无线传感器网络的多种通信方式综述

金诗博

（天津中德职业技术学院，天津 300350）

0 引言

无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息。

基于上述的特点，无线传感器网络主要分三部分：感知区域（Sensor Feild），传感器节点（Sensor nodes）和汇聚点（Sink）。系统构成如图1所示。

图1 无线传感器网络系统构成

1 无线传感器网络特点

1.1 感知区域

一般是由大量的传感器节点组成的监控感知区域。在某些实际应用当中，要求感知区域具有覆盖范围广的特点，例如矿井信息采集等。

1.2 传感器节点

在WSN中的主要作用是通过各节点的无线组网完成信息的采集、处理和传输。

首先，由于某些应用要求覆盖范围广，需要大量的传感器节点。对于节点的组网方式就要求具备有通信距离较远，以及网络规模大的特点。

其次，要实现覆盖范围广的要求，传统的传感器网络的传感器终端，在一定情况下是不能满足要求的。所以无线传感器网络中的传感器节点，在满足组网和信息采集的同时有的节点还兼顾路由的功能，通过数据转发和多跳功能，来实现更广阔的传感器节点的网络连接。

此外，某些应用系统布置在野外或室外，传感器节点就必须通过电池供电，那么功耗则成为选择组网方式的关键所在。而大量的传感器节点，同样给系统的搭建成本带来极大地挑战。所以，在大量传感器节点应用的系统当中，选择组网方式成本低的为最佳。

1.3 汇聚点

我们也可称为Sink节点，它的功能是将大量传感器节点的信息收集和通信协议转换，为传感器的数据实现提供更广阔的网络连接，通过互联网和移动通信网等将数据传递给用户，方便更多用户查看。

综上所述，将大型无线传感网所需无线组网方式特点归纳如下：低功耗；低速率；低成本；网络规模大；具有多跳、路由和转发的功能；通信距离相对较远；便于通信协议转换。

2 多种无线组网方式比较

目前，无线传感器网络最常用的无线组网方式有Wi-Fi、蓝牙和ZigBee等。所以，针对这三种无线组网方式做详细阐述和比较。

从传输距离来说，Wi-Fi和ZigBee传播距离是相近的，在一定条件下ZigBee可以达到100 m甚至更远，ZigBee和Wi-Fi的通信距离要远远好于蓝牙，蓝牙的通信距离一般为10 m左右。所以，对于无线传感器网络应用来说，一般使用ZigBee和Wi-Fi较为合适。

对于某些系统需要有路由功能设备的情况看，Wi-Fi和ZigBee协议标准都有路由功能设备，这样对于无线传感器网络大范围感知区域的应用有一定优势。ZigBee与Wi-Fi系统和蓝牙相比，ZigBee的每个网络端口最多可接入6.5万多个端口，适合家居、工业、农业等网络所需传感器节点众多的应用领域来使用，而Wi-Fi的网络端口能接入几十个，而蓝牙只能接入10个端口。

从功耗上来说，Wi-Fi耗电大于蓝牙，而蓝牙大于ZigBee，后两者仅靠电池供电即可。Zig－Bee在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月以上，这种低功耗更是蓝牙远远不能及的。所以，如果是传感器节点使用电池供电的场合，选用ZigBee组网方式就显得更为合理。

从通信速率上来说，Wi-Fi通信速度是最快的，可达54 Mbps，所以使用Wi-Fi传递大量信息较为合适，例如无线多媒体、监控视频传递、图片信息传递等。如果只是针对传感器的文本信息传递时，使用WI-FI则显得有些浪费，毕竟Wi-Fi的成本和功耗要比ZigBee高得多，我们可以把高速率的钱省下来用于降低功耗和降低成本。

蓝牙的速率可以到1 M/s，但是蓝牙通信速率要低于Wi-Fi，目前蓝牙的使用场合多为传递音频信号，以及作为有线线缆的替代品，例如蓝牙耳机，就是移动终端数据线的替代品。

ZigBee的通信速率较慢，采用IEEE 802.15.4技术标准，在我国载波的频率为2.4 GHz，通信速率最高为250 Kb/s。这样传播速率不适合图片信息和视频信息传输，例如监控视频信息传递等。但对使用文本信息传递的传感器来说，这样的传播速率已经足够了。

将上述3种通信组网方式的特征总结如下，见表1所示。

结合上述总结的特点，将智能家居的典型案例进行分析，传感器监控部分使用ZigBee进行组网，尤其是电池供电和传感器数量较多的情况下使用ZigBee较为划算，因为这样既能省电又能降低成本；Wi-Fi的优势是应用广泛，已经普及到千家万户，所以终端使用基于Wi-Fi网络数据连接方式。系统结构如图2所示。

表1 Wi-Fi、蓝牙和ZigBee特征比较

图2 智能家居无线网组成

3 总结

目前来说，Wi-Fi的优势是应用广泛，已经普及到千家万户；ZigBee的优势是低功耗和自组网；蓝牙的优势是组网简单。然而，这三种技术，也都有各自的不足，没有一种技术能完全满足智能家居或其他无线传感网络系统的全部要求。所以要具体应用具体分析，根据信息的特点进行组网方式选取论证。从功耗、网络规模和节点数量、信息量大小及用户应用便利性等方面进行综合考虑和分析，选择最佳的组网方式。

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