一．引 言 无线传感器网络(wireless sensor network)是一个热点的研究领域，它在环境监测、军事、医疗健康、家庭智能监控和其他商业领域有着广泛的应用前景。无线传感器网络具有传感器节点密度高，网络拓扑变化频繁，以及节点的功率、计算能力和数据存储能力有限等特点。 随着无线通信技术的不断发展，近年来出现了面向低成本设备无线联网要求的zigbee技术，它是一种近距离、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、远程控制领域及家用设备联网，我们采用zigbee技术和GPRS/CDMA技术结合，可以为无线传感器网络提供很好的解决方案。 二．系统概述 GPRS网络是覆盖范围广，性能较为完善的无线网络，GPRS通信网本身具有较强的数据纠错能力，数据传输率较高可达128kbit/s能够保证数据传输的可靠性和实时性。用Zigbee技术组成的无线传感器网络结构简单、体积小、成本低；采用GPRS网络进行数据传输的模块体积小、功耗低，适合作为无线传感器网络的数据节点，Zigbee技术、GPRS网络数据传输与传感器技术相结合组成新兴的无线传感器网络，必将有广泛的应用前景。 三、Zigbee技术简介 zigbee是一种无线连接技术的商业化命名，该无线连接技术主要解决低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备联网应用。 国际上，IEEE802.15.4工作组及zigbee联盟共同致力于该无线连接技术的推广工作，其中，IEEE802.15.4工作组主要负责制定zigbee物理层及MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有标准，以便于今后不同厂商设备的互联互通； zigbee联盟则负责高层应用及市场推广工作。而于2002年成立的zigbee联盟如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司的加入。目前，Freescale、TI等国际巨头都已推出了比较成熟的zigbee开发平台。 ZigBee标准基于802.15.4协议栈而建立，具备了强大的设备联网功能，它支持三种主要的自组织无线网络类型，即星型结构、网状结构(Mesh)和簇状结构(Cluster tree)，特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。 图一 ZIGBEE星型网络结构 星型网络结构特点 支持点对点、点对多点通信 中心节点为ZIGBEE协调器，终端节点为ZIGBEE终端设备 所有数据经过中心节点 适合圆形分散、距离较近的传感器联网 图二 ZIGBEE网状网络结构 MESH网状网络结构特点 系统采用多跳式路由通信 网络容量很大 可以跨越很大的物理空间，适合距离较远比较分散的结构 MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络的所有实体只有要通信范围之内，都可以互相通信，如果没有直接通路，还可以通过“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；除此之外，网络还具备自组织、自愈功能。 四、Zigbee技术特点 1,设备省电 zigbee技术采用了多种节电的工作模式，可以确保两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间； 2,通信可靠 zigbee采用了CSMA－CA的碰撞避免机制，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，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息； 3,网络的自组织、自愈能力强 zigbee的自组织功能：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络； zigbee自愈功能：增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。 4,具备自组织、自愈能力的无线通信网络才是自动抄表系统最理想的通信方式。 5,成本低廉 设备的复杂程度低，且Zigbee协议是免专利费的，这些可以有效地降低设备成本； 6,Zigbee的工作频段灵活，为免执照频段的2.4GHz，就是没有使用费的无线通信。 7,网络容量大 一个ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在200多个ZigBee网络； 8,数据安全 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。 五、结合ZigBee和GPRS技术的无线传感器网络解决方案 本文提出的无线传感器网络是基于Zigbee并采用GPRS进行数据通信传感器网络，它是由大量的无线传感器节点、汇节点和GPRS数据传输模块组成的分布式系统。基于簇(Cluster)的分层结构具有天然的分布式处理能力，簇头就是分布式处理中心即本文无线传感器网络的一个汇节点，每个簇成员（传感器节点）都把数据传给簇头，数据融合后直接传给GPRS数据传输。中央控制中心通过GPRS网络与多个汇节点连接，汇节点和传感器节点之间通过Zigbee技术实现无线的信息交换，带有射频收发器的无线传感器节点负责对数据的感知和处理并传送给汇节点；控制中心通过GPRS网络获取采集到的相关信息，实现对现场的有效控制和管理。 对于一个完整的传感器节点，需要具有小尺寸、低功耗、适应性强的特点，Zigbee设备为低功耗设备，其发射输出0dbm～3.6dbm，通信距离为30米～70米，经过PA放大，通信距离可达到1000米左右，具有能量检测和链路质量指示，根据这些检测结果，设备可自动调整设备的发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量，本文提出的无线传感器网络其节点在睡眠状态时，功耗电流约为30uA。在传感器网络数据通信时，Zigbee建立一次连接的时间约为20ms，这样短的连接时间可以大大减少传感器节点上报给汇节点数据碰撞的概率。在网络安全方面，无线传感器网络在Zigbee技术上，采用了密钥长度为128位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理。 分布在传感器网络中的汇节点主要用于接收传感器节点的数据上报，并将其进行融合处理，传给GPRS网络传递给中央信息控制中心。Zigbee汇节点在此传感器网络中充当的是传感器节点和GPRS网络之间的网关。 六、Zigbee技术方案优势 目前的无线数据传输系统，从数据传输角度划分，可分为有线、无线两大类，这两大类抄表系统各有其适用的应用领域，但就抄表系统的投资、建设、维护等几方面而言，无线系统显然具有更大优势。 目前的无线系统大致可分为基于无线数传模块、基于GPRS/CDMA数字蜂窝网络、或者是二者结合等几种方式，从应用角度而言，都存在以下一种或几种问题： 使用成本较高 如果单纯使用GPRS来传输每个传感器数据，GPRS/CDMA数据传输需要付费，系统的运行成本很高； 本文提出的基于Zigbee并采用GPRS进行数据通信，只是传输Zigbee汇节点数据，使用成本大大降低。 网络的自管理能力有限 采用无线数传模块，除了数据轮询时间随节点数增加而线形增加外，所组建的无线网络的自管理功能非常有限，增加或者减少节点，都需要人工去修改相应的数据库配置；节点出现故障，也常常需要人工去诊断等等； 传感器节点的供电问题难以很好地解决，由于节点难以做到极低功耗，所以供电问题始终是一个瓶颈。 比较项目 Zigbee GPRS/CDMA WLAN 网络使用 2.4G免费频段，无使用费 需要使用费 免费频段，无使用费 设备功耗 极低 高 高 网络规模 容量很大，65536 1 32 传输距离 1—1000米 远距离 1—50米 传输带宽 最大256K 128K 11M 技术优点 成本低，功耗低，网络容量大，网络安全性高 覆盖范围广，适合远距离传输 数据速率大 七．方案应用场合 ? 带负载管理功能的自动抄表(AMR)系统； ? 油气生产遥测遥控通信系统； ? 监控照明、HVAC和写字楼安全。 ? 农田耕作、环境监测及其它区域进行工业监控通信； ? 工业制造、过程控制遥测遥控； ? 对病患、设备及设施进行医疗和健康监控； ? 家庭监控、HVAC、安防报警系统运用； ? 有源RFID应用，例如电池供电标签，它可用于产品运输、产品跟踪、存储较大物品和财产管理； ? 军事应用，包括战场监视和机器人控制； ? 汽车应用，配合传感器网络报告汽车所有系统的状态。 八．ZigBee主要技术指标 参数名称 性能参数 频 段 2.4-2.483GHz 通讯协议标准 IEEE 802.15.4 zigbee 网络拓扑结构 网状网、星型 调制方式 DSSS （O-QPSK） 数据传输速率 最大250KBps 寻址方式 64位IEEE地址，8位网络地址 数据加密 128-bit AES 错误校验 CRC-16/32 信道接入方式 CSMA-CA和时隙化的CSMA-CA 信道数 16 通信时延 15ms（激活或信道接入），30ms（设备搜索）