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无线传感器网络及其标准化

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所谓传感器网络是指由许多在空间上分布的、具有通讯能力的、可协同实现不同位置对象的物理、化学或环境状态（如温度、湿度、压力、风向、风速、照度、振动、声强、电流、电压、化学浓度、污染物浓度等）监视和记录的传感器互联而组成的一种计算机网络。传感器网络通常不具有或仅拥有十分有限的控制器功能。多个传感器网络可通过相互耦合而构成更大的设备网络。

按网络传输介质的不同，传感器网络可分为有线和无线两大类，有线传感器通讯网络大都是遵循现场总线范畴内的Sensor Bus层次的协议标准（如AS-I、LonWorks）等。鉴于无线传感器网络的重要性日增及其广阔的应用前景，本文着重介绍无线传感器网络。

WSN概念及应用

无线传感器网络（简称WSN）是指由空间分布的自治传感器所组成的、通过无线传输协同监视对象状态的传感器网络。随着半导体技术、通讯技术和计算机技术的迅猛发展，上世纪90年代末美国军方率先开始了无线传感器网络的研究、应用和推广。目前，无线传感器网络在工业过程监视和控制自动化、机械设备状态监视、环境和生境监视、家庭智能和自动化、交通监视和控制管理、医疗保健、气象监视、机器人控制、安全与军事感知、资产跟踪与供应链管理、智能农业等领域均得以运用，并具有广阔的应用和发展前景。

WSN中的网络节点由一个或多个传感器、一个无线电收发器或其它无线通讯设备、一个很小的微控制器和电源（通常为电池）等四个主要部分构成，并支持多跳路由算法（可通过多个节点将数据包接力传送到网络基站）。WSN的基站是具有更强大的计算、能量和通讯资源的独特部件，承担传感器网络节点和最终用户之间网关的作用。WSN具有节点的可移动性和可异构性、节点容量的可伸缩性、动态的网络拓朴、可大范围地布置、自治运行、成本较低、功率有限、可承受恶劣环境和节点故障的能力等众多特点。

WSN标准化

在现代社会中，任何一种新技术的兴旺发展大都建立在成功实现标准化的基础上，无线传感器网络也不例外。为了更进一步地降低成本，扩大应用，实现规模效益，WSN必须实现标准化，以使来自不同生产厂商的产品能够在网络下协同工作，实现其无线传感器的互换性和互操作性。

早在2 0 0 5 年，国际自动化学会ISA100就倡导并致力于通过定义和颁布系列标准和推荐导则及组成相应技术工作组，以实现自动化和控制环境下的无线传感器网络标准化。到目前为止，WSN通讯协议的国际标准化工作正在进行中，与现场总线类似，WSN的标准化也如春秋战国时代纷争不断，目前还难以统一到一个真正意义上的技术标准。其现状是：其中有的标准已正式颁布实施，有的还在讨论批准过程中，有的还尚处于研发阶段。下面将具有代表性的WSN系列标准或技术规范现状做简要介绍。

6LoWPAN、无线HART、ISA100和ZigBee等无线传感器网络标准或规范均是基于IEEE 802.15.4-2006低速率无线个域网标准。

6LoWPAN是“IPv6 over Low powerWireless Personal Area Networks”（低功率无线个域网上的IPv6）的缩写，属IETF（因特网工程任务组）中的一个工作组，负责制订基于IEEE802.15.4标准个域网上IPv6传输的通讯技术标准。现已发布了RFC4944基础性的技术规范。

无线HART（WirelessHART）标准是HART通讯协议的扩展，专为如过程监视和控制等工业环境应用所设计。在2007年6月，经HART通讯基金会批准，无线HART标准作为HART 7技术规范的一部分，加进了总的HART通讯协议族中。IEC 6259（Ed. 1.0）是国际电工委员会于2010年4月批准发布的完全国际化的无线HART标准，是过程自动化领域的第一个无线传感器网络国际标准。该网络使用运行在2.4GHz频段上的无线电IEEE802.15.4标准，采用直接序列扩频（DSSS）、通信安全与可靠的信道跳频、时分多址（TDMA）同步、网络上设备间延控通信（Latency-controlled Communications）等技术。其无线HARTMesh网络拓朴结构示意见图1。

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图1、WirelessHART Mesh扩展网

ISA100是正处于发展过程中的相对较新的标准组织，其采用了6LoWPAN技术，主要提供工业自动化与控制应用领域的、重点在现场级（Level 0）的无线系统标准。具体而言，ISA100委员会主要致力于制订在无线技术应用环境、无线设备及系统的技术和生存周期、无线技术应用等方面的无线制造和控制系统类标准、推荐导则、技术报告和相关信息等。

无线技术应用环境包括无线定义、无线电频率、振动、温度、湿度、电磁兼容、互操作性、与原系统的共存、物理设备布置等。无线设备及系统的技术和生存周期是基于非专有无线技术的全面的短期、中期和长期技术需求和实施方案。关于无线技术应用，一是通过无线技术，将用于监视、控制、报警、跳闸等的现场传感器纵向与实时控制系统、直到顶层的管理信息系统相集成；二是将无线技术应用于诸如从无线现场设备互联、控制LAN、商用LAN等全过程系统中。

2009年已发布了ISA-100.11a-2009（用于工业自动化的无线系统：过程控制和标准应用）标准，其在制订的标准还有：I SA-100.15（无线回程主干网）、I SA-100.14（可信无线）、ISA-100.21 （人员和资源跟踪和识别）、ISA-100.12（WirelessHART和ISA100.11a汇合网络应用）等。

ZigBee是ZigBee联盟所定义的、并在2004年12月获得批准的、基于IEEE802.15.4标准频率2.4GHz的Mesh网络互联通讯协议。ZigBee标准化组织主要致力于制订诸如嵌入传感、医疗数据收集、电视遥控类用户装置、家庭自动化等方面应用的IEEE无线标准联网规范，并受到许多大的工业联合体的支持。另外，ZigBee也已制订了如鉴别、加密、关联和应用服务等处于通讯上层的附加通讯性能方面的相关规定。

IEEE1451系列标准是由IEEE仪器和测量协会的传感器技术委员会发起的，是专为智能传感器接口（其主要特点是具有数据处理的智能化）而制订的标准。其IEEE1451.5-2007标准即为智能传感器无线通讯协议和传感器电子数据表（TEDS）格式的相关标准。

EnOcean是楼宇自动化领域的一种无线通讯系统，并未获得相应国际标准化组织的批准认可，但受到西门子等公司的大力支持。其技术是基于机械激发等能量捕获原理，其传感器不用电池，具有免维护功能。数据包仅为14字节，传输速率120kbit/s，设备传输频率868.3MHz，无线传输距离可达300米。

结语

无线传感器网络的国际标准化战争尚未结束，用户在具体选择何种WSN标准时一定要在慎重考虑其应用领域、市场支持程度、安全性和可靠性等因素后，经综合评估后再选定适合自身的WSN技术类型和供应商。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/7/2010)


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