所謂傳感器網(wǎng)絡(luò)是指由許多在空間上分布的、具有通訊能力的、可協(xié)同實(shí)現(xiàn)不同位置對(duì)象的物理、化學(xué)或環(huán)境狀態(tài)（如溫度、濕度、壓力、風(fēng)向、風(fēng)速、照度、振動(dòng)、聲強(qiáng)、電流、電壓、化學(xué)濃度、污染物濃度等）監(jiān)視和記錄的傳感器互聯(lián)而組成的一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)通常不具有或僅擁有十分有限的控制器功能。多個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)可通過(guò)相互耦合而構(gòu)成更大的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。
按網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)的不同，傳感器網(wǎng)絡(luò)可分為有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩大類(lèi)，有線(xiàn)傳感器通訊網(wǎng)絡(luò)大都是遵循現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)范疇內(nèi)的Sensor Bus層次的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（如AS-I、LonWorks）等。鑒于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要性日增及其廣闊的應(yīng)用前景，本文著重介紹無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。
WSN概念及應(yīng)用
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（簡(jiǎn)稱(chēng)WSN）是指由空間分布的自治傳感器所組成的、通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸協(xié)同監(jiān)視對(duì)象狀態(tài)的傳感器網(wǎng)絡(luò)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)、通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，上世紀(jì)90年代末美國(guó)軍方率先開(kāi)始了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究、應(yīng)用和推廣。目前，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)過(guò)程監(jiān)視和控制自動(dòng)化、機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、環(huán)境和生境監(jiān)視、家庭智能和自動(dòng)化、交通監(jiān)視和控制管理、醫(yī)療保健、氣象監(jiān)視、機(jī)器人控制、安全與軍事感知、資產(chǎn)跟蹤與供應(yīng)鏈管理、智能農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域均得以運(yùn)用，并具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。
WSN中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由一個(gè)或多個(gè)傳感器、一個(gè)無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器或其它無(wú)線(xiàn)通訊設(shè)備、一個(gè)很小的微控制器和電源（通常為電池）等四個(gè)主要部分構(gòu)成，并支持多跳路由算法（可通過(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包接力傳送到網(wǎng)絡(luò)基站）。WSN的基站是具有更強(qiáng)大的計(jì)算、能量和通訊資源的獨(dú)特部件，承擔(dān)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和最終用戶(hù)之間網(wǎng)關(guān)的作用。WSN具有節(jié)點(diǎn)的可移動(dòng)性和可異構(gòu)性、節(jié)點(diǎn)容量的可伸縮性、動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓樸、可大范圍地布置、自治運(yùn)行、成本較低、功率有限、可承受惡劣環(huán)境和節(jié)點(diǎn)故障的能力等眾多特點(diǎn)。
WSN標(biāo)準(zhǔn)化
在現(xiàn)代社會(huì)中，任何一種新技術(shù)的興旺發(fā)展大都建立在成功實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)也不例外。為了更進(jìn)一步地降低成本，擴(kuò)大應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)規(guī)模效益，WSN必須實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，以使來(lái)自不同生產(chǎn)廠(chǎng)商的產(chǎn)品能夠在網(wǎng)絡(luò)下協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)其無(wú)線(xiàn)傳感器的互換性和互操作性。
早在2 0 0 5 年， 國(guó)際自動(dòng)化學(xué)會(huì)ISA100就倡導(dǎo)并致力于通過(guò)定義和頒布系列標(biāo)準(zhǔn)和推薦導(dǎo)則及組成相應(yīng)技術(shù)工作組，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和控制環(huán)境下的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化。到目前為止，WSN通訊協(xié)議的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作正在進(jìn)行中，與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)類(lèi)似，WSN的標(biāo)準(zhǔn)化也如春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代紛爭(zhēng)不斷，目前還難以統(tǒng)一到一個(gè)真正意義上的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其現(xiàn)狀是：其中有的標(biāo)準(zhǔn)已正式頒布實(shí)施，有的還在討論批準(zhǔn)過(guò)程中，有的還尚處于研發(fā)階段。下面將具有代表性的WSN系列標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)規(guī)范現(xiàn)狀做簡(jiǎn)要介紹。
6LoWPAN、無(wú)線(xiàn)HART、ISA100和ZigBee等無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范均是基于IEEE 802.15.4-2006低速率無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。
6LoWPAN是“IPv6 over Low powerWireless Personal Area Networks”（低功率無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)上的IPv6）的縮寫(xiě)，屬I(mǎi)ETF（因特網(wǎng)工程任務(wù)組）中的一個(gè)工作組，負(fù)責(zé)制訂基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)個(gè)域網(wǎng)上IPv6傳輸?shù)耐ㄓ嵓夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)已發(fā)布了RFC4944基礎(chǔ)性的技術(shù)規(guī)范。
無(wú)線(xiàn)HART（WirelessHART）標(biāo)準(zhǔn)是HART通訊協(xié)議的擴(kuò)展，專(zhuān)為如過(guò)程監(jiān)視和控制等工業(yè)環(huán)境應(yīng)用所設(shè)計(jì)。在2007年6月，經(jīng)HART通訊基金會(huì)批準(zhǔn)，無(wú)線(xiàn)HART標(biāo)準(zhǔn)作為HART 7技術(shù)規(guī)范的一部分，加進(jìn)了總的HART通訊協(xié)議族中。IEC 6259（Ed. 1.0）是國(guó)際電工委員會(huì)于2010年4月批準(zhǔn)發(fā)布的完全國(guó)際化的無(wú)線(xiàn)HART標(biāo)準(zhǔn)，是過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域的第一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。該網(wǎng)絡(luò)使用運(yùn)行在2.4GHz頻段上的無(wú)線(xiàn)電IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，采用直接序列擴(kuò)頻（DSSS）、通信安全與可靠的信道跳頻、時(shí)分多址（TDMA）同步、網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備間延控通信（Latency-controlled Communications）等技術(shù)。其無(wú)線(xiàn)HARTMesh網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。
圖1、WirelessHART Mesh擴(kuò)展網(wǎng)
ISA100是正處于發(fā)展過(guò)程中的相對(duì)較新的標(biāo)準(zhǔn)組織，其采用了6LoWPAN技術(shù)，主要提供工業(yè)自動(dòng)化與控制應(yīng)用領(lǐng)域的、重點(diǎn)在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)（Level 0）的無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。具體而言，ISA100委員會(huì)主要致力于制訂在無(wú)線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用環(huán)境、無(wú)線(xiàn)設(shè)備及系統(tǒng)的技術(shù)和生存周期、無(wú)線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用等方面的無(wú)線(xiàn)制造和控制系統(tǒng)類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)、推薦導(dǎo)則、技術(shù)報(bào)告和相關(guān)信息等。
無(wú)線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用環(huán)境包括無(wú)線(xiàn)定義、無(wú)線(xiàn)電頻率、振動(dòng)、溫度、濕度、電磁兼容、互操作性、與原系統(tǒng)的共存、物理設(shè)備布置等。無(wú)線(xiàn)設(shè)備及系統(tǒng)的技術(shù)和生存周期是基于非專(zhuān)有無(wú)線(xiàn)技術(shù)的全面的短期、中期和長(zhǎng)期技術(shù)需求和實(shí)施方案。關(guān)于無(wú)線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用，一是通過(guò)無(wú)線(xiàn)技術(shù)，將用于監(jiān)視、控制、報(bào)警、跳閘等的現(xiàn)場(chǎng)傳感器縱向與實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)、直到頂層的管理信息系統(tǒng)相集成；二是將無(wú)線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用于諸如從無(wú)線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互聯(lián)、控制LAN、商用LAN等全過(guò)程系統(tǒng)中。
2009年已發(fā)布了ISA-100.11a-2009（用于工業(yè)自動(dòng)化的無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)：過(guò)程控制和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用）標(biāo)準(zhǔn)，其在制訂的標(biāo)準(zhǔn)還有：I SA-100.15（無(wú)線(xiàn)回程主干網(wǎng)）、I SA-100.14（可信無(wú)線(xiàn)）、ISA-100.21 （ 人員和資源跟蹤和識(shí)別）、ISA-100.12（WirelessHART和ISA100.11a匯合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用）等。
ZigBee是ZigBee聯(lián)盟所定義的、并在2004年12月獲得批準(zhǔn)的、基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)頻率2.4GHz的Mesh網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)通訊協(xié)議。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)化組織主要致力于制訂諸如嵌入傳感、醫(yī)療數(shù)據(jù)收集、電視遙控類(lèi)用戶(hù)裝置、家庭自動(dòng)化等方面應(yīng)用的IEEE無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)網(wǎng)規(guī)范，并受到許多大的工業(yè)聯(lián)合體的支持。另外，ZigBee也已制訂了如鑒別、加密、關(guān)聯(lián)和應(yīng)用服務(wù)等處于通訊上層的附加通訊性能方面的相關(guān)規(guī)定。
IEEE1451系列標(biāo)準(zhǔn)是由IEEE儀器和測(cè)量協(xié)會(huì)的傳感器技術(shù)委員會(huì)發(fā)起的，是專(zhuān)為智能傳感器接口（其主要特點(diǎn)是具有數(shù)據(jù)處理的智能化）而制訂的標(biāo)準(zhǔn)。其IEEE1451.5-2007標(biāo)準(zhǔn)即為智能傳感器無(wú)線(xiàn)通訊協(xié)議和傳感器電子數(shù)據(jù)表（TEDS）格式的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
EnOcean是樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域的一種無(wú)線(xiàn)通訊系統(tǒng)，并未獲得相應(yīng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的批準(zhǔn)認(rèn)可，但受到西門(mén)子等公司的大力支持。其技術(shù)是基于機(jī)械激發(fā)等能量捕獲原理，其傳感器不用電池，具有免維護(hù)功能。數(shù)據(jù)包僅為14字節(jié)，傳輸速率120kbit/s，設(shè)備傳輸頻率868.3MHz，無(wú)線(xiàn)傳輸距離可達(dá)300米。
結(jié)語(yǔ)
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化戰(zhàn)爭(zhēng)尚未結(jié)束，用戶(hù)在具體選擇何種WSN標(biāo)準(zhǔn)時(shí)一定要在慎重考慮其應(yīng)用領(lǐng)域、市場(chǎng)支持程度、安全性和可靠性等因素后，經(jīng)綜合評(píng)估后再選定適合自身的WSN技術(shù)類(lèi)型和供應(yīng)商。(end)
