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无线传感器网络在环境监测系统中的应用

【摘要】本文介绍了在环境监测系统中应用无线传感器网络技

术的几点优势，分析了基于无线传感器网络技术的环境监测系统的

体系结构，给出了三个典型应用领域中该系统的创新性构建方案，

并对该类系统中的几种关键技术进行了研究，最后对无线传感器网

络技术的应用前景进行了展望。

【关键词】无线传感器网络zigbeeieee802.15.4能源管理

数据融合

近年来，随着无线传感器网络技术的迅猛发展，以及人们对于

环境保护和环境监督提出的更高要求，越来越多的企业和机构都致

力于在环境监测系统中应用无线传感器网络技术的研究。通过在监

测区域内布署大量的廉价微型传感器节点，经由无线通信方式形成

一个多跳的网络系统，从而实现网络覆盖区域内感知对象的信息的

采集量化、处理融合和传输应用。无线传感器网络技术是应用性非

常强的技术，它在当前我国环境监测系统中的应用潜力是巨大的。

一、无线传感器网络和zigbee

无线传感器网络（wirelesssensornetwork，wsn）是由部署

在监测区域内大量的廉价微型传感器结点通过无线通信技术自组

织构成的网络系统。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，

在工业自动化领域，利用无线传感器网络技术实现远程检测、控制，

从而极大地扩展现有网络的功能。传感器网络、塑料电子学和仿生

人体器官又被称为全球未来的三大高科技产业。zigbee是一种新兴

的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技

术。

二、ieee802.15.4/zigbee协议

1、ieee802.15.4标准

ieee标准化协会针对无线传感器网络需要低功耗短距离的无线

通信技术为低速无线个人区域网络（lr—wpan）制定了ieee

802.15.4标准。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重

点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速互连提供统

一标准。同时zigbee联盟也开始推出与之相配套的网络层及应用

层的协议，目的是为了给传感器网络和控制系统推出一个标准的解

决方案。该标准一出现短短一年多的时间内便有上百家集成电路、

运营商等宣布支持ieee802.15.4/zigbee，并且很快在全球自发成

立了若干联盟。ieee802.15.4/zigbee协议栈结构如图1所示。协

议栈中物理层与mac层由ieee定义，网络层与应用程序框架由

zigbee联盟定义，上层应用程序由用户自行定义。

2、zigbee标准

zigbee这个字源自于蜜蜂群藉由跳zigzag形状的舞蹈，来通知

其他蜜蜂有关花粉位置等资讯，以达到彼此沟通讯息之目的，故以

此作为新一代无线通讯技术之电磁干扰。因此，经过人们长期努力，

zigbee协议在2003年中通过后，于2004正式问世了。

zigbee网络是自组织的，并能实现自我功能恢复，动态路由，

自动组网，直序扩频的方式故非常具有吸引力。节点搜索其它节点，

并利用软件“选中”某个节点后进行自动链接。它指定地址，提供

路由表以识别已经证实的通信伙伴。

三、无线传感器网络技术特点

无线传感器网络由大量低功耗、低速率、低成本、高密度的微

型节点组成，节点通过自我组织、自我愈合的方式组成网络。区域

中分散的无线传感器节点通过自组织方式形成传感器网络。节点负

责采集周围的相关信息，并采用多跳方式将这些信息通过internet

或其他网络传递到远端的监控设备。

四、系统概述

环境监测应用中无线传感器网络属于层次型的异构网络结构，

最底层为部署在实际监测环境中的传感器节点。向上层依次为传输

网络，基站，最终连接到internet。传感器节点由传感器模块、处

理器模块、无线通信模块和能量供应模块组成，传感器节点的体系

结构如图2所示。为获得准确的数据，传感器节点的部署密度往往

很大，并且可