摘要：ZigBee技術(shù)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要支撐技術(shù)獲得人們廣泛的關(guān)注。完整的ZigBee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制訂，物理層和媒體訪問控制(MAC)層采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.15.4物理層簡單采用比特到符號映射技術(shù)、符號到碼片序列轉(zhuǎn)換技術(shù)、偏移正交相移鍵控(OQPSK)調(diào)制技術(shù)，無須信道編碼等復(fù)雜算法；MAC層采用載波監(jiān)聽多址-沖突避免技術(shù)，支持休眠模式。整個(gè)協(xié)議的設(shè)計(jì)使得ZigBee技術(shù)具有數(shù)據(jù)傳輸速率低、功耗低、成本低等特點(diǎn)，更加適合于工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee技術(shù)；IEEE 802.15.4協(xié)議；物理層；多址接入控制

基金項(xiàng)目：北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(4062023)

Abstract:ZigBee， an important technology supporting wireless sensor networks， has drawn broad attention. A complete ZigBee’s protocol suite consists of high-layer application specifications， the application convergence layer， the network layer， the data link layer， and the physical layer. ZigBee Alliance focuses on defining the protocols above the network layer. The Physical (PHY) layer and the Media Access Control (MAC) layer are defined by the IEEE 802.15.4 standard. The IEEE 802.15.4 physical layer adopts technologies of mapping from bit to symbol， conversion from symbol to chip sequence and Offset Quadrature Phase-shift Keying (OQPSK) modulation， avoiding such complex algorithms as channel coding. The IEEE 802.15.4 MAC layer adopts Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA-CA) technology and supports the sleeping mode. ZigBee enables low data rates， low power consumption and cost-effectiveness， and is more applicable to industrial monitoring system， sensor networks， home monitoring system and security system.

Key words:wireless sensor network; ZigBee technology; IEEE 802.15.4; the physical layer; multiple access control

近十幾年來，無線與移動(dòng)通信以前所未有的速度迅猛發(fā)展。隨著各種便攜式個(gè)人通信設(shè)備與家用電器設(shè)備的增加，人們享受蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)帶來的便利的同時(shí)，對短距離的無線與移動(dòng)通信又提出了新的需求，使得短距離無線通信異軍突起，包括無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙技術(shù)、移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)、超寬帶(UWB)以及ZigBee技術(shù)等各種熱點(diǎn)技術(shù)相繼出現(xiàn)，均展現(xiàn)出各自巨大的應(yīng)用潛力。其中，低速率、低功耗、低成本的ZigBee技術(shù)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要支撐技術(shù)獲得廣泛的關(guān)注^[1-4]。

ZigBee是短距離通信的一種新興技術(shù)。它使用2.4 GHz波段，采用跳頻技術(shù)。與藍(lán)牙相比，ZigBee更簡單、功率及費(fèi)用也更低，能夠比藍(lán)牙更好地支持游戲、消費(fèi)電子、儀器和家庭自動(dòng)化應(yīng)用。人們期望能在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)和玩具等領(lǐng)域拓展ZigBee的應(yīng)用^[5]。

ZigBee的技術(shù)特點(diǎn)在于：

·數(shù)據(jù)傳輸速率低，只有10～250 kb/s。

·功耗低。在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號干電池可使用6個(gè)月到2年，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。

·成本低。ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，且免收專利費(fèi)，所以大大降低了成本。

·網(wǎng)絡(luò)容量大。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個(gè)設(shè)備。

·時(shí)延短。通常時(shí)延為15～30 ms。

·安全。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用先進(jìn)加密標(biāo)準(zhǔn)-128(AES-128)加密算法。

·有效范圍小。有效覆蓋范圍10～75 m，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。

·工作頻段靈活。使用頻段為2.4 GHz、868 MHz(歐洲)及915 MHz(美國)，均為免執(zhí)照頻段。

1 ZigBee協(xié)議

1.1 ZigBee協(xié)議框架

ZigBee協(xié)議棧由一組子層構(gòu)成。每層為其上層提供一組特定的服務(wù)：一個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，一個(gè)管理實(shí)體提供全部其他服務(wù)。每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過一個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)為其上層提供服務(wù)接口，并且每個(gè)SAP提供了一系列的基本服務(wù)指令來完成相應(yīng)的功能。

ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)^[6]如圖1所示。它雖然是基于標(biāo)準(zhǔn)的七層開放式系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)模型，但僅對那些涉及ZigBee的層予以定義。IEEE 802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)^[7]定義了最下面的兩層：物理層(PHY)和介質(zhì)接入控制子層(MAC)。ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層(APL)框架的設(shè)計(jì)。其中應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持子層(APS)、ZigBee設(shè)備對象(ZDO)和由制造商制訂的應(yīng)用對象。

相比于常見的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee協(xié)議套件緊湊而簡單，具體實(shí)現(xiàn)的要求很低。以下是ZigBee協(xié)議套件的需求估計(jì)：硬件需要8位處理器，如80c51；軟件需要32 kB的ROM，最小軟件需要4 kB的ROM；網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)需要更多的RAM以容納網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的設(shè)備信息、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)表、設(shè)備關(guān)聯(lián)表、與安全有關(guān)的密鑰存儲等。

1.2 IPv6與IEEE 802.15.4的結(jié)合

Zigbee聯(lián)盟希望建立一種可連接每個(gè)電子設(shè)備的無線網(wǎng)。它預(yù)言ZigBee將很快成為全球高端的無線技術(shù)，到2007年ZigBee節(jié)點(diǎn)將達(dá)到30億個(gè)。具有幾十億個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)將很快耗盡已不足的IPv4的地址空間。因此IPv6與IEEE 802.15.4結(jié)合是傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。IPv6采用128位地址長度，幾乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算，IPv6實(shí)際可為整個(gè)地球的每平方米面積分配1 000多個(gè)地址。IPv6在設(shè)計(jì)過程中，除了一勞永逸地解決了地址短缺問題以外，還考慮了在IPv4中解決不好的其他問題，如端到端IP連接、服務(wù)質(zhì)量(QoS)、安全性、多播、移動(dòng)性、即插即用等。

1.3 工作頻段和速率

IEEE 802.15.4工作在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，定義了兩個(gè)工作頻段，即2.4 GHz頻段和868/915 MHz頻段。

在IEEE 802.15.4中，總共分配了27個(gè)具有3種速率的信道：在2.4 GHz頻段有16個(gè)速率為250 kb/s的信道，在915 MHz頻段有10個(gè)40 kb/s的信道，在868 MHz頻段有1個(gè)20 kb/s的信道。

這些信道的中心頻率按如下定義(k為信道數(shù))：

F_c=868.3 MHz，k=0；

F_c=906 MHz+2(k-1)MHz，

k=1，2……10；

F_c=2 405 MHz+5(k-11) MHz，

k=11，12……26。

一個(gè)IEEE 802.15.4網(wǎng)可以根據(jù)可用性、擁擠狀況和數(shù)據(jù)速率在27個(gè)信道中選擇一個(gè)工作信道。從能量和成本效率來看，不同的數(shù)據(jù)速率能為不同的應(yīng)用提供較好的選擇。例如，對于有些計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備與互動(dòng)式玩具，可能需要250 kb/s速率，而對于其他許多應(yīng)用，如各種傳感器、智能標(biāo)記和家用電器等，20 kb/s這樣的低速率就能滿足要求。

2 IEEE 802.15.4物理層

來自IEEE 802.15.4物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDU)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)被依次(按字節(jié)從低到高)組成4位二進(jìn)制數(shù)據(jù)符號，每種數(shù)據(jù)符號(對應(yīng)16狀態(tài)組中的一組)被映射成32位偽噪聲碼片(CHIP)，以便傳輸。然后這個(gè)連續(xù)的偽噪音CHIP序列被調(diào)制(采用最小鍵控方式)到載波上，即采用半正弦脈沖波形的偏移正交相移鍵控(OQPSK)調(diào)制方式。IEEE 802.15.4物理層傳輸格式如圖2所示。

868/915 MHz頻段物理層使用簡單的直接序列擴(kuò)頻(DSSS)方法，每個(gè)PPDU數(shù)據(jù)傳輸位被最大長為15的CHIP序列所擴(kuò)展(即被多組+1、-1構(gòu)成的m-序列編碼)，然后使用二進(jìn)制相移鍵控技術(shù)調(diào)制這個(gè)擴(kuò)展的位元序列。不同的數(shù)據(jù)傳輸率適用于不同的場合。例如：868/915 MHz頻段物理層的低速率換取了較好的靈敏度和較大的覆蓋面積，從而減少了覆蓋給定物理區(qū)域所需的節(jié)點(diǎn)數(shù)。2.4 GHz頻段物理層的較高速率適用于較高的數(shù)據(jù)吞吐量、低延時(shí)或低作業(yè)周期的場合。

3 IEEE 802.15.4 MAC層

IEEE 802.15.4 MAC層提供兩種服務(wù)：MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)和MAC層管理服務(wù)。管理服務(wù)通過MAC層管理實(shí)體(MLME)服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)訪問高層。MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)使MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDU)的收發(fā)可以通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)。IEEE 802.15.4 MAC層的特征有信標(biāo)管理、信道接入機(jī)制、保證時(shí)隙(GTS)管理、幀確認(rèn)、確認(rèn)幀傳輸、節(jié)點(diǎn)接入和分離。

3.1 超幀結(jié)構(gòu)

低速率的無線個(gè)域網(wǎng)允許使用超幀結(jié)構(gòu)。超幀的格式由傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器定義。超幀被分為16個(gè)大小相等的時(shí)隙，由協(xié)調(diào)器發(fā)送，如圖3所示。每個(gè)超幀之間由網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)分隔。信標(biāo)幀在超幀的第一個(gè)時(shí)隙被傳輸。如果協(xié)調(diào)器不想使用超幀結(jié)構(gòu)，它將會停止信標(biāo)的傳輸。信標(biāo)可用來使接入的設(shè)備同步，區(qū)分個(gè)域網(wǎng)，描述超幀結(jié)構(gòu)。任何想要在競爭接入時(shí)段(CAP)通信的設(shè)備都要使用有時(shí)隙的載波監(jiān)聽多址接入-沖突避免(CSMA-CA)。所有的傳輸要在下一個(gè)信標(biāo)到來之前結(jié)束。

超幀結(jié)構(gòu)有活躍和非活躍兩部分。在非活躍部分，協(xié)調(diào)器將不和網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，進(jìn)入低能模式。

對于低延遲應(yīng)用或需要特殊帶寬的應(yīng)用來說，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為它貢獻(xiàn)出超幀的活躍部分。這部分叫做GTS。GTS由無競爭時(shí)段(CFP)組成，它總是緊跟著CAP，在活躍的超幀尾部，如圖4所示。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以分配7個(gè)GTS，每個(gè)GTS可以占用一個(gè)以上的時(shí)隙。而CAP有充足的時(shí)間留給基于競爭的接入的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或想加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。所有基于競爭的傳輸都要在CFP開始前結(jié)束，同樣，GTS的傳輸也要確保在下個(gè)GTS開始前結(jié)束。

3.2 CSMA-CA機(jī)制

低速率的無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)依據(jù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)不同，使用兩種信道接入機(jī)制。無信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)使用無時(shí)隙的CSMA-CA信道接入機(jī)制。每當(dāng)設(shè)備想要傳輸數(shù)據(jù)幀或MAC命令時(shí)，它將等待隨機(jī)的一段時(shí)間。在隨機(jī)退避之后，如果信道被檢測為空閑，設(shè)備將傳輸數(shù)據(jù)；如果信道被檢測為忙，設(shè)備在再次嘗試接入信道之前，要重新等待隨機(jī)的一段時(shí)間，確認(rèn)幀的發(fā)送不使用CSMA-CA機(jī)制。

有信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)使用有時(shí)隙的CSMA-CA信道接入機(jī)制，退避時(shí)隙在信標(biāo)傳輸?shù)拈_始排列好。每當(dāng)設(shè)備在競爭接入時(shí)段要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，它需要確定下一個(gè)退避時(shí)隙的界限，之后等待隨機(jī)的幾個(gè)退避時(shí)隙。在隨機(jī)退避之后，如果信道被檢測為忙，設(shè)備在再次嘗試接入信道之前，要重新等待隨機(jī)的幾個(gè)退避時(shí)隙；如果信道被檢測為空閑，設(shè)備將在下個(gè)退避時(shí)隙傳輸數(shù)據(jù)。確認(rèn)幀和信標(biāo)幀的發(fā)送將不需要CSMA-CA機(jī)制。

3.3 安全模式

在低速率無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備可根據(jù)自身需要選擇不同的安全模式：無安全模式、訪問控制列表(ACL)模式和安全模式。

無安全模式是MAC子層默認(rèn)的安全模式。處于這種模式下的設(shè)備不對接收到的幀進(jìn)行任何安全檢查。當(dāng)某個(gè)設(shè)備接收到一個(gè)幀時(shí)，只檢查幀的目的地址。如果目的地址是本設(shè)備地址或廣播地址，這個(gè)幀就會被轉(zhuǎn)發(fā)給上層，否則丟棄。在設(shè)備被設(shè)置為混雜模式(Promiscuous)的情況下，它會向上層轉(zhuǎn)發(fā)所有接收到的幀。

訪問控制列表模式為通信提供了訪問控制服務(wù)。高層可以通過設(shè)置MAC子層的ACL條目指示MAC子層根據(jù)源地址過濾接收到的幀。因此這種方式下MAC子層就沒有提供加密保護(hù)，高層有必要采取其他機(jī)制來保證通信的安全。

安全模式對接收或發(fā)送的幀提供全部的4種安全服務(wù)：訪問控制、數(shù)據(jù)加密、幀完整性檢查和順序更新。

4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)層

ZigBee網(wǎng)絡(luò)層將主要考慮采用基于Ad Hoc技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，應(yīng)包含以下功能：

(1)通用的網(wǎng)絡(luò)層功能：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的搭建和維護(hù)，命名和關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)，包含尋址、路由和安全。

(2)同IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)一樣，非常省電。

(3)有自組織、自維護(hù)功能，可以最大程度減少消費(fèi)者的開支和維護(hù)成本。

ZigBee用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞亩嘧兒托问蕉鄻踊?，?yīng)選擇適合應(yīng)用場景的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。

無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般分為星狀網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)、混合網(wǎng)(星狀＋網(wǎng)狀)，如圖5所示。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化紛繁復(fù)雜等特點(diǎn)，在此我們主要比較3種基本網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并選出比較適合大型傳感器網(wǎng)絡(luò)使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

基本的星狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(圖5(a))是一個(gè)單跳(Single-hop)系統(tǒng)，如傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)?；竟?jié)點(diǎn)可以是一臺PC、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、專用控制設(shè)備、嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，或其他與高數(shù)據(jù)率設(shè)備通信的網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)絡(luò)中各終端節(jié)點(diǎn)也可以不同。依據(jù)星狀網(wǎng)的特點(diǎn)可以看出，當(dāng)各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)距離基站節(jié)點(diǎn)比較遠(yuǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)分布范圍大時(shí)，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是行不通的。因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)能量有限，如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要保證數(shù)據(jù)正確接收的信噪比(SNR)值，則傳感器節(jié)點(diǎn)必須以較大功率向基站節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，能量很快就會耗盡。

網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中的所有無線傳感器節(jié)點(diǎn)都相同，可以直接互相通信，每一次網(wǎng)絡(luò)都會選擇一條或者多條路由進(jìn)行多跳傳輸，將所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息傳給基站(圖5(b))。網(wǎng)狀網(wǎng)的每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都有多條路徑到達(dá)基站節(jié)點(diǎn)，因此它的容故障能力較強(qiáng)，而且這種多跳系統(tǒng)以多跳代替了單跳的傳輸距離，減小了源傳感器所需要的發(fā)送功率。但是同時(shí)由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多，且分布隨機(jī)分散，因此在網(wǎng)狀網(wǎng)中查找多跳路由和進(jìn)行路由維護(hù)和修復(fù)(自愈)是非常困難的，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)必須一直“監(jiān)聽”網(wǎng)絡(luò)中某些路徑上的信息和變化，以有效地傳遞數(shù)據(jù)，這些從另一方面增加了網(wǎng)絡(luò)的能量損耗，減少了網(wǎng)絡(luò)壽命。

混合網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(圖5(c))力求兼具星狀網(wǎng)的簡潔以及網(wǎng)狀網(wǎng)的多跳傳輸和自愈性等優(yōu)點(diǎn)。其中分層式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)屬于混合網(wǎng)中較為典型的一種，尤其適合節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。在分層網(wǎng)中，整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)形成分層結(jié)構(gòu)。相鄰傳感器通過由基站節(jié)點(diǎn)指定或者自組織等方法形成各個(gè)獨(dú)立的簇，每個(gè)簇選出簇首節(jié)點(diǎn)，每簇中所包含的傳感器節(jié)點(diǎn)通過簇首所安排的機(jī)制將所收集的數(shù)據(jù)信息傳給簇首，然后由簇首將所接收到的信息進(jìn)行融合，再轉(zhuǎn)發(fā)給基站節(jié)點(diǎn)。這種分層式網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)之間不是平等的。這種方法，既通過簇首的數(shù)據(jù)融合減少了信息冗余度，通過多跳減小了源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，減少了網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，又可以通過簇首的控制減小網(wǎng)絡(luò)中大部分節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍，增加帶寬復(fù)用率，同時(shí)使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不必一直保持“監(jiān)聽狀態(tài)”，減少了網(wǎng)絡(luò)中路由和數(shù)據(jù)處理的開銷，延長了網(wǎng)絡(luò)壽命。這種分層簇結(jié)構(gòu)拓?fù)鋮f(xié)議盡管在傳統(tǒng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中也有大量的研究，但是傳統(tǒng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的分層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并沒有考慮傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多和節(jié)點(diǎn)能量及計(jì)算能力有限的特點(diǎn)，其協(xié)議不能直接利用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。因此，研究者在傳統(tǒng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)上，研究出了旨在針對傳感器網(wǎng)絡(luò)中各種問題的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮f(xié)議，使得拓?fù)鋮f(xié)議針對性和實(shí)用性更強(qiáng)，采用這種混合網(wǎng)分層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的典型協(xié)議有低功耗自適應(yīng)分簇算法(LEACH)、傳感器信息系統(tǒng)中能量高效的數(shù)據(jù)收集(PEGAGIS)、域值敏感能量高效傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(TEEN)^[8-9]。

綜上所述，不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)與基站的相對位置，以及網(wǎng)絡(luò)中的無線參數(shù)的不同而定的。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中基站的位置比較靠近傳感器節(jié)點(diǎn)，甚至處于傳感器節(jié)點(diǎn)中間，同時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的分布范圍比較小的時(shí)候，星形網(wǎng)絡(luò)有其相應(yīng)的優(yōu)勢，而網(wǎng)狀網(wǎng)與混合式分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較適用于基站位置比較遠(yuǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)比較分散的情況?？梢钥吹?，盡管網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)魯棒性比較強(qiáng)，但是由于需要清楚地了解各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息，同時(shí)路由開銷比較大，使得節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，尤其是對于具有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，以上問題就更加突出。因此，為了節(jié)省功率，簡便實(shí)現(xiàn)傳感器組網(wǎng)，簡化傳感器節(jié)點(diǎn)，大多數(shù)傳感器路由研究均基于分層式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

5 ZigBee應(yīng)用演示實(shí)例

利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，北京郵電大學(xué)搭建了環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

系統(tǒng)以北京郵電大學(xué)校園為環(huán)境測試對象，隨機(jī)布置傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，感知采集校園環(huán)境的溫度和光強(qiáng)等環(huán)境參量的實(shí)時(shí)變化。

采集節(jié)點(diǎn)通過微處理器收集數(shù)據(jù)信息，通過天線發(fā)射模塊傳送數(shù)據(jù)至傳感器網(wǎng)關(guān)匯聚節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)之間交互通信，通信軟件可視化實(shí)時(shí)顯示環(huán)境信息。硬件采用Crossbow公司生產(chǎn)的傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)匯聚節(jié)點(diǎn)，符合ZigBee工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。軟件平臺采用TinyOS軟件編譯平臺并結(jié)合硬件進(jìn)行演示開發(fā)。

6 結(jié)束語

IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)主要用于低速無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，是ZigBee的物理層和MAC層的主要支撐技術(shù)。該標(biāo)準(zhǔn)由于采用了簡單的物理層和MAC層協(xié)議而使得其具有低功耗、低成本等特征，從而使得ZigBee更適合于工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控等應(yīng)用。同時(shí)，采用分層式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠在基站位置較遠(yuǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)分散的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)一步節(jié)省功率。

7 參考文獻(xiàn)

[1] IEEE Std 802.15.4-2003 IEEE standard for information technology: Telecommunications and information exchange between systems: Local and metropolitan area networks specific requirements: Part 15.4Wireless medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications for low-rate wireless personal area networks (LR-WPANs)[S].2003.

[2] 孫利民， 李建中， 等. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社， 2005.

[3] GHARAVI H， KUMAR S P. Special issues on sensor networks and applications[J]. Proceeding of the IEEE， 2003，91( 8):1151-1153.

[4] AKYILDIZ L F， SU W L， SANKARASUBRAMANIAM Y， et al. A survey on sensor networks[J]. IEEE Communications Magazine， 2002，40(8):102-105.

[5] EVANS-PUGHE C. Bzzzz zzz (Zigbee wireless standard)[J]. IEE Review， 2003，49(3):28-31.

[6] HEINZELMAN W R， CHANDRAKASAN A， BALAKRISHNAN H. Energy-efficient communication protocols for wireless microsensor networks[C]//Proceedings of the 33 rdInternational Conference on System Sciences(HICSS’00)， Jan 4-7， 2000， Maui， HI， USA. Los Alamitos， CA， USA:IEEE Computer Society， 2000:223.

[7] EGAN D. The emergence of Zigbee in building automation and industrial control[J].Computing Control Engineering Journal， 2005，16(2):14-19.

[8] Lindsey S， Raghavendra C S. PEGASIS: Power-efficient gathering in sensor information systerms[C]//Proceedings of the IEEE Aerospace Conference: Vol 3， Mar 9-16， 2002， Big Sky， MT， USA.Piscataway， NJ，USA:IEEE， 2002:1125-1130.

[9] Manjeshwar A， Agrawal D. Teen: A routing protocol for enhanced efficiency in wireless sensor networks[C]//Proceedings of16th Annual International Parallel Distributed Processing Symposium(IPDPS2002)， Apr 15-19， 2002， Lauderdale， FL， USA. Los Alamitos， CA，USA:IEEE Computer Society， 2002:192-202.

收稿日期：2006-05-23

作 者 簡 介

張平，北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。北京郵電大學(xué)無線新技術(shù)研究所(WTI)所長，《北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)》編委會副主任，北京郵電大學(xué)學(xué)術(shù)委員會委員，中國C3G總體組專家成員，國家“863”未來移動(dòng)通信FuTURE計(jì)劃項(xiàng)目總體組成員，國際無線研究論壇(WWRF)副主席及其愿景委員會成員，中國信息產(chǎn)業(yè)部第三代移動(dòng)通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)專家組成員。

康桂霞，北京郵電大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師、博士。2007年IEEE ICC、IEEE WCNC國際會議技術(shù)員會委員。從事3G及后3G移動(dòng)通信系統(tǒng)物理層關(guān)鍵技術(shù)研究，同時(shí)從事短距離無線通信技術(shù)及其在無線電子健康領(lǐng)域的應(yīng)用研究。已出版專著1部，發(fā)表論文20余篇。

田輝，北京郵電大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師、博士。IEEE會員，全國智能運(yùn)輸系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(ITS)聯(lián)網(wǎng)電子收費(fèi)工作組專家組員。從事移動(dòng)通信、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究。已發(fā)表論文30余篇，出版教材、專著5部。