金詩博

（天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network,WSN）是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息。

基于上述的特點，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要分三部分：感知區(qū)域（Sensor Feild），傳感器節(jié)點（Sensor nodes）和匯聚點（Sink）。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點

1.1 感知區(qū)域

一般是由大量的傳感器節(jié)點組成的監(jiān)控感知區(qū)域。在某些實際應(yīng)用當(dāng)中，要求感知區(qū)域具有覆蓋范圍廣的特點，例如礦井信息采集等。

1.2 傳感器節(jié)點

在WSN中的主要作用是通過各節(jié)點的無線組網(wǎng)完成信息的采集、處理和傳輸。

首先，由于某些應(yīng)用要求覆蓋范圍廣，需要大量的傳感器節(jié)點。對于節(jié)點的組網(wǎng)方式就要求具備有通信距離較遠，以及網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大的特點。

其次，要實現(xiàn)覆蓋范圍廣的要求，傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器終端，在一定情況下是不能滿足要求的。所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點，在滿足組網(wǎng)和信息采集的同時有的節(jié)點還兼顧路由的功能，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和多跳功能，來實現(xiàn)更廣闊的傳感器節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)連接。

此外，某些應(yīng)用系統(tǒng)布置在野外或室外，傳感器節(jié)點就必須通過電池供電，那么功耗則成為選擇組網(wǎng)方式的關(guān)鍵所在。而大量的傳感器節(jié)點，同樣給系統(tǒng)的搭建成本帶來極大地挑戰(zhàn)。所以，在大量傳感器節(jié)點應(yīng)用的系統(tǒng)當(dāng)中，選擇組網(wǎng)方式成本低的為最佳。

1.3 匯聚點

我們也可稱為Sink節(jié)點，它的功能是將大量傳感器節(jié)點的信息收集和通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，為傳感器的數(shù)據(jù)實現(xiàn)提供更廣闊的網(wǎng)絡(luò)連接，通過互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)等將數(shù)據(jù)傳遞給用戶，方便更多用戶查看。

綜上所述，將大型無線傳感網(wǎng)所需無線組網(wǎng)方式特點歸納如下：低功耗；低速率；低成本；網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大；具有多跳、路由和轉(zhuǎn)發(fā)的功能；通信距離相對較遠；便于通信協(xié)議轉(zhuǎn)換。

2 多種無線組網(wǎng)方式比較

目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最常用的無線組網(wǎng)方式有Wi-Fi、藍牙和ZigBee等。所以，針對這三種無線組網(wǎng)方式做詳細闡述和比較。

從傳輸距離來說，Wi-Fi和ZigBee傳播距離是相近的，在一定條件下ZigBee可以達到100 m甚至更遠，ZigBee和Wi-Fi的通信距離要遠遠好于藍牙，藍牙的通信距離一般為10 m左右。所以，對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用來說，一般使用ZigBee和Wi-Fi較為合適。

對于某些系統(tǒng)需要有路由功能設(shè)備的情況看，Wi-Fi和ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)都有路由功能設(shè)備，這樣對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大范圍感知區(qū)域的應(yīng)用有一定優(yōu)勢。ZigBee與Wi-Fi系統(tǒng)和藍牙相比，ZigBee的每個網(wǎng)絡(luò)端口最多可接入6.5萬多個端口，適合家居、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等網(wǎng)絡(luò)所需傳感器節(jié)點眾多的應(yīng)用領(lǐng)域來使用，而Wi-Fi的網(wǎng)絡(luò)端口能接入幾十個，而藍牙只能接入10個端口。

從功耗上來說，Wi-Fi耗電大于藍牙，而藍牙大于ZigBee，后兩者僅靠電池供電即可。Zig－Bee在低耗電待機模式下，兩節(jié)普通5號干電池可使用6個月以上，這種低功耗更是藍牙遠遠不能及的。所以，如果是傳感器節(jié)點使用電池供電的場合，選用ZigBee組網(wǎng)方式就顯得更為合理。

從通信速率上來說，Wi-Fi通信速度是最快的，可達54 Mbps，所以使用Wi-Fi傳遞大量信息較為合適，例如無線多媒體、監(jiān)控視頻傳遞、圖片信息傳遞等。如果只是針對傳感器的文本信息傳遞時，使用WI-FI則顯得有些浪費，畢竟Wi-Fi的成本和功耗要比ZigBee高得多，我們可以把高速率的錢省下來用于降低功耗和降低成本。

藍牙的速率可以到1 M/s，但是藍牙通信速率要低于Wi-Fi，目前藍牙的使用場合多為傳遞音頻信號，以及作為有線線纜的替代品，例如藍牙耳機，就是移動終端數(shù)據(jù)線的替代品。

ZigBee的通信速率較慢，采用IEEE 802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在我國載波的頻率為2.4 GHz，通信速率最高為250 Kb/s。這樣傳播速率不適合圖片信息和視頻信息傳輸，例如監(jiān)控視頻信息傳遞等。但對使用文本信息傳遞的傳感器來說，這樣的傳播速率已經(jīng)足夠了。

將上述3種通信組網(wǎng)方式的特征總結(jié)如下，見表1所示。

結(jié)合上述總結(jié)的特點，將智能家居的典型案例進行分析，傳感器監(jiān)控部分使用ZigBee進行組網(wǎng)，尤其是電池供電和傳感器數(shù)量較多的情況下使用ZigBee較為劃算，因為這樣既能省電又能降低成本；Wi-Fi的優(yōu)勢是應(yīng)用廣泛，已經(jīng)普及到千家萬戶，所以終端使用基于Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)連接方式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 Wi-Fi、藍牙和ZigBee特征比較

圖2 智能家居無線網(wǎng)組成

3 總結(jié)

目前來說，Wi-Fi的優(yōu)勢是應(yīng)用廣泛，已經(jīng)普及到千家萬戶；ZigBee的優(yōu)勢是低功耗和自組網(wǎng)；藍牙的優(yōu)勢是組網(wǎng)簡單。然而，這三種技術(shù)，也都有各自的不足，沒有一種技術(shù)能完全滿足智能家居或其他無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的全部要求。所以要具體應(yīng)用具體分析，根據(jù)信息的特點進行組網(wǎng)方式選取論證。從功耗、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和節(jié)點數(shù)量、信息量大小及用戶應(yīng)用便利性等方面進行綜合考慮和分析，選擇最佳的組網(wǎng)方式。

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