1、无线传感器网络概述

（1）定义：无线传感器网络（WSN），是基于2.4GHZ、433MHZ、GPRS通讯方式的无线数据采集传输网络系统，通过无线传感器采集节点数据（如温度、温湿度、压力、气体、液位、光照等），利用智能网关搭建大小容量数据的无线采集传输网络，负责接收节点传感器的数据及转换，然后将数据通过无线上传至终端监控服务器，便于工作人员进行数据的查看、统计和分析。它是一种全新的信息获取和处理技术，是集微机电技术、传感器技术和无线通信技术为一体的技术，而无线通信技术是无线传感器网络的支撑技术之一。传感器网络实现了数据的采集、处理和传输三种功能。它与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱。

（2）组成：无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。

（3）无线传感器网络应用领域

无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。潜在的应用领域可以归纳为: 军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。

在工业界和商业界中，它用于监测数据，而如果使用有线传感器，则成本较高且实现起来困难。无线传感器可以长期放置在荒芜的地区，用于监测环境变量，而不需要将他们重新充电再放回去。

（4）WSN网络构成

                             

 WSN网络构成

WSN网络通常分为：

1）物理层：物理层定义了WSN中的接收器Sink Node间的通信物理参数，使用哪个频段，使用何种信号调制解调方式等。

2）MAC层：MAC层定义了各节点的初始化，通过收发beacon，request，associate等消息完成自身网络定义，同时定义MAC帧的调试策略，避免多个收发节点间的通信冲突。

3）网络层：网络层完成逻辑路由信息采集，使收发的网络包裹能够按照不同策略使用最优化路径到达目标节点。

4）传输层：传输层提供包裹传输的可靠性，为应用层提供入口。

5）应用层：应用层最终将收集后的节点信息整合处理，满足不同应用程序计算需要。

（5）短距离无线通信技术

随着通信技术的发展，出现了许多短距离无线通信技术，而它们往往带有自己的通信协议，不同的通信协议有着不同的应用。目前最常见的短距离无线通信技术有IrDA/红外、蓝牙、WIFI(802.11标准)和ZigBee技术。

2、ZigBee技术的基本概念

前小节学员们已经熟知无线传感器网络，在传感器网络中，无线传感器节点数据采集与传输的技术有： WiFi，433MHZ，ZigBee，GPRS等四种通讯技术。其中ZigBee、WiFi和433MHz无线技术都属于近距离无线通讯技术，并且都使用ISM免执照频段。而GPRS是无线技术属于远距离无线通讯技术。接下来，将对ZigBee技术进行详细讲解。

（1）概述：首先ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位和远近信息的，也就是说蜜蜂依靠着这样的方式构成了群体中的通信“网络”，因此ZigBee的发明者们形象地利用蜜蜂的这种行为来形象地描述这种无线信息传输技术。

（2）特点：ZigBee技术其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。

1）低功耗：在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。

2）低成本：通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元。

3）低速率：ZigBee工作在20～250kbps的速率，分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868 MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。

4）近距离：传输范围一般介于10～100m之间，在增加发射功率后，亦可增加到1～3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。

5）短时延：ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms（毫秒），节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3～10s、WiFi 需要3s。

6）高容量：ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000 个节点的大网。

7）高安全：ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用访问控制清单(Access Control List，ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。

8）免执照频段。使用工业科学医疗(ISM)频段，915MHz(美国)，868MHz(欧洲)， 2. 4GHz(全球) 。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。

ZigBee协议

（3）ZigBee技术的应用

ZigBee作为一种新兴的短距离、低速率的无线通信技术，得到了越来越广泛的关注和应用，市场上也出现了大量与ZigBee相关的各种产品， ZigBee技术在工业、农业和商业领域，个人健康监护领域，玩具和游戏领域，家庭自动化领域，PC的外围设备，消费电子等领域有大量的应用。

3、ZigBee网络的拓扑结构

在万物互联的背景下，ZigBee网络应用越加广泛，ZigBee技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和网状网，三种ZigBee网络结构各有优势，可以根据实际项目需要来选择合适的ZigBee网络结构。

ZigBee作为一种短距离、低功耗、低数据传输速率的无线网络技术，它是介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案，在传感器网络等领域应用非常广泛，这得益于它强大的组网能力，可以形成星型、树型和网状网三种ZigBee网络，可以根据实际项目需要来选择合适的ZigBee网络结构，三种ZigBee网络结构各有优势。

星型网络结构

（1）星形拓扑是最简单的一种拓扑形式，它包含一个Co-ordinator（协调者）节点和一系列的 End Device（终端）节点。每一个EndDevice 节点只能和 Co-ordinator 节点进行通讯。如果需要在两个 End Device 节点之间进行通讯必须通过Co-ordinator节点进行信息的转发。

这种拓扑形式的缺点是节点之间的数据路由只有唯一的一个路径。Co-ordinator（协调者）有可能成为整个网络的瓶颈。实现星形网络拓扑不需要使用ZigBee的网络层协议，因为本身IEEE 802.15.4的协议层就已经实现了星形拓扑形式，但是这需要开发者在应用层作更多的工作，包括自己处理信息的转发。

树型网络结构

（2）树形拓扑

树形拓扑包括一个Co-ordinator（协调者）以及一系列的 Router（路由器）和 End Device（终端）节点。它的子节点的 Router也可以连接一系列的 Router 和End Device。这样可以重复多个层级。树形拓扑的结构如图8- 5所示。

（3）Mesh拓扑（网状拓扑）

Mesh拓扑（网状拓扑）包含一个Co-ordinator和一系列的Router 和End Device。这种网络拓扑形式和树形拓扑相同；请参考上面所提到的树形网络拓扑。但是，网状网络拓扑具有更加灵活的信息路由规则，在可能的情况下，路由节点之间可以直接的通讯。这种路由机制使得信息的通讯变得更有效率，而且意味若路由路径出现了问题，信息可以自动的沿着其他的路由路径进行传输。

通常在支持网状网络的实现上，网络层会提供相应的路由探索功能，这一特性使得网络层可以找到信息传输的最优化的路径。需要注意的是，以上所提到的特性都是由网络层来实现，应用层不需要进行任何的参与。

MESH 网状网络拓扑

MESH 网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能；星型和族树型网络适合点多点、距离相对较近的应用。