无线传感器网络通信技术与标准化分析

林鑫海++李树磊++赵研++李威

1 引言

通信技术的飞速发展和日益完善，推动了新型无线通信网络的建设，其中物联网发展最为迅速。早在2014年初的ITU-T SG17（国际电信联盟远程通信标准化组织数据网络和电信软件研究组）全会上，我国代表团提出的“OID（对象标识）在物联网中应用指南”国际标准成功立项[1-2]，并提交了第一版国际标准草案，该标准表明我国在国际物联网标准化方面向前迈出了重要一步。目前，各大技术联盟都在积极推出自己的标准协议，竞争日益激烈，这是因为物联网整体架构涉及的层面和技术较多，相关的技术组织和标准也非常繁杂[3-4]。但从近几年的标准进展来看，国际上各标准组织之间的研究缺乏统一的协调和协作[5-6]，其中以微型传感器构成的传感器网络的标准研究工作最为明显。

2 无线传感器网络通信技术

无线传感器网络包括物理层、协议层和应用层。针对感知层目前有多种常用的无线技术，如图1所示。本文主要对3种最常用标准：ZigBee、蓝牙（Bluetooth）以及Wi-Fi展开分析，并比较各自的优缺点。

图1 常用的无线通信技术标准

2.1 ZigBee

ZigBee是IEEE 802.15.4协议的代名词，是一种近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率的双向无线通信系统[7-8]，主要应用在物联网产业链中的M2M行业。ZigBee凭借其独特的优势，在无线传感器网络中的应用得到广泛的推广。

（1）ZigBee技术优势

ZigBee技术优势主要包括以下方面：

◆低功耗：在低功耗模式下，仅需2节五号电池就能使用六个月到两年左右的时间。

◆低成本：ZigBee协议简单，降低了对通信控制器的要求，可大大降低成本且免收专利费。

◆近距离：传输范围一般为10～100m，在提高RF发射功率后可增加至1～3km，使得覆盖范围更广。

◆网络容量大：ZigBee具有大规模的组网能力，可采用星状、树状和网状结构，一个主节点可管理若干子节点，最多一个网络可支持65 535个节点。

◆安全保密：ZigBee采用三级安全模式，提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，并且融入了IEEE 802.15.4的安全协议。

（2）ZigBee技术的不足

ZigBee技术在设计之初就是为了解决近距离、低速率通信，随着需求增加也暴露出一些问题。在没有功率放大器的情况下ZigBee节点传输距离受限，且对障碍物的厚度影响大，覆盖范围也会随之变小。在2.4GHz频段下最大的传输速率只有250kbps，仅能传输简单数据。在与邻近节点共用或者同一节点多个应用时，速率也将被瓜分。

2.2 蓝牙

蓝牙（Bluetooth）是由多家跨国公司联合开展推广的短程无线通信技术，并且推出了蓝牙技术标准，以使蓝牙技术能够在全球范围内广泛使用。蓝牙体系结构中的协议模型可分为：物理层、核心协议、应用协议（可选协议）、射频通信、电话传送控制协议。

目前，蓝牙推出集IEEE 802.15.1、IEEE 802.11物理层和MAC层以及Wibree标准“三合一”的4.0版本，将传统蓝牙技术、高速技术和低功耗技术融为一体。

（1）蓝牙4.0版本技术优势

◆低功耗：在应用模式上采用NOKIA开发的Wibree技术，这是一种专门为移动设备开发的极低功耗的通信技术。

◆覆盖范围：相比较于传统蓝牙10m的传输距离，蓝牙4.0的有效传输距离已达到100m。

◆高速率：通过集成“802.11 PAL”（协议适应层），数据传输率提高到了大约24Mbps，是蓝牙2.0的8倍，能快速经过认证连接。

蓝牙4.0标准依旧向下兼容，包含了经典蓝牙技术规范和最高速率24Mbps的蓝牙高速技术规范，可单独使用，也可同时运行。低功耗蓝牙的网络拓扑简单，传输距离超过NFC，凭借在手机领域的巨大优势，将对ZigBee、NFC等技术产生冲击，未来会有良好的发展前景。

（2）蓝牙4.0版本技术的不足

蓝牙技术也存在一些不足，比如不需要口令直接访问，存在安全漏洞，用户个人信息存在泄漏危险。技术进展缓慢与其他无线技术重叠，并且蓝牙芯片价格较高，增加了硬件成本。同时，蓝牙传输过程中数据包不可能太大。

2.3 Wi-Fi技术

Wi-Fi即IEEE 802.11协议，可以将个人电脑、手机等终端设备以无线方式互相连接，同蓝牙、ZigBee技术一样实现短距离通信，是目前最为流行的一种无线网络技术。

（1）Wi-Fi技术优势

◆覆盖范围广：Wi-Fi的覆盖半径在室外最大可达300m，在室内有障碍物的情况下最大可达100m，使用交换机可以覆盖整栋大楼。

◆传输速率快：根据不同的标准传输速率有所不同，最高可达300Mbps。

◆可靠性高：带宽根据信号强度、干扰强度等自动调整，以保证网络通畅。

◆健康安全：IEEE 802.11规定的发射功率不会超过100mW，实际发射功率为60～70mW。

◆门槛低：用户只需设置热点，通过高速线路将因特网接入，在该区域的设备都可高速接入，无需耗费资金进行网络布线，可节省大量成本。

（2）Wi-Fi技术的不足

Wi-Fi的信号工作在2.4GHz的IMS频段，容易受到干扰，并且随着节点距离增加而减弱，传输速度也随之降低。在安全性方面，缺少有线网络的物理结构的保护，不需要申请就可使用无线网络的频率。网络易受到攻击，安全性有待提高。除此之外，缺乏完善的QoS与商业模式，无线网络系统对上层业务不开放。同时，功耗大也一直是Wi-Fi技术相对于其他无线通信技术最明显的劣势。endprint

3 无线传感器网络通信技术标准化现状

3.1 标准化的进程

各类标准在制定之初协议简单、功能单一，随着需求的增加和应用场景的多样，传统协议内逐渐增加新的内容。以ZigBee为例，它定义了网络互连、传输和应用规范，然而随着应用的推广和产业发展，基本协议已经不能适应需求。为此，不同国家、不同应用以ZigBee协议为基础推出更多版本，使不同制造商的便捷式设备具有近距离互通的能力，并且具备一定的组网能力。

我国对传感器发展高度重视，在全国信息技术标准化技术委员会推动下，国内传感器网络标准化的工作取得很大进展，新一代宽带移动无线通信网和《国家中长期科学和技术发展规划（2006—2020）》都把传感网列入重点研究领域。目前我国传感网标准体系已形成初步框架，向国际标准化组织提交的多项标准提案被采纳，传感网标准化工作已经取得积极进展。未来更多地参与国际标准的制定，将会对我国产品的竞争力和技术水平的提升至关重要。

3.2 标准化的挑战

尽管上述3种无线技术ZigBee、Bluetooth以及Wi-Fi在传感器网络中都被广泛使用，但无线传感器网络技术标准所面临的现状却较为困难。大型制造商只采用本阵营的标准，其他标准协议拒绝支持，那么智能生活所体现的智能性将远低于预期。

造成这种尴尬局面有多种原因：一方面，各种无线技术都有各自的特点、产品应用及适用范围，从短期来看，技术替代或技术兼容都不现实；另一方面，从市场角度来看，各大设备供应商、系统开发商之间，特别是处于竞争状态下的产品供应商的标准化问题，将触及各方的经济利益，从而使得无线传感器网络技术的标准化变得复杂而困难。未来的无线传感器网络技术真正需要的是：所有设备都使用同一个标准来通信。这个标准之于智能家电就如同Wi-Fi之于笔记本电脑，但是创建这个标准需要多方面因素促成。

3.3 标准化的方向

现有无线通信标准各自推广、布局的情况下，各大制造商并未达成一致，无线传感器设备的互连更加困难，其中智能家居领域受到的影响最大。在目前标准无法统一的情况下，开发商提出了一些比较成熟的解决方案，主要包括以下2种模式：

（1）居间服务

智能家居系统需要在不同厂家的设备之间实现互连，以方便对其有效的控制，实现不同程度的自动化。系统集成商们提供了很多服务案例，比如把多种电器捆绑在一起，实现全面的互连性。这种通过居间服务的形式实现无线传感器网络设备之间的通信将是一种双赢的模式。

如今，供应商在家居自动化方面做出了很多大胆的尝试，比如出售预制的灯、温湿度控制器和门禁摄像头等，将它们整合出售，实现相互通信协作。SmartThings的解决方案是通过一个控制中心和不同类型的传感器，在家居生活中追踪及控制各类数字设备，也可以跟使用Z-Wave、ZigBee、Wi-Fi的家电通信。一旦这些家电以无线方式连接在一起，SmartThings就可以实现它们之间的互操作，用户也可以通过一个智能手机应用访问它们。其优势就是不需要用户关注各种复杂的标准，提升用户体验。Arrayent也提供了另一种整合服务：可以帮助零售商组装希望打包出售的设备，让这些设备跟连接到互联网的控制系统同步，以便互相通信。

（2）云服务

云服务的蓬勃发展为无线传感器网络提供数据的接入、存储和处理业务，用户把终端嵌入到生活场景之后，各类设备将数据上传到云上，通过调用云端数据并发送指令，在业务和管理方面实现“物与人”相互通信。目前这种技术融合互联网、广电网、传感网等多网资源，各大制造商都在积极打造自己的云服务平台，已有比较成熟的解决方案，真正实现跨平台智能控制。未来随着对智能需求的高涨，能够实现各标准互连的云平台运营商的地位将占据核心的位置。

4 结束语

以ZigBee、蓝牙和Wi-Fi技术为主的无线传感器网络的发展，使得无线传感器网络设备产品陆续融入日常生活。目前，各种无线技术都有各自的技术特点、产品应用及适用范围，从这个角度来看，采用多标准的观念可能是正确的方向：针对不同用户群体推出不同标准的产品，便于新技术的普及。然而，随着人们对智能需求的越来越高，各类设备之间互通显得尤为重要。目前的解决方案只能针对特定的场景提供有限的服务，一个主流的、开放的通信协议将是解决互联互通的关键技术，设备制造商和应用开发商都在统一、开放的平台上推广应用，设备的互联互通将会变得如同上网一般方便。

参考文献：

[1] 马文静，吴东亚，林召骥，等. Research on International Standard Proposal of《Guidelines for Using Object Identifiers （OLD） for the Internet of Things》[J]. 信息技术与标准化， 2014（3）.

[2] 王保云. 物联网技术研究综述[J]. 电子测量与仪器学报， 2009，23（12）： 1-7.

[3] 袁国智，董毅明. 我国物联网产业现状及其发展对策分析[J]. 商业时代， 2011（4）： 28-29.

[4] Hill J， Horton M， Kling R， et al. The Platforms Enabling Wireless Sensor Networks[J]. Communications of the ACM， 2004，47（6）： 41-46.

[5] 朱仲英. 传感网与物联网的进展与趋势[J]. 微型电脑应用， 2010，26（1）： 1-3.

[6] Baronti P， Pillai P， Chook V W C， et al. Wireless Sensor Networks： A Survey on the State of the Art and the 802.15.4 and ZigBee Standards[J]. Computer Communications， 2007，30（7）： 1655-1695.

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[8] 孙利民. 无线传感器网络[M]. 北京： 清华大学出版社， 2005.endprint