在与STIM通信的过程中，NCAP一直是主机，通信速率由NCAP设定，这会影响STIM中的采样速率，但是避免了释放数据以及对存储器的巨大需求。当STIM连接到NCAP时，NCAP从TEDS读取有关STIM的信息之后，读取STIM采样的数据。
1.2IEEE1451智能传感器标准与802.15.4标准的融合
IEEE802.15.4满足国际标准组织（ISO）开放系统互连（OSI）参考模式。它定义了单一的MAC层和多样的物理层。关于IEEE802.15.4标准详细的内容请参阅文献[7]。
为了有效地实现无线智能传感器，笔者考虑结合IEEE1451标准和802.15.4标准进行设计，需要对现有的1451智能传感器模型开出改进的。
方案之一是无线STIM（智能传感
器接口模型）：STIM与NCAP之间不再是TII接口（传感器独立接口），而是通过IEEE802.15.4无线（收发模块）传输信息。传感器或执行器的信息由STIM通过无线网络传递到NCAP终端，进而与有线网络相连。另外，还可以在NCAP与网络间的接口替换为无线接口。
方案之二是无线的NCAP终端：STIM与NCAP之间通过TII接口相连，无线网络的收发模块置于NCAP上，另一无线收发模块与无线网络相连，从而与有线网络通信。在此方案中，NCAP作为一个传感器网络终端。如图2所示。
因为功耗的原因，无线通信模块不直接包含在STIM中，而是将NCAP和STIM集成在一个芯片或模块中。在这种情况下，NCAP和STIM之间的TII接口可以大大简化。
2.1无线智能传感器
本设计的实现机理是IEEE802.15.4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[7]。
本文利用IEEE802.15.4物理协议，构造一个无NCAP的无线智能网络传感器系统，但并不是没有NCAP，只是这里采PC机完成NCAP的功能，即这里的NCAP是虚拟的，是由PC构成的；以现场传感器结合单片机（如8051）或DSP（数字信号处理器）构成STIM模块，再以802.15.4接口作为TII接口与虚拟的NCAP相连接。系统总体结构参见图3。
传感器节点模块主要是由场的STIM模块组成，STIM主要由电子数据表单（TEDS）、传感器接口、现场传感器、功能模块、TII接口以及STIM的核心控制模块等组成。这里以微处理器（如单片机89C51）作为STIM模块的核心控制器，以IEEE802.15.4构成网络接口即TII接口，以程序存储器ROM存储功能程序模块，以可编程的EEPROM作为电子数据表单存储单元，单片机与现场传感器连接的I/O口作为传感器/执行器接口。
系统以PC作为虚拟的NCAP模块，网络环境是总线网络环境，数字接口TII是IEEE802.15.4总线接口，STIM模块以无线的方式直接与NCAP连接。数据发送时，现场传感器将采集的数据经过信号调理电路与信号处理电路处理后，通过无线接口即可发送到有线网络上；数据接收时，当NCAP控制器检测总线上的数据并接收后，选通相应的STIM通道，发送到现场传感器的节点，实现对现场节点数据采集参数的修改及动作的控制。STIM及NCAP的底层（物理层和数据链路层）均由802.15.4物理层和数据链路层组成的。1451接口协议负责应用层与底层之间的数据处理及转换。
2.2无线智能传感器网络结构
无线传感器网络主要由完成NCAP功能的PC主机和无线传感器终端模块组成，体系结构如图3所示。各传感器终端之间可以互访，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，无线成为有钱的延伸和补充，一般用于需要经常移动传感器的地方，或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，且主从角色可以互换。一个单独的主控设备和临近与之通信的所有从属设备即组成了所谓的piconet，惯称微微网。在一个微微网中的所有从属设置与之同步。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，因而不是微微网的一部分。
传感器的微微网之间也可建立连接，形成多piconet结构。每个piconet除了slave和master以外，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是互相独立的，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；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断扩大信号的覆盖范围，改善网络拓扑结构，如图4所示。
2.4无线传感器网络实现的软件结构分析
无线智能传感器网络的最下层由IEEE802.15.4协议模块组成，包括物理层和数据链路层。
IEEE802.15.4模块之上为1451控制接口协议。通过该控制接口协议，可以方便地把802.15.4模块嵌入到各种数字设备中作为一个无线收发终端。1451控制接口协议可以完成本地设备的初始化、查找终端设备、建立链接、交换数据、增加或减少网络中无线终端设备的数目。该接口协议可以是USB、RS232或是I2C接口。主机通过控制接口操作IEEE802.15.4模块，通过一个事件(Eve
nt)确认命令成功与否。主机与网络中其他设备的数据交换也是通过IEEE1451控制接口进行的（其数据链路可以异步也可以同步）。
智能传感器接口模块STIM（SmartTransducerInterfaceModule）位于IEEE1451接口协议层之上，并可利用该接口协议层的数据包发送STIM的命令、事件和传感器数据。
把位于STIM主机上完成NCAP功能的PC主机软件功能定义为网络系统的应用层，主要是一些应用程序。应用层对其以下各协议层是透明的，只是向低一级的STIM层发送STIM定义的包。而1451接口协议层包则由RS232、RS485或者USB等物理通信口发送。
应用层（完成NCAP功能PC主机软件）和无线传感器终端模块（智能传感器接口模块STIM）都通过IEEE1451接口协议与最低层的IEEE802.15.4模块进行通信。
由上述分析，把整个软件系统分为三部分：
(1)运行在NCAP功能的PC机上的应用程序：包括面向用户的图形用户界面、面向STIM层的操作（主要是对智能传感器模块的控制和通信）以及与802.15.4模块上的1451控制接口固件（firmware）通信的NCAP接口协议。这部分可用面向对象的编程语言实现，把每个传感器节点作为一个节点类的实例对象，应用程序通过与实例对应的句柄访问控制各个传感器节点以及节点上的各个传感器。
(2)嵌入到智能传感器模块的`MCU上的程序（针对不同的MCU用汇编或是C语言写成），主要完成原始信息的采集、处理、读取传感器的电子数据表单、与IEEE1451接口协议的通信、用利STIM层与上位机通信。
(3)无线终端模块上的IEEE1451控制接口协议，固化在无线传感器模块的存储器里。通过它实现智能传感器模块与上位机上的应用层软件的通信。
3无线传感器网络实现的问题及分析
能量效率：首先，无线传感器网络不同于传统的无线网络（如WLAN和蜂窝移动电话网络），除了少数节点需要移动以外，大部分节点都是静止的。因为它们通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，能源无法替代，设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题。这些改进涉及物理层、数据链路层和网络层。物理层选择低功耗的调制方式和硬件设计。其次，在MAC层和网络层之间加入一个中间层，负责使传感器在不通信时尽可能进入睡眠模式或省电模式，可以大大降低了节点的能耗。
路由和网络控制：在无线传感器网络的研究初期，人们一度认为成熟的Internet技术加上Ad-hoc路由机制对传感器网络的设计是足够充分的，但深入的研究表明[2]：传感器网络有着与传统网络明显不同的技术要求。前者以数据为中心，后者为传输数据为目的。为了适应广泛的应用程序，传统网络的设计遵循着端到端的边缘论思想[3]，强调将一切与功能相关的处理都放在网络的端系统上，中间节点仅仅负责数据分组的转发。对于传感器网络，这未必是一种合理的选择。一些为自组织的Ad-hoc网络设计的协议和算法，未必适合传感器网络的特点和应用的要求。节点标识（如地址等）的作用在传感器网络中不十分重要，因为应用程序不怎么关心单节点上的信息；中间节点上与具体应用相关的数据处理、融合和缓存也显得很有必要。在密集性的传感器网络中，相邻点节间的距离非常短，低功耗的多跳通信模式节省功耗，同时增加了通信的隐蔽性，避免了长距离无线通信易受外噪声干扰的影响。这些独特的要求和制约因素为无线传感器网络的研究提出了新的技术问题。
时钟同步：无线传感器网络的时钟同步不同于传统的传感器网络。传感器与实际的物理环境联系密切，必须采用物理时钟同步，无法使用相对简单的逻辑时钟；无线传感器要求必须采用低能耗工作，时间同步的数据交换受到限制；无线传感器网络覆盖面积大且通常为Ad-hoc的结构，不利用采用传统的时间同步方法；无线媒介连接方式不可靠。例如，传感器网络与实际的物理环境。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。传感器网络中的通信协议和应用，例如基于TDMA的MAC协议和敏感时间的监测任务等。也要求点节间的时钟必须保持同步。设计高精度的时钟同步机制是传感网络设计和应用中的一个技术难点。802.15.4低速率工作组提供了一种协调件协议MDP(MediationDeviceProtocol)，采用一个伪定义的节点接收网络内所有通信请求，并为通信双方协调会合时间。这个协议不需要额外添加新的硬件，对节点电池寿命的影响也很小。但是，消息的请求对此方案的影响很大。广播时间信标的方法是一种简单实用的同步策略。其基本思想是：节点以自己的时钟记录事情，随后用第三方广播的基准时间加以校正，精度依赖于对这段间隔时间的测量。这种同步机制应用在确定来自不同节点的监测事件的先后关系时有足够的精度。可以考虑精简已有的NTP（NetworkTimeProtocol）协议的实现复杂度，将其植到传感器网络中。
定位机制：无线传感器网络中的定位机制与算法包括节点自身定位和外部目标定位两部分，前者是后者的基础。在节点自身定位方面，普通采用了GPS（GlobalPostitioningSystem）技术。对于一些定位精度要求不高的项目，则应用了LPS（LocalPostitioningSystem）。由于GSP不适合中国国情，可以采用一种依赖于自有技术实现传感器网络中节点定位的机制。在北斗一号双星定位系统的支持下，传感器网络中的某些节点就可以找到自己的精确位置，然后参照此基准，利用局部定位算法，其他节点也可以正确定位。此外，在这种模式下，北斗一号的上行数据通路恰好
可以作为传感器网络的sink链路，将数据回传给控制中心，省去了用飞行器等其他手段收集数据的麻烦。确定了节点的基准位置，利用传统的定位机制和算法，如接收信号的强弱、角度和时间等，以及典型的三角形算法，就可以定位外部目标，这是相对成熟的技术。
基于802.15.4标准的无线智能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。国外已有产品投入使用。随着微电子技术、计算机技术的发展，微处理芯片的网络功能会得到加强，智能传感器和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。
一种基本IEEE802.15.4无线智能化传感器网络实现探讨
摘要：介绍了IEEE802.15.4协议的特点、构件及体系结构、发展前景，分析了IEEE1451智能传感器模型，提出了一种基于IEEE802.15.4协议的无线智能传感器网络结构设计，并探讨了其实现。关键词：IEEE802.15.4 IEEE1451 智能传感器网络
近年来，随着计算机技术、网络技术与无线通信技术的高速发展和广泛应用，人们开始将无线网络技术与传感器技术相结合，提供了无线网络化传感器的概念。它不仅可以应用于Internet接入互连，还适用于有线接入方式所不能胜任的场合，以提供优质的数据传输服务。例如，在工厂巨大的设备间、低速长距离的通信要求和危险的工业环境。
12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作组，致力于定义一种从廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。产品的方便灵活、易于连接、实用可靠及可继续延续是市场的驱动力。一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用，传感器网络是802.15.4标准的主要布场对象。将传感器与802.15.4设备组合，进行数据收集、处理和分析，即可决定是否需要或何时需要用户操作。满足802.15.4标准的`无线发射/接收机及网络被Motorola、Philips、Eaton、Invensys和Honeywell这些国际通信与工业控制界巨头们极力推崇。目前，IEEE1451工作组已考虑在其基础上实现无线智能传感器网络WSN（Wireless Sensor Networks）。本文探讨了基于IEEE802.15.4标准的无线智能传感器网络的实现。
1 基于IEEE802.15.4标准的智能传感器模型
1.1 IEEE1451智能传感器模型
智能传感器建立了一个标准化的传感器网络协议。它规定了传感器模块的电子数据表单，也定义了访问数据表单、读取传感器数据、设置参数的数字接口。IEEE1451的目的就是提供一个工业标准接口，有效地连接传感器和微控制器，并把传感器接入网络。
IEEE1451模型主要由智能传感器接口模块STIM（Smart Transducer Interface Module）和网络应用处理器NCAP（Network Capable Application Porcessor）组成，中间通过传感器独立接口TII相连接。NCAP模块用来运行网络协议堆和应用硬件，与网络互联；STIM模块为智能变送器接口模块，其中包括变送器电子数据表单TEDS（Transducer Electronic DataSheet），一个STIM可以连接太量不同的传感器或执行器，在正常使用过程中传感器和STIM是不可分开的。变送器独立接TII（Transducer Independence Interface）主要定义二者之间点点连线、同步时钟的矩距离接口，使制造商可以把一个传感器应用到多种商网络中。另外，IEEE1451标准通过TEDS，使传感器模型具有即插即用的兼容性。原始数据转换为国际标准单位。其结构如图1所示。
智能传感器接口模块是围绕传感元件建立起来的，包括传感器TEDS、控制、状态寄存器、中断屏蔽、寻址、功能译码逻辑、触发、触发应答功能，这些都是用于传感器独立接口的数字接口。传感器独立接口包括数据传输、时钟、触发、应答线。接口是串行外围接口，由两根串行数据输入输出组成。智能传感器接口模
[1] [2] [3] [4] [5]
传感器无线互联标准及实现
摘要：介绍了IEEE802.15.4标准的概念、产生背景、特点、构件及体系结构、发展前景，并探讨了基于IEEE802.15.4标准传感器的实现，对其实现的问题给出了解决方案。关键词：IEEE802.15.4 Zigbee协议 传感器
为了满足类似于传感器的小型、低成本设备无线联网的要求，月IEEE成立了IEEE802．15．4工作组，致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。802．15．4无线发射(本网网收集整理)／接收机及网络被Motorola、Philips、Eaton、Invensys和Honeywell等公司极力推崇。同时，也吸引了其他标准化组织的注意。IEEEl451工作组已考虑在IEEE802．15．4标准基础上实现传感器网络(Sensor Networks)。
产品的方便灵活、易于连接、实用可靠及可升级换代是市场的驱动力。802．15．4主要应用于工业控制、远程监控和楼宇自动化领域。传感器网络是其主要市场对象。将传感器与802．15．4设备组合，进行数据收集、处理和分析，就可以决定是否需要或何时需要用户操作。其应用实例包括恶劣。环境下的检测，诸如涉及危险的火和化学物质的现场、监测以及维护正在旋转的机器等。在这些应用上，一个802．15．4网络可以极大地降低新传感器网络的安装成本，简化对现有网络的扩充。
1 802．15．4协议架构及其技术特点
IEEE802．15．4满足国际标准组织(ISO)开放系统互连(OSI)参考模式。它定义了单一的MAC层和多样的物理层(如图1所示)，表1中概括了802．15．4的一些特点。Zigbee联盟制定了MAC层以上协议，其协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。
表1 IEEE802.15.4标准的主要技术特征
复杂程度比现有标准低通信时延≥15ms目的只支持数据通信功耗约45μA频段、数据率及信道数868MHz：20kbps 1925MHz:40kbps 10
2.4GHz:250kbps 16MAC的控制方式星型网络对等网络每个网络支持节点数65536寻址方式64bit IEEE地址
8bit 网络地址连接层结构开放式温度-40℃～-85℃传输范围室内：10m速率
250kbps;+0dBm TX室外：30m-75m速率40kbps，300m速率20kbps应用传感器、玩具、控制领域……
物理层：IEEE802．15．4定义了2．4GHz物理层和868／915MHz物理层两个物理层标准，它们都采用了DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频)。
2．4GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段，有助于设备的推广和生产成本的降低。2．4GHz物理层通过采用高阶调制技术能够提供250kbps的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。
868／915MHz物理层使用简单的DSSS方法，即二进制相移键控(BPSK)方式。868MHz的传输速率为20kbps，916MHz的传输速率为40kbps。这两个频段的引入避免了2．4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰，且这两个频段上的无线信号传播损耗较小，因此可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。
MAC层：IEEE802系列标准把数据链路层分成LLC(Logical Link Control，逻辑链路控制)和MAC(Media Access Control，媒介接入控制)两个子层。LLC子层在IEEE802．6标准中定义，为802标准系列共用；而MAC子层协议则依赖于各自的物理层。IEEE802．15．4的MAC层支持多种LLC标准，通过SSCS(Service-Specific Convergence Sublayer，业务相关的会聚子层)协议承载IEEE802．2类型的LLC标准，同时也允许其他LLC标准直接使用IEEE802．15．4的MAC层的服务。
IEEE802．15．4的MAC协议包括以下功能：设备间无线链路的建立、维护和结束；确认模式的帧传送与接收；信道接入控制；帧校验；预留时隙管理；广播信息管理。MAC子层提供两个服务与高层联系，即通过两个服务访问点(SAP)访问高层。通过MAC通用部分子层SAP(MCPS-SAP)访问MAC数据服务，用MAC层管理实体SAP(MLME-SAP)访问MAC管理服务。这两个服务为网络层和物理层提供了一个接口。灵活的MAC帧结构适应了不同的应用及网络拓扑的需要，同时也保证了协议的简洁。MAC帧的通用格式如图2所示。
802．15．4标准上层协议由完整的Zigbee协议套件构成。网络层主要采用了基于Ad-hoe技术的网络协议，包含以下功能：通用的网络层功能；拓扑结构的搭建和维护，命名和关联业务，包含了寻址、路由和安全；与IEEE802．15．4标准一样，非常省电；有自组织、自维护功能，最大程度地减少消费者的开支和维护成本。应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到Zigbee网络上，具体包括：安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现、业务发现。
因此，IEEE802．15．4标准具有以下一些非常适用于无线传感器的特点：
功耗低：由于工作周期较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，可以确保两节五号电池支持长达六个月到两年左右的使用时间。当然不同的应用功耗是不同的。
数据传输可靠性高：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息。
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。
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；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。
传感器无线互联标准及实现
摘要：介绍了IEEE802.15.4标准的概念、产生背景、特点、构件及体系结构、发展前景，并探讨了基于IEEE802.15.4标准传感器的实现，对其实现的问题给出了解决方案。关键词：IEEE802.15.4 Zigbee协议 传感器
为了满足类似于传感器的小型、低成本设备无线联网的要求，12月IEEE成立了IEEE802．15．4工作组，致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。802．15．4无线发射／接收机及网络被Motorola、Philips、Eaton、Invensys和Honeywell等公司极力推崇。同时，也吸引了其他标准化组织的注意。IEEEl451工作组已考虑在IEEE802．15．4标准基础上实现传感器网络(Sensor Networks)。
产品的方便灵活、易于连接、实用可靠及可升级换代是市场的驱动力。802．15．4主要应用于工业控制、远程监控和楼宇自动化领域。传感器网络是其主要市场对象。将传感器与802．15．4设备组合，进行数据收集、处理和分析，就可以决定是否需要或何时需要用户操作。其应用实例包括恶劣。环境下的检测，诸如涉及危险的'火和化学物质的现场、监测以及维护正在旋转的机器等。在这些应用上，一个802．15．4网络可以极大地降低新传感器网络的安装成本，简化对现有网络的扩充。
1 802．15．4协议架构及其技术特点
IEEE802．15．4满足国际标准组织(ISO)开放系统互连(OSI)参考模式。它定义了单一的MAC层和多样的物理层(如图1所示)，表1中概括了802．15．4的一些特点。Zigbee联盟制定了MAC层以上协议，其协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。
表1 IEEE802.15.4标准的主要技术特征
复杂程度比现有标准低通信时延≥15ms目的只支持数据通信功耗约45μA频段、数据率及信道数868MHz：20kbps 1925MHz:40kbps 10
2.4GHz:250kbps 16MAC的控制方式星型网络对等网络每个网络支持节点数65536寻址方式64bit IEEE地址
8bit 网络地址连接层结构开放式温度-40℃～-85℃传输范围室内：10m速率
250kbps;+0dBm TX室外：30m-75m速率40kbps，300m速率20kbps应用传感器、玩具、控制领域……
物理层：IEEE802．15．4定义了2．4GHz物理层和868／915MHz物理层两个物理层标准，它们都采用了DSSS(Direct Seq
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无线传感器网络管理技术论文
无线传感器网络管理技术论文【1】
摘 要 无线传感器网络(WSN)与计算机网络有着巨大的差异，但是又广泛的应用于现代社会的各行各业。
现有的网络管理技术并不能满足WSN的运行，亟待解决各方面的问题。
本文在介绍WSN管理技术的基础上，集合WSN自身特性，介绍了现有的WSN管理技术需要具备的技术性能。
希望能够为WSN管理技术发展提供一定的启发。
【关键词】无线传感器 网络 管理技术
无线传感器网络(简称传感器网络WSN)由大量的微传感器构成，在传感器安装区域完成信息收集、处理与流通功能，被越来越多的用于交通、医疗、工业自动化等智能领域，近年来随着信息化进程的深入和物联网相关技术的成熟，无线传感器网络技术的技术研究也突飞猛进;和普通计算机网络不同，传感器网络被用于特定的应用中、要求部署巨大数量的微传感器等特征，这就需要传感器网络的管理技术具有高效、灵活、安全的特性，传统计算机网络的管理技术不再适用于传感器网络管理，因此近年来传感器网络管理技术的理论和应用研究不断的取得突破性进展。
1 无线传感器网络管理
无线传感器网络与计算机网络的不同特点使得传感器网络管理技术也具有自身特点，具体表现在轻量级、开放性、自治性、高容忍、可伸缩等方面。
1.1 轻量级
由于无线传感器有很多位传感器构成，其内部电量较少、存储量和通信距离有限。
每个传感器的体积都比较小、电池更换困难、成本和功耗较低、计算和存储能力较弱，这就使得传感器网络管理技术也要具备符合上述特点的轻量级特征。
1.2 开放性
传感器网络有着和计算机网络不同的软、硬件系统和通信协议，同时不同的应用环境、任务需求和任务目标也会使传感器网络有巨大差异;为了保证传感器网络与互联网和移动网络的相互连通，就要保证传感器网络管理技术具有开放性，能够与其他软硬件系统无缝联通。
1.3 自治性
传感器网络在建设和使用的过程中，单独的某个传感器是随机布置在某个位置的，如果人工对其进行运维，会消耗巨大的人力物力，这就需要传感器网络技术满足其自身智能决策的需求，保证传感器形成自适应的分布式网络，无需人工参与即可可靠运行。
1.4 高容忍
无线传感器的应用环境多种多样，其低成本特性导致节点有易损坏、抗干扰弱、稳定性差等问题，这就要求传感器网络管理技术能够识别和容忍这种故障，并且保证网络信息感知和传输的可靠性。
1.5 可伸缩
未来的传感器网络将会覆盖非常的区域，数量差异巨大的传感器节点将会上传巨量的信息，这就要求传感器网络管理技术在应对不同数量的节点和信息时具有良好的可伸缩性能。
2 无线传感器网络管理体系
2.1 配置管理功能
通过配置管理功能获取传感器网络中的数据，并通过数据来控制每个传感器的配置信息和传感器网络内的节点状态及其连接关系等网络状态。
通过配置管理功能可以让网络管理员对传感器网络的控制变得更强;由于无线传感器网络节点的电量、通信、存储等方面能力有限，配置管理就要在网络拓扑控制和重编程技术中实现。
节点通信和感知的基础就是拓扑控制，拓扑控制在WSN管理中有三个方面：拓扑发现、成簇管理和睡眠周期管理。
WSN重编程技术，WSN首次配置完成后对网络进行远程的软件升级、任务下达和功能再配置的过程。
由于WSN的工作环境多样，其性能和功能需求需要动态变化，不能可能事先生成其所有可能需要的运行条件和对应的系统配置，这就要求WSN管理系统具有自我重新编程配置功能。
2.2 故障管理功能
WSN大多需要在无人管理的环境中长时间顺利运行，而传感器的自身质量和性能缺陷导致WSN中随时有可能会有节点出现故障。
如果传感器节点出现故障，将会把采集到的错误信息不断地上传至网络，最终导致网络管理出现问题;还有些故障会导致节点通信受阻，数据传输终端等问题。
目前，WSN故障管理可分为集中式、分布式、基于移动装置和层次式集中结构。
集中式结构中的管理者要得到整个网络的信息才能进行精准的故障管理，这种管理技术消耗了节点的很多能量;分布式管理则有更低的能量消耗，但是会消耗较多的存储空降;层次式则是集中式和分布式的混合结构，兼顾了二者特点;由于基于移动装置的结构使用环境较为特殊，可以预测分布式和层次式的管理结构是未来WSN故障管理的发展方向。
2.3 安全管理功能
安全管理指的是通过安全管理和技术手段，保障WSN资源的保密、完整、可用性等，不会由于设备、通信协议、网络管理或者环境因素受到破坏。
安全管理的基本原则就是通过合适的技术和管理措施来确保网络资源的基本安全，从而满足传感器网络开展的安全需求。
传感器网络不同于传统网络，但又需要参考普通网络的安全管理经验，这就导致WSN网络完全在密码算法、数据完整性、数据保密性、秘钥管理技术、网络认证等方面存在不可忽视的技术难题需要突破。
2.4 性能管理功能
性能管理功能即通过考察WSN运行情况和通信速度等参数来对传感器网络性能进行评估。
性能管理要分析和监视网络及网络提供的功能是否顺利运行，其分析结果会触发网络的自身诊断机制或引导网络开启自我重配置等。
WSN包括数据收集、分析、上传等应用功能的专门网络，其性能管理还会包括以下几个方面：
(1)使用周期管理，即网络部署到网络能力耗尽的时间;
(2)数据传输性能，包括数据传输可靠性、数据传输速度等;
(3)上述性能，才能更好的完成性能管理，促进WSN网络的高效运行。
2.5 计费管理功能
目前，WSN的应用还只是应用于专门领域的闭合网络，对计费系统的需求没有很急迫，但是随着WSN的进一步发展和市场商业化深入，计费问题将会变得极为关键，并且伴随而来的数据安全、真实、可靠等问题也会越来越多。
3 结束语
WSN管理技术和理论还处在初级阶段，但是随着社会需求和相关领域的发展，WSN技术及其相关研究必将成为热点。
在WSN设计的通用性和有效性问题方面、分布式和层次式结构设计、主动网络技术、网络状态和性能的监测与优化等方面都需要进一步深入研究，对新技术进行推广，促进WSN技术的应用和发展。
参考文献
[1]刘丹，钱志鸿，刘影.ZigBee网络树路由改进算法[J].吉林大学学报(工学版)，，40(5)：1392-1396.
[2]皇甫伟，周新运，陈灿峰.基于多层抽样反馈的传感器网络时间同步算法[J].通信学报，，30(3)：59-65.
无线传感器网络技术【2】
【摘要】 传感器被越来越多地布置到实际的网络环境中，用于实现某些应用。
无线传感器网络已经成为了科学研究领域最前沿的课题之一，引起了工业界和学术界众多研究者的关注。
通过总结相关方面的工作，综述在不同领域中无线传感器网络的实际应用，并对具体应用的一些重要特性进行分析，在此基础上提出若干值得继续研究的方面。
【关键词】 无线传感器 网络应用
无线传感器网络中的关键技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)作为当今信息领域新的研究热点,是一种涉及多学科交叉的'研究领域,主要介绍了无线传感器网络中的几种关键技术,并对有待发现和研究的关键技术进行了展望.
作 者：张瑞华 高蕊 作者单位：张瑞华(西安航空技术高等专科学校电气系,陕西,西安,710077)高蕊(宝鸡文理学院,陕西,宝鸡,721007)
刊 名：黑龙江科技信息 英文刊名：HEILONGJIANG SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION 年，卷(期)：2009 “”(22) 分类号： 关键词：无线传感器网络 节点 路由协议 数据融合对于无线传感器网络的原理，节能，搭建设计以及相关的软硬件设计都有了一些介绍，那么本文主要针对的无线传感器网络的一个应用 ― 无线传感器网络多目标跟踪的介绍。
无线传感器网络目标跟踪一直作为研究的热点，之前的研究多是单目标的跟踪，通过传感器网络的多个或全部节点协作跟踪同一个目标。
Mechitov K 等利用二元检测 ( binary-detect 协作跟踪的思想，通过目标是否处于传感器侦测距离之内或者之外，根据多个传感器的协作确定目标的位置，这种方法需要节点间的时钟同步，并要求节点知道自身的位置信息； Zhao F 等利用信息驱动 ( information-driven 协作跟踪的思想，利用传感器节点侦测到信息和接收的其他节点的侦测信息判断目标可能的运动轨迹，唤醒合适的传感器节点在下一时刻参与跟踪活动，由于有合适的预测机制，可有效的减少节点间的通讯，从而节省节点有限的能量资源和通讯资源； Zhang W S 等在解决无线传感器网络单目标跟踪时提出了传送树 ( convei tree 跟踪算法，这种算法是一种分布式算法，而之前的大多数跟踪算法为集中式的传送树是一种由移动目标附近的节点组成的动态树型结构，并且会随着目标的移动动态地添加或者删除一些节点，保证对目标进行高效跟踪的同时减少节点间的通信开销。
当前的目标跟踪算法主要是针对不同环境下的单目标跟踪，如何以较低的能量代价高效地融合有效的信息，增大丈量精度和延长网络生存期，并解决多目标跟踪，成为目前研究无线传感器网络目标跟踪的热点。研究无线传感器网络多目标跟踪时需要考虑能量有限；跟踪算法的分布式以延长网络寿命；传感器的量测可能是多个目标的合成量测，这些给传统的多目标跟踪算法带来了挑战。
Jaewon Shin 采用分布式的多尺度框架，用转移矩阵的思想，优化解决多目标识别的计算量问题，该算法通过局部节点信息更新给出全局的目标信息，该算法框架在解决无线传感器网络多目标跟踪时有一定的可行性； Lei Chen 等也提出了采用分布式数据关联的算法解决无线传感器网络多目标跟踪； Mauric Chu 采用贝叶斯估计的方法，解决多目标跟踪的数据关联问题，并采用分布式的算法实现了无线传感器网络多目标跟踪，
无线传感器网络多目标跟踪
线传感器网络跟踪是传感器网络的主要用途之一，也是一个难点和关键问题，同时具有很多商业和军事应用的基本要素，如交通监控、机构平安和战场状况获取等。利用无线传感器网络中的节点协同跟踪，无线传感器网络技术应用的一个很重要的方面。
最早的无线传感器网络系统跟踪实验是美国 DA RPA Defens Advanc Research Project Agenci SensIT 项目中一些跟踪方法实现。现在许多跟踪应用方案依然处于研究阶段。由于传感器节点存在很多硬件资源的限制，还经常遭受外界环境的影响，无线链路易受到干扰，网络拓扑结构动态变化，而传感器网络的活动目标跟踪应用具有很强的实时性要求，因此，许多传统的跟踪算法并不适用于传感器网络。活动目标跟踪在雷达领域研究多年，效果很多经典的活动目标跟踪是单传感器跟踪系统，发展了如最近邻法 ( NN 集合论描述法、广义相关法、经典分配法、多假设法、概率数据关联 ( PDA 法、联合数据互联 ( JPDA 法、交互多模型 ( IMM 法等数据互联算法。
而 2O 世纪 7O 年代兴起了多传感器信息融合技术，对多个传感器数据进行多级别、多方面、多层次的处置，发生了新的有意义的信息。集中式多传感器综合跟踪算法是单传感器系统的基础上直接发展起来的如多传感器联合概率数据互联法 ( MSJPDA 和广义 S 一维分配算法；分布式多传感器航迹关联算法主要有基于统计的方法 ( 如加权法、独立序贯法、经典分配法、最近邻法 ( NN K-NN 法等 ) 和基于模糊数学的方法 ( 模糊双门限航迹关联算法、基于模糊综合函数的航迹关联算法 ) 对于 WSN 来说，因为其单个节点能力有限，必需多个节点联合进行目标跟踪，而且没有强大的中心处置器，显然单传感器和集中式多传感器跟踪算法都不适合；而分布式跟踪算法的概念是传感器有自己的信息融合中心，与我 WSN 分布式有一定的区别，不会考虑融合节点的能力，计算复杂。虽然上述方法具有比较高的精度，但在 WSN 中无法实现或效率不高。
利用无线传感器网络实现运动声源的定位与跟踪
1引言 随着无线通信和大规模集成电路的发展,无线传感器网络受到人们越来越多的关注.在无线传感器网络中,如何融合各个节点采集的音频数据实现运动声源的精确定位和跟踪,是目前的一个研究热点.对于目标的'定位,通常利用三种类型的物理量来计算:接收信号的强度(Received Signal Strength,RSS)[1]、到达时延/时延差(TOA/TDOA)[2]、到达方向/到达角(DOA/AOA)[3].RSS和TOA/TDOA方法实现简单,但定位精度低,并且无法实现多个目标的定位.DOA/AOA通过波束形成算法能够实现对多个目标的同时定位.Kung Yao等人[3]提出了采用近似最大似然方法估计声源的方位角,并联合多个节点的方位角估计值,通过交叉定位方法实现声源的位置估计.
作 者：马登永 杨克虎 杨军 MA Deng-yong YANG Ke-hu YANG Jun 作者单位：马登永,杨军,MA Deng-yong,YANG Jun(中国科学院声学研究所,北京,100080)杨克虎,YANG Ke-hu(西安电子科技大学雷达信号处理重点实验室,西安,710071)
刊 名：声学技术 ISTIC PKU英文刊名：TECHNICAL ACOUSTICS 年，卷(期)： 26(5) 分类号：O4 关键词：一种面向无线传感器网络节点安全的成簇机制
无线传感器网络容易受到节点欺骗和虚假信息的影响造成所采集信息的安全问题,正常节点可能被占领而变为恶意节点,从而给网络带来不利影响.研究并提出了面向传感器网络的节点安全成簇机制,采用基本的随机密钥预分配模型和有效的密钥管理技术实现网络在成簇阶段进行恶意节点的识别和剔除;同时,增加节点和簇头的.安全认证以及重新分簇方法增强节点的安全性.仿真结果表明该成簇机制能够准确捕捉、剔除恶意节点,并能显著降低网络中的广播能耗,对延长网络寿命将起到积极作用.
作 者：崔屏 胡向东 作者单位：重庆邮电大学自动化学院,重庆,400065 刊 名：数字技术与应用 英文刊名：DIGITAL TECHNOLOGY AND APPLICATION 年，卷(期)：2010 “”(1) 分类号：U 关键词：无线传感器网络 节点安全 成簇机制 身份认证