無線傳感器網絡的多種通信方式綜述

金詩博

（天津中德職業技術學院，天津 300350）

0 引言

無線傳感器網絡（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成的無線網絡，以協作感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區域內被感知對象的信息。

基于上述的特點，無線傳感器網絡主要分三部分：感知區域（Sensor Feild），傳感器節點（Sensor nodes）和匯聚點（Sink）。系統構成如圖1所示。

圖1 無線傳感器網絡系統構成

1 無線傳感器網絡特點

1.1 感知區域

一般是由大量的傳感器節點組成的監控感知區域。在某些實際應用當中，要求感知區域具有覆蓋范圍廣的特點，例如礦井信息采集等。

1.2 傳感器節點

在WSN中的主要作用是通過各節點的無線組網完成信息的采集、處理和傳輸。

首先，由于某些應用要求覆蓋范圍廣，需要大量的傳感器節點。對于節點的組網方式就要求具備有通信距離較遠，以及網絡規模大的特點。

其次，要實現覆蓋范圍廣的要求，傳統的傳感器網絡的傳感器終端，在一定情況下是不能滿足要求的。所以無線傳感器網絡中的傳感器節點，在滿足組網和信息采集的同時有的節點還兼顧路由的功能，通過數據轉發和多跳功能，來實現更廣闊的傳感器節點的網絡連接。

此外，某些應用系統布置在野外或室外，傳感器節點就必須通過電池供電，那么功耗則成為選擇組網方式的關鍵所在。而大量的傳感器節點，同樣給系統的搭建成本帶來極大地挑戰。所以，在大量傳感器節點應用的系統當中，選擇組網方式成本低的為最佳。

1.3 匯聚點

我們也可稱為Sink節點，它的功能是將大量傳感器節點的信息收集和通信協議轉換，為傳感器的數據實現提供更廣闊的網絡連接，通過互聯網和移動通信網等將數據傳遞給用戶，方便更多用戶查看。

綜上所述，將大型無線傳感網所需無線組網方式特點歸納如下：低功耗；低速率；低成本；網絡規模大；具有多跳、路由和轉發的功能；通信距離相對較遠；便于通信協議轉換。

2 多種無線組網方式比較

目前，無線傳感器網絡最常用的無線組網方式有Wi-Fi、藍牙和ZigBee等。所以，針對這三種無線組網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，對于無線傳感器網絡應用來說，一般使用ZigBee和Wi-Fi較為合適。

對于某些系統需要有路由功能設備的情況看，Wi-Fi和ZigBee協議標準都有路由功能設備，這樣對于無線傳感器網絡大范圍感知區域的應用有一定優勢。ZigBee與Wi-Fi系統和藍牙相比，ZigBee的每個網絡端口最多可接入6.5萬多個端口，適合家居、工業、農業等網絡所需傳感器節點眾多的應用領域來使用，而Wi-Fi的網絡端口能接入幾十個，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，如果是傳感器節點使用電池供電的場合，選用ZigBee組網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，就是移動終端數據線的替代品。

ZigBee的通信速率較慢，采用IEEE 802.15.4技術標準，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足夠了。

將上述3種通信組網方式的特征總結如下，見表1所示。

結合上述總結的特點，將智能家居的典型案例進行分析，傳感器監控部分使用ZigBee進行組網，尤其是電池供電和傳感器數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的優勢是應用廣泛，已經普及到千家萬戶，所以終端使用基于Wi-Fi網絡數據連接方式。系統結構如圖2所示。

表1 Wi-Fi、藍牙和ZigBee特征比較

圖2 智能家居無線網組成

3 總結

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

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