物联网简介及基于ZigBee的无线传感器网络摘要物联网，是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮，是一个全新的技术领域，给IT和通信带来了广阔的新市场。

积极发展物联网技术，尽快扩展其应用领域，尽快使其投入到生产、生活中去，将具有重要意义。

ZigBee无线通信技术是一种新兴的短距离无线通信技术，具有低功耗、低速率、低时延等特性，具有强大的组网能力与超大的网络容量，可以广泛应用在消费电子品、家居与楼宇自动化、工业控制、医疗设备等领域。

由于其独有的特性，ZigBee无线技术也是无线传感器网络的首选技术，具有广阔的发展前景。

ZigBee协议标准采用开放系统接口(051)分层结构，其中物理层和媒体接入层由IEEE802.15.4工作小组制定，而网络层，安全层和应用框架层由ZigBee联盟制定。

本文首先从概念、技术架构、关键技术和应用领域介绍了物联网的相关知识，然后着重介绍了基于ZigBee的无线传感器网络，其中包括无线传感网简介、ZigBee技术概述和基于ZigBee的无线组网技术。

关键词：物联网；ZigBee；无线传感器网络物联网简介物联网概念“物联网概念”是在“互联网概念”的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通信的一种网络概念。

其定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。

最简洁明了的定义：物联网(Internet of Things)是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。

它具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化3个重要特征。

技术架构从技术架构上来看，物联网一般可分为三层：感知层、网络层和应用层。

感知层是物联网的皮肤和五官-用于识别物体，采集信息。

感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器、M2M终端、传感器网关等，主要功能是识别物体、采集信息，与人体结构中皮肤和五官的作用类似。

感知层解决的是人类世界和物理世界的数据获取问题。

它首先通过传感器、数码相机等设备，采集外部物理世界的数据，然后通过RFID、条码、工业现场总线、蓝牙、红外等短距离传输技术传递数据。

感知层所需要的关键技术包括检测技术、短距离无线通信技术等。

网络层是物联网的神经中枢和大脑-用于传递信息和处理信息。

网络层包括通信网与互联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和智能处理中心等。

网络层将感知层获取的信息进行传递和处理，类似于人体结构中的神经中枢和大脑。

网络层解决的是传输和预处理感知层所获得数据的问题。

这些数据可以通过移动通信网、互联网、企业内部网、各类专网、小型局域网等进行传输。

特别是在三网融合后，有线电视网也能承担物联网网络层的功能，有利于物联网的加快推进。

网络层所需要的关键技术包括长距离有线和无线通信技术、网络技术等。

应用层是物联网的"社会分工"-结合行业需求，实现广泛智能化。

应用层是物联网与行业专业技术的深度融合，结合行业需求实现行业智能化，这类似于人的社会分工。

应用层解决的是信息处理和人机交互的问题。

网络层传输而来的数据在这一层进入各类信息系统进行处理，并通过各种设备与人进行交互。

这一层也可按形态直观地划分为两个子层。

一个是应用程序层，进行数据处理，它涵盖了国民经济和社会的每一领域，包括电力、医疗、银行、交通、环保、物流、工业、农业、城市管理、家居生活等，其功能可包括支付、监控、安保、定位、盘点、预测等，可用于政府、企业、社会组织、家庭、个人等。

这正是物联网作为深度信息化的重要体现。

另一个是终端设备层，提供人机接口。

物联网虽然是"物物相连的网"，但最终是要以人为本的，还是需要人的操作与控制，不过这里的人机界面已远远超出现时人与计算机交互的概念，而是泛指与应用程序相连的各种设备与人的交互。

图1为物联网网络构架。

图1 物联网网络构架关键技术一、感知层传感器技术：感知物资信息RFID技术：智能识别微机电系统（MEMS）：采集信息GPS/GIS技术：全球定位/地理信息系统二、网络层无线传感器网络（WSN）技术Wi-Fi（Wireless Fidelity,无线保真技术）通信网、互联网、3G网络、IPV6（让世界的第一粒都拥有一个IP地址）GPRS网络（基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接）广电网络、NGB（下一代广播电视网）三、应用层企业资源计划（ERP：Enterprise Resource Planning）专家系统（Expert System)云计算（Cloud Computing）系统集成（System Integrate）行业应用（Industry Application）资源打包（Resource Package）应用领域1.城市市政管理应用2.农业园林3.医疗保健4.智能楼宇5.交通运输图2为物联网网络架构及物联网应用领域。

图2 物联网网络架构及物联网应用领域基于ZigBee的无线传感器网络物联网组网采用分层的通信系统架构，包括感知延伸系统、传输系统、业务运营管理系统和各种应用，在不同的层次上支持不同的通信协议。

无线传传感器网络简介电系统（MEMS)、片上系统（SOC）、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展,孕育出无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。

无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。

无线传感器网络是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，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。

它的英文是Wireless Sensor Network, 简称WSN。

大量的传感器节点将探测数据，通过汇聚节点经其它网络发送给了用户。

在这个定义中，传感器网络实现了数据采集、处理和传输的三种功能，而这正对应着现代信息技术的三大基础技术，即传感器技术、计算机技术和通信技术。

无线传感器网络(wireless sensor networks，WSN)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。

它综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信和分布式信息处理等技术，能够通过各类集成化的微型传感器协同完成对各种环境或监测对象的信息的实时监测、感知和采集，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会这三元世界的连通。

所谓无线传感器网络由大量部署在目标区域内的，具备感知、无线通信与计算能力的微小传感器节点所构成的分布式网络系统。

传感器网络节点的组成和功能包括如下四个基本单元：传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统以及节点应用程序等组成)、通信单元(由无线通信模块组成)、以及供电单元(电池、太阳能或其他方式)。

传感器网络可以根据当时的情况通过自组织方式构成动态的网络拓扑结构。

传感器网络节点间一般采用多跳的无线通信方式进行通信。

传感器网络可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到互联网，使用户可以远程访问。

无线网络技术按照传输范围来划分，可以分为无线广域网（WWAN），无线城域网（WMAN），无线局域网（WLAN）和无线个人域网（WPAN）。

其中的无线个人域网就是所谓的短距离无线网络，各种短距离无线传输技术层出不穷：蓝牙（Bluetooth）、ZigBee、Wi-Fi、无线USB，无载波通信技术（UWB）等, 其中蓝牙（Bluetooth）、UWB和ZigBee是最受产业界关注的三种标准。

Bluetooth 虽然成本低，成熟度高，具有多种规范，但是其传输距离有限，仅为10米，只能组成最多8个节点的星状网，电池也仅能维持数周。

UWB虽然可以实现高达几百Mbps的传输速率，但是其覆盖距离仅为10米，这决定了它主要被用作消费产品中的视频和高速数据解决方案，目前UWB没有网状网络能力。

Wi-Fi虽然传输速度可以达到11Mbps，传输距离达到100米，但是其价格相对教昂贵，且功耗大，组网能力差。

ZigBee技术专注于低成本，低功耗和低速率的无线通信市场，因此非常适合应用于物联网无线传感器网络中来。

ZigBee技术概述ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。

ZigBee协议规范使用了IEEE 802.15.4定义的物理层(PHY)和媒体介质访问层(MAC)，并在此基础上定义了网络层(NWK)和应用层(APL)架构。

基于ZigBee技术的无线传感器网络应用在ZigBee联盟和IEEE 802.15.4组织的推动下，结合其他无线技术可以实现无所不在的网络。

它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域具有极高的应用价值，而且在未来其应用更将扩展到涉及人类日常生活和社会生产活动的所有领域。

IEEE 802.15.4标准1.物理层(PHY)规范物理层定义了物理无线信道和与MAC 层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。

物理层数据服务是从无线物理信道上收发数据，物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。

物理层功能相对简单，主要是在硬件驱动程序的基础上，实现数据传输和物理信道的管理。

数据传输包括数据的发送和接收；管理服务包括信道能量监测(energy detect，ED)，链接质量指示(Link quality indication，LQI)和空闲信道评估(clear channel assessment,CCA)等。

2.媒体介质访问层(MAC)规范MAC 层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC 层管理服务。

前者保证MAC 协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，而后者从事MAC层的管理活动，并维护一个信息数据库。

MAC 层的主要功能包括如下7个方面：1.网络协调者产生并发送信标帧(beacon)；2.设备与信标同步；3.支持RAN 网络的关联(association)和取消关联(disassociation)操作4.为设备的安全性提供支持；5.信道接入方式采用免冲突载波检测多路访问(CSMA-CA)机制；6.处理和维护保护时隙(GTS)机制；7.在两个对等的MAC 实体之间提供一个可靠的通信链路。