（3）家用射頻（HomeRF）技術(shù)

　　家用射頻工作組（Home Radio Frequency Working Group，HomeRF WG）成立于1998年3月，是由美國家用射頻委員會領(lǐng)導的，首批成員包括：英特爾、IBM、康柏、3Com、飛利浦（Philips）、微軟、摩托羅拉等公司，其主旨是在消費者能夠承受的前提下，建設(shè)家庭中的互操作性語音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。家用射頻工作組于1998 年即制定了共享無線訪問協(xié)議（Shared Wireless Access Protocol SWAP），該協(xié)議主要針對家庭無線局域網(wǎng)。該協(xié)議的數(shù)據(jù)通信采用簡化的IEEE 802.11協(xié)議標準，沿用了以太網(wǎng)載波偵聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）技術(shù)；其語音通信采用DECT（Digital Enhanced Cordless Telephony）標準，使用時分多址（TDMA）技術(shù)。家用射頻工作頻段是2.4GHz，最初支持數(shù)據(jù)和音頻最大數(shù)據(jù)的傳輸速率為2Mbps，在新的家用射頻2.x 標準中采用了WBFH（Wide Band Frequency Hopping 寬帶跳頻）技術(shù)，增加跳頻調(diào)制功能，數(shù)據(jù)帶寬峰值可達10Mbps，已經(jīng)能夠滿足大部分應(yīng)用。

　　2000年左右家用射頻技術(shù)的普及率一度達到45%，但由于技術(shù)標準被控制在數(shù)十家公司手中，并沒有像紅外技術(shù)一樣開放，特別是802.11b標準的出現(xiàn)，從2001年開始，家用射頻的普及率驟然降至30%，2003年家用射頻工作組更是宣布停止研發(fā)和推廣，曾經(jīng)風光無限的家用射頻終于退出無線個域網(wǎng)的歷史舞臺，尤如曇花一現(xiàn)。

　　3. 路由及高層標準

　　在前面討論的底層標準的基礎(chǔ)之上，已經(jīng)出現(xiàn)了一些包括了路由及應(yīng)用層的高層協(xié)議標準，主要包括zigbee/IEEE 802.15.4、6LowPAN、IEEE1451.5（無線傳感通信接口標準）等，另外，Z-Wave聯(lián)盟、Cypress （Wireless USB傳感器網(wǎng)絡(luò)）等也推出了類似的標準，但是在專門為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的標準出來以前，zigbee無疑是最受寵愛的，也受到了較多的應(yīng)用廠商的推崇，這里簡單介紹一下。

　　（1） zigbee協(xié)議規(guī)范

　　zigbee聯(lián)盟成立于2001年8月，最初成員包括：霍尼韋爾（Honeywell）、Invensys、三菱（MITSUBISHI）、摩托羅拉和飛利浦等，目前擁有超過200多個會員。zigbee 1.0（Revision 7）規(guī)格正式于2004年12月推出，2006年12月，推出了zigbee 2006（Revision 13），即1.1版，2007年又推出了zigbee 2007 Pro，2008年春天又有一定的更新。zigbee技術(shù)具有功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、時延短、安全可靠、工作頻段靈活等諸多優(yōu)點，目前是被普遍看好的無線個域網(wǎng)解決方案，也被很多人視為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的事實標準。

　　zigbee聯(lián)盟對網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和應(yīng)用程序接口（Application Programming Interfaces，API）進行了標準化。zigbee協(xié)議棧架構(gòu)基于開放系統(tǒng)互連模型七層模型，包含IEEE 802.15.4標準以及由該聯(lián)盟獨立定義的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層協(xié)議。zigbee所制定的網(wǎng)絡(luò)層主要負責網(wǎng)絡(luò)拓撲的搭建和維護，以及設(shè)備尋址、路由等，屬于通用的網(wǎng)絡(luò)層功能范疇，應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層（Aplication Support Sub-layer，APS）、zigbee設(shè)備對象（zigbee Device Object，ZDO）以及設(shè)備商自定義的應(yīng)用組件，負責業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、安全與鑒權(quán)等。

　　另外，zigbee聯(lián)盟也負責zigbee產(chǎn)品的互通性測試與認證規(guī)格的制定。zigbee聯(lián)盟定期舉辦ZigFest活動，讓發(fā)展zigbee產(chǎn)品的廠商有一個公開交流的機會，完成設(shè)備的互通性測試；而在認證部分，zigbee聯(lián)盟共定義了3種層級的認證：第一級（Level 1）是認證物理層與介質(zhì)訪問控制層，與芯片廠有最直接的關(guān)系；第二級（Level 2）是認證zigbee 協(xié)議棧（Stack），又稱為zigbee兼容平臺認證（Compliant Platform Certification）；第三級（Level 3）是認證zigbee產(chǎn)品，通過第三級認證的產(chǎn)品才允許貼上zigbee的標志，所以也稱為zigbee標志認證（Logo Certification）。

　　協(xié)議芯片是協(xié)議標準的載體，也是最容易體現(xiàn)知識產(chǎn)權(quán)的一種形式。目前市場上出現(xiàn)了較多的zigbee芯片產(chǎn)品及解決方案，有代表性的包括：Jennic的JN5121/JN5139，Chipcon的CC2430/CC2431（被TI收購）及Freescale MC13192，Ember的EM250 zigbee等系列的開發(fā)工具及芯片，表 1對這些芯片指標進行了比較。

　　（2） IEEE 1451.5標準

　　除了以上兩種通用規(guī)范以外，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不同應(yīng)用領(lǐng)域，也正在醞釀著特定行業(yè)的專用標準，如電力水力、工業(yè)控制、消費電子、智能家居等。這里以工控領(lǐng)域為例簡單討論一下IEEE1451.X，當然工業(yè)標準紛繁復雜，最近正在制定專門面向工業(yè)自動化應(yīng)用的無線技術(shù)標準ISA SP100，有很多中國工業(yè)及學術(shù)界同仁努力參與了該標準的制定工作。

　　IEEE1451標準族是通過定義一套通用的通信接口，以使工業(yè)變送器（傳感器+執(zhí)行器）能夠獨立于通信網(wǎng)絡(luò)，并與現(xiàn)有的微處理器系統(tǒng)、儀表儀器和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)相連，解決不同網(wǎng)絡(luò)之間的兼容性問題，并最終能夠?qū)崿F(xiàn)變送器到網(wǎng)絡(luò)的互換性與互操作性。IEEE1451標準族定義了變送器的軟硬件接口，將傳感器分成兩層模塊結(jié)構(gòu)。第一層用來運行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用硬件，稱為網(wǎng)絡(luò)適配器（Network Capable Application Processor， NCAP）；第二層為智能變送器接口模塊（Smart Transducer Interface Module， STIM），其中包括變送器和電子數(shù)據(jù)表格TEDS。IEEE1451工作組先后提出了五項標準提案（IEEE1451.1—IEEE1451.5），分別針對了不同的工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場需求，其中IEEE1451.5為無線傳感通信接口標準。

　　IEEE1451.5標準提案于2001年6月最新推出，在已有的IEEE1451柜架下提出了一個開放的標準無線傳感器接口，以滿足工業(yè)自動化等不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。IEEE1451.5盡量使用無線的傳輸介質(zhì)，描述了智能傳感器與網(wǎng)絡(luò)適配器模塊之間的無線連接規(guī)范，而不是網(wǎng)絡(luò)適配器模塊與網(wǎng)絡(luò)之間的無線連接，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)適配器模塊與智能傳感器的IEEE 802.11、Bluetooth、zigbee無線接口之間的互操作性。IEEE1451.5提案的工作重點在于制定無線數(shù)據(jù)通信過程中的通信數(shù)據(jù)模型和通信控制模型。IEEE1451.5建議標準必須對數(shù)據(jù)模型進行具有一般性的擴展以允許多種無線通信技術(shù)可以使用，主要包括兩方面：一是為變送器通信定義一個通用的服務(wù)質(zhì)量（QOS）機制，能夠?qū)θ魏螣o線電技術(shù)進行映射服務(wù)，另外對每一種無線射頻技術(shù)都有一個映射層用來把無線發(fā)送具體配置參數(shù)映射到服務(wù)質(zhì)量機制中。關(guān)于該標準具體內(nèi)容，這里就不再詳細討論了。

　　（3）.6LowPan草案

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)從誕生開始就與下一代互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)聯(lián)，6LowPan（IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Network）就是結(jié)合這兩個領(lǐng)域的標準草案。該草案的目標是制定如何在LowPAN（低功率個域網(wǎng)）上傳輸IPv6報文。當前LowPAN采用的開放協(xié)議主要指前面提到的IEEE802.15.4 介質(zhì)訪問控制層標準，在上層并沒有一個真正開放的標準支持路由等功能。由于IPv6是下一代互聯(lián)網(wǎng)標準，在技術(shù)上趨于成熟，并且在LowPan上采用IPv6協(xié)議可以與IPv6網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無縫連接，因此互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF， Internet Engineering Task Force，）成立了專門的工作組制定如何在802.15.4協(xié)議上發(fā)送和接收IPv6報文等相關(guān)技術(shù)標準。

　　在802.15.4上選擇傳輸IPv6報文主要是因為現(xiàn)有成熟的IPv6技術(shù)可以很好地滿足LowPan互聯(lián)層的一些要求。首先在LowPan網(wǎng)絡(luò)里面很多設(shè)備需要無狀態(tài)自動配置技術(shù)，在IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)（Neighbor Discovery）協(xié)議里基于主機的多樣性已經(jīng)提供了兩種自動配置技術(shù)：有狀態(tài)自動配置與無狀態(tài)自動配置。另外在LowPan網(wǎng)絡(luò)中可能存在大量的設(shè)備，需要很大的IP地址空間，這個問題對于有著128位IP地址的IPv6協(xié)議不是問題；其次在包長受限的情況下，可以選擇IPv6的地址包含802.15.4介質(zhì)訪問控制層地址。

　　IPv6與802.15.4協(xié)議的設(shè)計初衷是應(yīng)用于兩個完全不同的網(wǎng)絡(luò)，這導致了直接在802.15.4上傳輸IPv6報文會有很多的問題。首先兩個協(xié)議的報文長度不兼容，IPv6報文允許的最大報文長度是1280字節(jié)，而在802.15.4的介質(zhì)訪問控制層最大報文長度是127字節(jié)。由于本身的地址域信息（甚至還需要留一些字節(jié)給安全設(shè)置）占用了25個字節(jié)，留給上層的負載域最多102個字節(jié)，顯然無法直接承載來自IPv6網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包；其次兩者采用的地址機制不相同，IPv6采用分層的聚類地址，由多段具有特定含義的地址段前綴與主機號構(gòu)成；而在802.15.4中直接采用64位或16位的扁平地址；另外，兩者設(shè)備的協(xié)議設(shè)計要求不同，在IPv6的協(xié)議設(shè)計時沒有考慮節(jié)省能耗問題。而在802.15.4很多設(shè)備都是電池供電，能量有限，需要盡量減少數(shù)據(jù)通信量和通信距離，以延長網(wǎng)絡(luò)壽命；最后，兩個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的優(yōu)化目標不同，在IPv6中一般關(guān)心如何快速地實現(xiàn)報文轉(zhuǎn)發(fā)問題，而在802.15.4中，如何在節(jié)省設(shè)備能量的情況下實現(xiàn)可靠的通信是其核心目標。

　　總之，由于兩個協(xié)議的設(shè)計出發(fā)點不同，要IEEE802.15.4支持IPv6數(shù)據(jù)包的傳輸還存在很多技術(shù)問題需要解決，如報文分片與重組、報頭壓縮、地址配置、映射與管理、網(wǎng)狀路由轉(zhuǎn)發(fā)、鄰居發(fā)現(xiàn)等，在這里就不再一一討論了。

　　4. 國內(nèi)標準化及國際化

　　近幾年來，國內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的標準化工作在全國信息技術(shù)標準化技術(shù)委員會（簡稱信標委）推動下，取得了較大進展。信標委經(jīng)過一年多的醞釀，于2005年11月29日組織國內(nèi)及海外華人專家，在中國電子技術(shù)標準化研究所召開了第一次“無線個域網(wǎng)技術(shù)標準研討會”，討論了無線個域網(wǎng)標準進展狀況、市場分析及標準制定等事宜，會議建議將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)納入無線個域網(wǎng)范疇，并成立了專門的興趣小組（另外還有低速無線個域網(wǎng)、超寬帶等興趣小組），自此中國無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標準化工作邁出了第一步。

　　工作組經(jīng)過國內(nèi)三十多個科研及產(chǎn)業(yè)實體近兩年的共同努力，先后組織了八次全國范圍的技術(shù)研討會，提出了低速無線個域網(wǎng)使用的780MHz（779-787 MHz） 專用頻段及相關(guān)技術(shù)標準，獲得國家無管委的正式批準（日本使用950MHz、美國使用915MHz）。針對該頻段，工作組提出了擁有自主產(chǎn)權(quán)的MPSK 調(diào)制編碼技術(shù)，擺脫了國外同類技術(shù)的專利束縛。2008年3月3日到4日，工作組對《信息技術(shù) 系統(tǒng)間遠程通信和信息交換 局域網(wǎng)和城域網(wǎng)特定要求第15.4部分：低速率無線個域網(wǎng)（WPAN）物理層和媒體訪問控制層規(guī)范》意見函進行了投票，并通過了780MHZ工作頻段采用MPSK和O-QPSK 調(diào)制編碼技術(shù)提案作為低速率無線個域網(wǎng)共同可選（Co-alternative）的物理層技術(shù)規(guī)范（MPSK和O-QPSK分別由中國和美國相關(guān)團體提出，并各自擁有知識產(chǎn)權(quán)），即LR-WPAN可以采用MPSK和OQPSK其中之一，或共同使用，并最終將形成IEEE 802.15.4c標準。另外，由中國及華人專家主要負責起草的包括了MAC/PHY兩層協(xié)議的IEEE 802.15.4e也在順利推進中（在IEEE 802.15.4—2006 介質(zhì)訪問控制中加入工業(yè)無線標準支持ISA SP-100.11a，并兼容IEEE 802.15.4c）。這是國內(nèi)標準化工作的一個重要進展，也是我國參與國際標準制定的重要一步。計算所是這個工作組的正式會員單位之一，參與了其中的一些工作。

　　最近，國內(nèi)及國際無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標準化工作又取得了新的發(fā)展。首先，國標委已正式批復無線傳感器網(wǎng)絡(luò)從無線個域網(wǎng)工作組中分離出來，成立了直屬于全國信息技術(shù)標準化管理委員會的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標準工作組（秘書處現(xiàn)掛靠微系統(tǒng)所，計算所作為其成員單位之一，將致力于該標準的制定工作）。工作組預計于2008年4月10日左右完成籌備工作，這標志著傳感器網(wǎng)絡(luò)的標準化工作向前邁進了一大步；其次，國際標準化組織也成立了ISO/IEC JTC1/SGSN研究小組，開始了傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)國際標準的制定。中國和美國、韓國、日本等國家一起作為重要成員單位參與其中。其第一次會議也將于2008年6月底在中國上海隆重召開。會議不但有國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍ζ渲腥舾申P(guān)鍵問題展開技術(shù)討論，也會有眾多從事傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的企業(yè)攜最新產(chǎn)品參加展覽。與此同時，各會員國將對傳感器網(wǎng)絡(luò)標準框架開展深入探討，為標準草案的詳細設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

　　標準是連接科研和產(chǎn)業(yè)的紐帶，而芯片正是標準的最直接的實現(xiàn)形式。參與標準化工作，特別是參與國際標準的制定，對提升我國產(chǎn)品的競爭力和技術(shù)水平，占領(lǐng)行業(yè)制高點，有著舉足輕重的作用。制定標準的最終目的還是為提升產(chǎn)業(yè)水平、滿足產(chǎn)品國際化、保護自主知識產(chǎn)權(quán)、兼容同類或配套產(chǎn)品等方面提供便利。如果我們能參與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的國內(nèi)和國際標準的制定，就會在本領(lǐng)域的芯片設(shè)計、方案提供及產(chǎn)品制造等方面獲得有力保障。系統(tǒng)芯片作為標準最直接的體現(xiàn)形式，將是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，不但是成本的主要決定因素，更是知識產(chǎn)權(quán)的主要體現(xiàn)形式。缺少產(chǎn)業(yè)的標準顯得蒼白無力，只是一紙空文；缺少芯片的標準制定顯得有名無實，只是紙上談兵。但是，目前國內(nèi)在芯片設(shè)計及產(chǎn)業(yè)化（特別是射頻芯片）方面的水平都較低，能力比較弱，這是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域亟需取得突破的兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。標準制定和通信芯片是目前傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的兩個不可或缺的方面。