2.3 物联局域网技术
2.3.1 ZigBee组网技术
2.3.1.1 概念介绍
ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它此前被称作“HomeRF Lite”或“FireFly”无线技术，主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。最后，这些数据就可以进入计算机用于分析或者被另外一种无线技术如WiMax收集。
ZigBee是可由多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，类似于现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每个ZigBee网络数传模块相当于移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从75m到几百米，甚至几千米；同时，整个ZigBee网络还可以与现有的其他的各种网络连接。例如，你可以通过互联网在北京监控云南某地的一个ZigBee控制网络。
2.3.1.2 原理及特点
1. 原理
ZigBee网络通信方式采用的是直序扩频技术（DSSS），它是一种抗干扰能力极强，保密性、可靠性都很高的通信方式。
动态路由是指网络中数据传输的路径，并不是预先设定的，而是传输数据前，通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，并决定它们的远近，然后选择其中的一条路径进行数据传输。
灵活可选的距离，除每个节点模块可以通过提高接收灵敏度和发射功率来增加节点间的通信距离外，整个网络还可以通过增加网络节点数量，向外“无限”延伸扩展开来。
自动组网，举一个简单的例子就可以很好地说明这个问题，假如一队伞兵从天而降，他们每人持有一个ZigBee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。他们预先并不知道谁与谁为邻。同时，当人员的移动导致彼此间的联络发生变化时，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。
每个ZigBee网络节点不仅本身可以与监控对象，例如，传感器直接进行数据采集和监控，它还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料；除此之外，每个ZigBee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。
ZigBee实际上是一种个人区域网（PAN）的短程无线技术。IEEE标准定义了无线电的物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）。ZigBee标准则对此进行了有效的扩展，覆盖了协议的网络层和安全层，以及应用框架和规范。
ZigBee增加了联网功能，ZigBee标准基于802.15.4堆协议栈而建立，定义了设备如何联网。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）。这些拓扑结构支持三类节点。第一种是ZigBee协调器（ZigBee Coordinator，ZC），它可用于初始化网络信息。每个网络只有一个ZC。第二种是ZigBee路由器（ZigBee Router，ZR），它起监视或控制作用，但它也是用跳频方式传递信息的路由器或中继器。第三种是ZigBee终端设备（ZigBee End Device，ZED），它只有监视或控制功能，不做路由或中继之用。
由于ZigBee网络是自组织的，并能实现自我功能恢复，因此非常具有吸引力。节点搜索其他节点，并利用软件“选中”某个节点后进行自动链接。它指定地址，提供路由表以识别已经证实的通信伙伴。在安全性方面，ZigBee采用AES-128加密技术来提供认证和加密。ZigBee能够用于蓝牙、WiFi、超宽带（UWB）、手机及其他无线技术不能覆盖的大部分应用领域。网状结构如图2.6所示。
图2.6 ZigBee网状结构图
2. 特点
1）优点
（1）ZigBee的自组织功能。无须人工干预，网络节点能感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络。
（2）ZigBee自愈功能。增加、删除或移动节点，节点发生故障等，网络都能够自我修复，无须人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。
（3）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；ZigBee的工作频段灵活，为免执照频段的2.4GHz，即无使用费的无线通信。
（4）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。
（5）省电。ZigBee技术可以确保两节五号电池支持长达6个月到2年的使用时间。
（6）可靠。采用了碰撞避免机制，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。
（7）成本低。是同类产品的几分之一甚至十分之一。
（8）时延短。针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。
（9）网络容量大。可支持达65000个节点。
（10）安全。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128。
2）缺点
在ZigBee技术的使用过程中，人们发现ZigBee技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业、家庭自动化控制和遥测遥控领域而言，ZigBee技术显得太复杂、功耗大、距离近、组网规模太小等。
ZigBee和现有移动网（GPRS，CDMA-1X）的比较具有如下特点：无网络使用费、设备投入低、通信更可靠、高度的灵活性和低成本、覆盖范围具有弹性。
ZigBee与现有数传电台的比较具有如下优点：可靠性高；使用方便安全；抗干扰力强、保密性好、误码率低；免费频段；价格低。
2.3.1.3 应用现状
由于ZigBee技术的目标就是针对工业、家庭自动化控制、遥测遥控等应用领域，并且具有上述优点，因而其在物联网领域具有强大的应用空间，物联网离不开自组网络，因此ZigBee是构成物联网的重要技术之一。
ZigBee技术的主要应用可以概括为以下几个方面。
（1）城域无线通信（无线宽带接入、小区覆盖等）。
（2）企业局域网：展览中心、体育场、旅游区、大型仓库、港口、建筑、煤矿、石油/化工、环保等。
（3）应急/救援通信系统。
（4）工业自动化控制。
（5）智能交通。
（6）传感器监测网络。
（7）家庭安全监测系统。
（8）战场侦察网络、战地监测网络、信息中继。
（9）各种远程监测/监控系统（如环保、水文、地质、资源保护、研究等）。
（10）公安/交警/消防。
2.3.1.4 发展趋势
首先软件方面，将有更多的产品面世，主要是可加快开发速度软件。在硬件方面，更高速、更稳定的ZigBee通信硬件设备有望研发成功。
其次，ZigBee技术和RFID技术在2004年就被列为当今世界发展最快、市场前景最广阔的十大最新技术中的两个。今后若干年，都将是ZigBee技术飞速发展的时期。
最后，允许移动应用的无线电技术变革正在进行中。目前的ZigBee也许能够处理10～15m/h（每小时所行驶之英里数）的一般移动速度。但如果移动节点需要100m/h的速度，就需要对技术进行变革，比如在RFID或其他移动应用中。
2.3.2 WiFi组网技术
2.3.2.1 概念介绍
WiFi Alliance成立于1999年，当时的名称为WECA（Wireless Ethernet Compatibility Alliance），于2002年10月正式更名为WiFi。其目前可使用的标准有IEEE 802.11a、IEEE 802.11b和IEEE 802.11g，在无线局域网中被广泛应用。
IEEE 802.11是IEEE最初制定的一个无线局域网标准，业务主要限定于数据存储，最高数据传输速率仅能达到2Mb/s。IEEE 802.11a是于1999年获准的802.11原始标准的一个后续标准。该标准具有更少冲突的特点。该标准使用52个正交频分多路复用副载波，物理层最大原始传输率为54Mb/s，并可以根据实际环境自动调整带宽至48Mb/s，36Mb/s、24Mb/s、18Mb/s、12Mb/s、9Mb/s或6Mb/s，传输层可达25Mb/s。802.11a拥有12条不相互重叠的信道，其中8条用于室内，4条用于点对点传输。
IEEE 802.11 b标准是无线局域网标准中普及最广的一种无线标准。该标准工作在全球免费的2.4GHz频段上，最高速距传输率可达11Mb/s，也可依据实际环境自动降低到5.5Mb/s、2Mb/s或1Mb/s。
IEEE 802.11g标准是IEEE802.11b的后继标准，于2003年7月通过了第三种调变标准，与802.11b标准一样，均工作在2.4GHz的开放频段，但传输速率可达802. lla标准的54Mb/s，该标准物理层采用CCK补码键控调制技术，可与802.11b向后兼容，同时又通过采用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交频分复用技术支持高达54Mb/s的数据传输率。
2.3.2.2 原理和特点
1. 基本原理
WiFi的典型设置通常包括一个或多个接入点AP及一个或多个客户端。每个接入点AP每隔100ms将服务单元标识SSID（Service Set Identifier）即网络名称（Network Name）经由Beacons封包广播一次。Beacons封包的传输速率为1Mb/s，并且该封包的长度非常短，因此这个广播动作对WiFi网络的性能影响并不大。又因为WiFi规定的最低传输速率为1Mb/s，所以足以确保所有接收到这个SSID广播封包的WiFi客户端都能至少在1Mb/s的速率下进行通信。
基于如SSID这样的设置，客户端可以决定是否连接到某个接入点AP。若同一个SSID的两个接入点AP都在客户端的接收范围内，客户端可以根据信号的强度选择与哪个接入点的SSID连接。
IEEE 802.11体系由若干部分组成，这些元素通过相互作用来提供无线局域网服务，并向上层支持站点的移动性。这些基本的组成部分有以下几个。
（1）站点（Station）。可以是一台PC，也可以是如PDA等手持无线设备。
（2）基本服务单元BSS （Basic Service Set）。它是IEEE 802.11标准规定的无线局域网的最小构件。一个基本服务单元BSS包括一个基站和若干个站点，所有的站点在本BSS内都可以直接通信，但在和本BSS以外的站点通信时都必须通过本BSS的基站。最简单的服务集可以只由两个站点组成，每个站点都可以动态地连接到基本服务单元中。
（3）分配系统DS（Distribution System）。它用于连接不同的基本服务单元。分配系统通过必要的逻辑服务将匹配地址分配给目标站点，使移动终端设备得到支持，并在多个BSS间实现无缝整合。正是分配系统DS，使扩展服务单元ESS对上层的表现就像一个基本服务单元BSS一样。
（4）接入点AP（Access Point）。基本服务单元里面的基站称为接入点AP，但其作用和网桥相似。AP既有普通站点的身份，又有接入到分配系统的功能。
（5）扩展服务单元ESS（Extended Service Set）。由分配系统和基本服务单元组合而成。一个基本服务单元可以是孤立的，也可以通过接入点AP连接到主干分配系统DS，然后再接入到另一个基本服务单元BSS，这样就构成了一个扩展服务单元ESS。
（6）门桥（Portal）。它是IEEE 802.11定义的新名词，作用就相当于网桥。用于将无线局域网和有线局域网或者其他网络联系起来。所有来自非IEEE 802.11局域网的数据都要通过门桥才能进入IEEE 802.11的网络结构。门桥可以使这两种类型的网络实现逻辑上的综合。
在定位测量方法上，按照所取参数的不同可分为基于接收信号强度的测量法（Received Signal Strength Indication，RSSI）、基于达到角度的测量法（Angle of Arrival，AOA）、基于到达时间的测量法（Time of Arrival，TOA）和基于到达时间差的测量法（Time Difference of Arrival，TDOA）。分别如图2.7～图2.9所示。
图2.7 三边测量法定位原理
图2.8 AOA测量法原理
图2.9 TDOA测量法原理
2. 特点
WiFi网络能得到广泛的应用，主要是由于其具备以下几个主要特点。
（1）具有可移动性。无线局域网摆脱了以往上网一定要依靠电缆线的限制，这不仅使用户端在使用服务时更加舒适和方便，同时也降低了网络配置的成本。在一些有线网不能运行的地方，如户外、年头已久无法布网的建筑等，都可以通过无线局域网连接到互联网上。
（2）组建简便。无线局域网的组建在硬件设备上的要求与有线网相比，更加简洁方便，而且目前支持无线局域网的设备已经在市场上得到了广泛的普及，不同品牌的接入点AP以及客户网络接口之间在基本的服务层面上都是可以实现互操作的。而全球统一的WiFi标准使其与蜂窝载波技术不同，同一个WiFi用户可以在世界各个国家使用无线局域网服务。
（3）完全开放的频率使用段。如前文所述，无线局域网使用的ISM频段是全球开放的频率使用段，使得用户端无须任何许可就可以自由使用该频段上的服务。
（4）动态拓扑特性。用户端可在网络的覆盖范围内任意移动，随时加入或退出，但拓扑结构的动态变化不会给客户端带来任何影响。
（5）与以太网的兼容性。其相互兼容的网络结构和协议使有线和无线之间通过网桥即可实现无线局域网与以太网的连接。
（6）无线电波的覆盖范围广，WiFi的半径则可达30m。
（7）传输速度非常快，可以达到11Mb/s。
2.3.2.3 应用现状
近年来，中国运营商和设备制造商加大了对WiFi设备及业务的投入。继中国网通2001年推出了无线宽带接入品牌——“无线伴旅”之后，逐渐开始了对高档酒店、写字楼、机场、咖啡厅等场所进行热点覆盖。同时由于设备价格的下降、终端产品的普及，市场将针对消费能力比较旺盛的一、二级城市以较快的速度发展。
WiFi在金融、旅游、医疗、商务等领域具有广泛的应用前景，将是无线局域网市场增长的主要动力。思科、VETGEAR、华为3Com、D-Link等厂商纷纷开始谋求在国内迅猛发展的家庭宽带市场上分得一杯羹。
此外，WiFi在定位方面也有很好的应用。例如，WiFi在某井下定位系统中的应用。基于WiFi技术的井下定位系统，是通过利用井下以太网，根据实际覆盖要求和现场测试结果部署若干台无线接入点，建立井下WiFi无线网络实现井巷覆盖。此外，在该定位系统中还需要采用WiFi模块的手机、PDA等移动通信终端或WiFi标识卡。
2.3.2.4 发展趋势
WiFi网络的应用逐渐普及，但是其自身存在着一定问题，主要体现在安全性、传输速率、稳定性等方面。因而WiFi的发展将向着安全可靠、快速、大范围覆盖进军。
2.3.3 无线传感组网技术
2.3.3.1 概念介绍
无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量无处不在的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点，通过自组织的无线通信方式，相互传递信息，协同地完成特定功能的智能专用网络。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术和软件编程技术等，可以实时监测、感知和采集网络所监测区域内的各种环境和监测对象的信息，并对收集到的信息进行处理后传送给终端用户。
WSN系统实际上是传感器技术发展的高级阶段。其发展历程是首先在普通传感器的基础上嵌入计算能力，变成智能传感器；其次在有线智能传感器的基础上，增加无线通信能力，使其成为无线传感器；最后将无线组网技术引入无线智能传感器中，形成WSN系统。
传感器网络是一个结合传感器、协同感知、协同信息处理、无线通信与网络、综合信息服务等多种技术的综合信息系统。它具有高度创造性、渗透性和带动性，不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域具有巨大的应用价值，还将在许多新兴领域体现其优越性，如家庭、保健、交通等。
2.3.3.2 原理及特点
1. 原理
无线传感器网络体系结构如图2.9所示，系统通常包括传感器节点、汇聚节点和骨理节点。监测区域内的传感器节点能够通过自组织方式构成网络，传感器节点监测的数据沿着其他节点逐跳地进行传输，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或移动网络到达管理节点。传感器节点是一个微型化的嵌入式系统，构成了无线传感器网络的基础平台。
典型的传感器节点通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成。无线传感器网络体系结构如图2.10所示。
传感器网络的应用类型过于广泛，在其标准的研发、设计过程中较难有效地协调网络应用特定性和系统普适性的矛盾关系。为了解决传感器网络标准化进程中可能遇到的若干问题，需要研究建立一个科学、完整的传感器网络标准体系和系统架构。这种系统架构的设计水平将决定传感器网络标准化进程中的技术细节、应用模式和发展趋势。
图2.10 无线传感器网络体系结构
2. 特点
无线传感器网络存在着以下几个特点。
（1）硬件资源有限。在无线传感器网络中，节点的计算能力与内存空间受到种种限制，与普通计算机相比，它们的功能要弱很多。
（2）能量有限。在网络中节点往往采用电池作为能量来源，而由于其特殊的应用领域，电池能量完全决定了节点的寿命，因此，应尽可能地节省能量以提高节点的工作寿命。
（3）无中心。绝大多数节点地位平等，而一个节点的故障也不会导致整个网络崩溃，从而决定了其极强的抗破坏性与抗毁灭性。
（4）自组织。由于网络无中心且不依赖任何预先设定的网络设施，因此节点可通过分布式算法与分层协议协调各自的行为，组成一个独立网络。
（5）多跳路由。由于网络中节点通信半径有限，因此要想与更多的节点交换信息，就必须通过中间节点进行路由。无线传感器网络的路由无法像固定网络一样通过网关与路由器，而只能通过普通节点完成对信息的发送与转发。
（6）动态拓扑。因为在网络中节点可能随处移动，网络中随时可能发生节点加入或退出网络的事件，这样会使网络的拓扑结构随时发生变化。
（7）节点数量众多，分布密集。为保证对目标区域的监控任务能够完成，同一时间段内会有大量传感器被应用于目标区域，传感器节点的分布相当密集，节点之间的高联通度可保证系统的容错性和抗毁性。
2.3.3.3 应用
由于无线传感器网络提供了全新的智能化通信、控制手段，具有可快速部署、可自组织和高容错性的特点，因此该项技术在国家安全及军事上具有较大的应用价值，主要应用范围有：监测战场人员及装备、机器人控制及监测敌军和化学武器；评估军队作战的战果；核能、生物、化学攻击的侦察；边防警卫；军事区域的监控照明、军队办公大楼的安全；军队运输和军事勘测管理、控制、数据采集；部队营区仓库环境监控；配合传感器网络报告汽车所有系统的状态；用于产品运输、产品跟踪、存储较大物品和财产管理；基于军用部门互联网的设备之间的机器对机器通信（M2M）等，如图2.11所示。
图2.11 无线传感器网络应用案例
同时，无线传感器网络对于比较恶劣的环境和人不宜到达的场所也非常适用，比如，荒岛上的环境和生态监控、原始森林的防火和动物活动情况监测、污染区域以及地震和火灾等突发灾难现场的监控。另外，它还可用于城市的交通监测、医疗机构的病员及环境监测、大型车间原材料和仓库货物进出情况的监测，以及机场、大型工业园区的安全监测。无线传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量信息。
美国DARPA所启动的SensIT（Sensor Information Techology）计划中，将多种类型的传感器、嵌入式处理器、无线通信技术结合起来，建立一个廉价而分布广泛的网络系统来监测光、声、振动、湿度、压力、温度、磁场、加速度、密度等物理量。传感器网络由大量体积小、成本低、随机散布的传感器节点以自组织形式构成，因此非常适合于恶劣的战场环境，在侦测冲突区域的敌方兵力、装备物资、定位入侵目标、评估损失等方面有着得天独厚的技术优势。
2.3.3.4 发展趋势
无线传感器网络具有极大的应用价值，但是也存在着以下挑战。
挑战之一：如何在如此有限通信能力的条件下，高质量地完成感知数据的查询、分析、挖掘与传输？
挑战之二：如何为多源信息传输选择优化通信路径？
挑战之三：通信路径重构为何成为突出问题？路由算法必须具有自适应性吗？
挑战之四：如何使传感器网络在工作过程中节省能源，实现能源均衡，最大化网络生命周期？
挑战之五：如何使用大量具有有限计算能力的传感器设计能源有效的高性能分布式算法？
挑战之六：如何使传感器网络软硬件具有高强壮性和容错性？
挑战之七：如何管理成千上万的分布式触发器？
挑战之八：如何设计高效率、能源有效、实时的海量感知数据流的查询、分析和挖掘的分布式算法？
挑战之九：如何建立以数据为中心的传感器网络？
挑战之十：如何建立新感知器概念、理论、技术和各种新型感知器？
目前，已有一些标准化组织和专业机构提出了多种系统架构模型，如美国国防部体系架构（DoDAF），英国国防部体系架构（MoDAF），开放组织体系框架（ToGAF），结构化信息标准推动组织（OASIS），开放系统互联参考模型（OSI）等，但由于各自的针对性不同，这些系统架构的定义和思想并不统一。传感器网络系统作为一种全新的异构信息系统，需要选取合适的顶层规划原则进行传感器网络系统架构设计，这是WSN发展中需要解决的首要问题。