無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一門面向應(yīng)用的研究領(lǐng)域，在近幾年獲得了飛速發(fā)展。在關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)方面，學術(shù)界從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、數(shù)據(jù)融合、測試測量、操作系統(tǒng)、服務(wù)質(zhì)量、節(jié)點定位、時間同步等方面開展了大量研究，取得豐碩的成果；工業(yè)界也在環(huán)境監(jiān)測、軍事目標跟蹤、智能家居、自動抄表、燈光控制、建筑物健康監(jiān)測、電力線監(jiān)控等領(lǐng)域進行應(yīng)用探索。隨著應(yīng)用的推廣，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開始暴露出越來越多的問題。不同廠商的設(shè)備需要實現(xiàn)互聯(lián)互通，且要避免與現(xiàn)行系統(tǒng)的相互干擾，因此要求不同的芯片廠商、方案提供商、產(chǎn)品提供商及關(guān)聯(lián)設(shè)備提供商達成一定的默契，齊心協(xié)力實現(xiàn)目標。這就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標準化工作的背景。實際上，由于標準化工作關(guān)系到多方的經(jīng)濟利益甚至社會利益，往往受到相關(guān)行業(yè)的普遍重視，如何協(xié)調(diào)好各方利益，達成共識，需要參與各方擁有足夠的理解和耐心。
到目前為止，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標準化工作受到了許多國家及國際標準組織的普遍關(guān)注，已經(jīng)完成了一系列草案甚至標準規(guī)范的制定。其中最出名的就是IEEE 802．15．4／zigbee規(guī)范，它甚至已經(jīng)被一部分研究及產(chǎn)業(yè)界人士視為標準。IEEE 802．15．4定義了短距離無線通信的物理層及鏈路層規(guī)范，zigbee則定義了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、傳輸和應(yīng)用規(guī)范。盡管IEEE802．15．4和zigbee協(xié)議已經(jīng)推出多年，但隨著應(yīng)用的推廣和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其基本協(xié)議內(nèi)容已經(jīng)不能完全適應(yīng)需求，加上該協(xié)議僅定義了聯(lián)網(wǎng)通信的內(nèi)容，沒有對傳感器部件提出標準的協(xié)議接口，所以難以承載無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的夢想與使命；另外，該標準在落地不同國家時，也必然要受到該國家地區(qū)現(xiàn)行標準的約束。為此，人們開始以IEEE 802．15．4／zigbee協(xié)議為基礎(chǔ)，推出更多版本以適應(yīng)不同應(yīng)用、不同國家和地區(qū)。
盡管存在不完善之處，IEEE 802．15．4／zigbee仍然是目前產(chǎn)業(yè)界發(fā)展無線傳感網(wǎng)技術(shù)當仁不讓的最佳組合。本文將重點介紹IEEE 802．15．4／zigbee協(xié)議規(guī)范，并適當顧及傳感網(wǎng)技術(shù)關(guān)注的其他相關(guān)標準。當然，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標準化工作任重道遠：首先，無線傳感網(wǎng)絡(luò)畢竟還是一個新興領(lǐng)域，其研究及應(yīng)用都還顯得相當年輕，產(chǎn)業(yè)的需求還不明朗；其次，IEEE 802．15／zigbee并非針對無線傳感網(wǎng)量身定制，在無線傳感網(wǎng)環(huán)境下使用有些問題需要進一步解決；另外，專門針對無線傳感網(wǎng)技術(shù)的國際標準化工作還剛剛開始，國內(nèi)的標準化工作組也還剛剛成立。為此，我們要為標準化工作的順利完成做好充分的準備。
1． PHY／MAC 層標準
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層標準一般沿用了無線個域網(wǎng)（IEEE 802．15）的相關(guān)標準部分。無線個域網(wǎng)（Wireless Personal Area Network，WPAN）的出現(xiàn)比傳感器網(wǎng)絡(luò)要早，通常定義為提供個人及消費類電子設(shè)備之間進行互聯(lián)的無線短距離專用網(wǎng)絡(luò)。無線個域網(wǎng)專注于便攜式移動設(shè)備（如：個人電腦、外圍設(shè)備、PDA、手機、數(shù)碼產(chǎn)品等消費類電子設(shè)備）之間的雙向通信技術(shù)問題，其典型覆蓋范圍一般在10米以內(nèi)。IEEE 802．15工作組就是為完成這一使命而專門設(shè)置的，且已經(jīng)完成一系列相關(guān)標準的制定工作，其中就包括了被廣泛用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層標準IEEE 802．15．4。
（1） IEEE 802．15．4b規(guī)范
IEEE 802．15．4標準主要針對低速無線個域網(wǎng)（Low－Rate Wireless Personal Area Network，LR－WPAN）制定。該標準把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標（這和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一致），旨在為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間低速互聯(lián)提供統(tǒng)一接口。由于IEEE 802．15．4定義的LR－WPAN網(wǎng)絡(luò)的特性和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的簇內(nèi)通信有眾多相似之處，很多研究機構(gòu)把它作為傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的物理及鏈路層通信標準。
IEEE 802．15．4標準定義了物理層和介質(zhì)訪問控制子層，符合開放系統(tǒng)互連模型（OSI）。物理層包括射頻收發(fā)器和底層控制模塊，介質(zhì)訪問控制子層為高層提供了訪問物理信道的服務(wù)接口。圖1給出了IEEE 802．15．4層與層之間的關(guān)系以及IEEE 802．15．4／zigbee的協(xié)議架構(gòu)。
IEEE 802．15．4在物理（PHY）層設(shè)計中面向低成本和更高層次的集成需求，采用的工作頻率分為868MHz、915MHz和2．4GHz三種，各頻段可使用的信道分別有1個、10個、16個，各自提供20kb／s、40kb／s和250kb／s的傳輸速率，其傳輸范圍介于10米～100米之間。由于規(guī)范使用的三個頻段是國際電信聯(lián)盟電信標準化組 （ITUT， ITU Telecommunication Standardization Sector）定義的用于科研和醫(yī)療的ISM（Industrial Scientific and Medical）開放頻段，被各種無線通信系統(tǒng)廣泛使用。為減少系統(tǒng)間干擾，協(xié)議規(guī)定在各個頻段采用直接序列擴頻（DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum）編碼技術(shù)。與其他數(shù)字編碼方式相較，直接序列擴頻技術(shù)可使物理層的模擬電路設(shè)計變得簡單，且具有更高的容錯性能，適合低端系統(tǒng)的實現(xiàn)。
