基于WSN的几种短距离无线通信技术应用分析

摘要：随着电子通信技术、计算机技术的发展， 无线传感网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是当前在国内外非常热门的研究领域。本文主要从当前无线传感技术研究情况出发，对当前几种主要的短距离无线传输技术从安全性、通信速度、成本、应用场合等方面进行了应用分析和比较，为基于无线传感技术的网络通信找到合适的通信解决方案。

关键词：无线传感网络 无线传输技术 802.11 ZigBee 蓝牙

中图分类号：TN923 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）02-0023-02

1 论文研究背景及意义

步入21世纪，随着计算机技术、自动化技术、电子技术、传感器技术以及无线通信技术的快速发展，嵌入式技术飞速发展时期已经到来，标志着计算机技术已经进入了后PC时代和网络时代。无线传感网络（Wiress Sensor Networks）由大量的无线传感器节点组成，这些节点的功能可相同或不同，每个无线传感器节点由核心数据处理模块和控制模块、传感器数据采集模块、无线通信模块和电源模块等组成。无线传感器网络依靠各种类型的传感器来完成采集对象信息实时采集，并将采集信息通过无线网络进行传输，并送到数据处理中心进行数据处理[1]。

在无线传感器网络中，我们有时需要一种短距离通信技术、硬件软件复杂度低、数据传输速率低、能耗小、成本低的新兴无线网络通信技术，来完成传感器网络采集数据的传输。

2 国内外无线传感技术研究现状

无线传感器网络诞生于20世纪90年代末，开始于美国军方用于战场检测技术。作为新一代的传感器网络，当前国内外都很重视无线传感器网络研究，IEEE协会，欧美很多著名的大学都大力进行传感器网络技术的研究与应用开发。在中国颁布的我国今后20年重要研究课题的157个技术课题中有7项是直接关系到传感器网络技术。国内从事无线传感器网络应用的大企业目前为数不多，小企业呈现蓬勃发展的势头。北京鼎天软件有限公司主要从事城市公共安全应急指挥系统的建设。上海电器科学研究院主要从事智能交通方面的研究。西安华凡科技有限公司，作为无线传感网络解决方案的专业提供商，为ZigBee技术在国内的推广做出了不懈的努力。沈阳东软、北大青鸟、亿阳信通等企业也在无线传感网络的应用方面有所涉及。

3 无线传感器网络特点

无线传感器网络是由大量传感器节点组成，另外，根据应用需求，还可以加上卫星定位系统、移动通信模块和可充电电源模块等，无线传感器网络主要特征如下[2]。

（1）可组建规模很大无线通信网络。为了采集到精确的数据信息，无线传感器网络采集区域一般都要设置大量的无线传感器节点，数量有时甚至可达成千上万，甚至多得多。无线传感器网络通过大量的传感器数据采集节点采集到大量的信息，有效降低了对单个传感器数据采集节点的数据采集精度标准；整个无线传感器网络由于存在大量的冗余节点，增强了无线传感器网络的容错能力；网络节点容量大，覆盖面积广，有利于降低信号检测盲点。（2）网络自组织。无线传感器网络的传感器数据采集节点建设成本低，不需要基站等实施。节点的位置也不需要预先设置，节点的位置也不可能固定，是可根据需要可移动的；邻居节点之间相互关系也不能预先知道，甚至会随机变化。所以要求无线传感器节点能够自动进行网络管理和网络配置，能够进行网络自组织，根据无线传感器网络控制机制和网络协议自主形成能够转发采集检测数据的无线传感器网络。（3）网络具有动态性。无线传感器网络不是一个固定的网络动态的网络，节点根据需求可以不固定；如果节点出现异常故障，传感器节点就会自动退出传感器网络；也可以接受新的节点加入到网络。所以无线传感网络结构具有动态变化性[3]。（4）多跳无线路由。在无线传感网络中，传感器节点之间的距离大都在几十到几百米，一般节点只和相邻网络节点通信。如距离较远，则要用路由节点进行转发[4]。（5）面向应用的无线传感器网络。无线传感器网络的传感器节点一般用来用来采集物理外界多种多样的信息。而不同的应用，对环境而言要采集不同的环境信息，所以需要有多种多样的传感器，如温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器等。无线传感器网络检测信息是紧密结合应用需求的，因此，传感器网络的设置有着明确的应用目的[5]。（6）以数据采集为核心。传感器节点是采集数据的终端节点，没有数据的采集，无线传感器网络就失去存在的价值，所以说无线传感器网络是一个以数据采集为主的网络。

4 几种短距离无线通信技术应用分析

短距离无线通信和长距离无线通信相比，主要特点如下：

（1）通信距离在几厘米到几百米；（2）主要应用于室内；（3）无线发射功率在几uW到100uW；（4）不需申请无线频道牌照；（5）高频操作；（6）使用全向天线和线路板天线；（7）无线发射器和无线接收器由电池供电。

随着无线的发展，网络化、标准化要求逐渐出现在人们的面前。因此各种无线网络技术标准纷纷被制订出来。ZigBee、无线局域网（Wi-Fi）、超宽频（Ultra Wide Band）、近距离无线传输（NFC）、蓝牙（Bluetooth）和红外线数据通信IrDA等。

4.1 ZigBee技术

ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，主要应用于近距离无线连接。ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，通信范围从几十米到几百米，甚至到几千米km，还可以进行延伸。ZigBee节点容量有65000个，每个相邻Zigbee节点之间可实现相互数据传输[6]。ZigBee有自己的标准，在很多个无线传感器之间相互通信，这些无线传感器只需很小的能量，通过无线网络将数据从一个传感器传输到另一个传感器。

ZigBee是以IEEE 802.15.4为基础，即无线个人区域网（PAN，Personal Area Nerwork），IEEE 802.15.4是IEEE确定的低速无线个域网的标准，该标准定义了物理层（physical layer，PHY）和介质访问层（medium access control layer，MAC）。ZigBee可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915MHz（美国流行）3个频段上，分别具有最高250Kbit/s、20Kbit/s和40Kbit/s的传输速率。

4.2 Wi-Fi（IEEE802.11）

Wireless Fidelity的缩写Wi-Fi，即无线高保真。与蓝牙技术相似，主要用在办公室和家庭中使用的近距离无线通讯技术，它为用户提供了无线的宽带互联网访问。Wi-Fi可为用户提供户电子邮件访问、Web和流式媒体访问。Wi-Fi在2.4Ghz频段工作，所支持的速度最高达54Mbps。另外还有两种802.11空间的协议，包括802.11a和802.11b。它们也是公开使用的，但802.11G在世界上最为常用。

Wi-Fi技术主要有以下优势：

（1）覆盖范围广。蓝牙技术的覆盖半径大约只有10米左右，Wi-Fi可达100米。目前最新的Wi-Fi交换机能够把覆盖范围从100米扩大到6.5公里。（2）通信速度块。Wi-Fi无线数据通信质量不是很高，有待进一步改进。安全性较差，但数据传输速度快，可达54Mbps。（3）进入Wi-Fi技术领域的要求不高。只需要在商场、车站、酒店、机场等人员集中地设置接入"热点"，就可使热点覆盖范围的移动通信设备接入因特网。

4.3 超宽带通信UWB

超宽带无线技术UWB（ultra wideband）使用1GHz以上带宽的无线通信技术。它的通信速度达几百Mbit/s。UWB脉冲宽度在1ns以下，因此可达到几百M～1Gbit/s以上的通信速度。美国联邦通信委员会（FCC）已把3.1G～10.6GHz频带向UWB通信开放。IEEE802委员会也把UWB列为PAN基础技术进行重点研究。

4.4 近场通信（NFC）

近场通信（Near Field Communication，NFC）作为短距离的高频无线通信技术的一种，它可以实现电子设备之间在在十厘米内传输信息。它的应用对象主要在于各种便携式手持设备中。安全性系数相对较高，NFC技术电子支付领域有很广阔的发展空间[7]。

4.5 蓝牙

蓝牙技术起源于1994年，当时瑞典爱立信公司的移动通信部研究制定了一个利用无线电射频技术对移动电话与周边部件进行无线互连的技术规范草案。1998年2月，爱立信联合IBM、英特尔、诺基亚、东芝等共五家计算机及通信公司创建了蓝牙特殊利益集团（SIG，Special Interest Group），负责蓝牙技术标准的制订、产品的测试以及协调各国蓝牙使用频段的一致性。随后，微软、3COM、郎讯、微软和摩托罗拉等公司相继加入SIG，共同构成了SIG的九个发起者和领导成员。蓝牙（Blue Tooth）主要支持10m内短距离通信的无线通信技术，蓝牙工作在2.4GHzISM频段，采用时分双工传输方式，数据传输速率可达1Mbps。可在手机、无线耳机、PDA、笔记本电脑等设备之间进行无线数据信息交换。

4.6 红外线数据通信IrDA

IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是由红外线数据标准协会（Infrared Data Association）制定的一种无线协议，红外信号要求视距传输，方向性强，对邻近区域的类似系统也不会产生干扰，并且窃听困难。IrDA主要应用于在计算机外设、笔记本电脑、便携式设备等领域。尽管IrDA技术免去了线缆，使用起来仍然有许多不便，实际应用中由于红外线具有很高的背景噪声，受日光、环境照明等影响较大，一般要求的发射功率较高。IrDA设备的核心部件红外线LED是一种不耐用的器件，频繁使用会令其使用寿命大大缩短。但当前使用IrDA技术应用场合还很多，成本低廉，数据传输速度较快，因此，在未来一段时间里还将存在[8]。

5 几种短距离无线通信技术比较

通过应用分析测试，对上面提到的几种短距离无线通信技术进行了比较，见表1所示。

参考文献

[1]张文博.基于ZigBee网络的安全监控系统关键技术研究与实现[D].信息工程大学，2010.03：1-22.

[2]ZigBee Allicance.ZigBee Docunment 05347r13[OL]. http：//.

[3]An Ultra Low Power MAC Protocol for Wireless Sensor Networks[OL].IEEE Transaetions On Mobile Compting.2007.6（1）.

[4]ZigBee Allicance.ZigBee Docunment 05347r13[OL]. http：//.

[5]An Ultra Low Power MAC Protocol for Wireless Sensor Networks[OL].IEEE Transaetions On Mobile Compting.2007.6（1）.

[6]任丰原，黄海宁，林闯.无线传感网络[M].软件学报，2003，14：52-56.

[7]ZigBee Specification 2007[OL].http：//.

[8]IEEE Std 802.15.4 2003[OL].http：//.