無線傳感器網絡：低功耗與無線型應用

　　摘要：近年來，無線技術的爆炸式發展催生了多種工業、科學及醫療（ISM）頻帶無線標準。由于有了這些新標準，各種無線應用滲透到我們日常生活的方方面面。毫無疑問，無線傳感器網絡（WSN）便是一種zui為受益于這些標準的重要應用。 工業科學及醫療頻帶概況

　　近年來，無線技術的爆炸式發展催生了多種工業、科學及醫療（ISM）頻帶無線標準。由于有了這些新標準，各種無線應用滲透到我們日常生活的方方面面。毫無疑問，無線傳感器網絡（WSN）便是一種zui為受益于這些標準的重要應用。

　　我們可以設想有一位美國中西部的農民正面臨著一個這樣的挑戰：如何對幾千頭牛的體溫進行日常監控，以便防止諸如口蹄疫等危及其牛群生存的動物疾病發生。利用無線技術，在每頭牛的身上安裝一個帶有無線發射器的溫度傳感器，將其體溫讀取數據發射至一個主端子便可以輕松地克服這些挑戰。這是一個WSN的簡單例子，其表明無線技術的使用可以節省大量的時間和成本。本文將簡單介紹ISM頻帶和WSN，以及支持它們的一些無線標準。

　　工業科學及醫療頻帶概況

　　ISM頻帶是無須*、任何人均可使用頻譜的一部分。在ISM頻帶開發產品的*要求遵守這部分頻譜的一些規定。這些規定因國家不同而各異。在美國，聯邦通信委員會（FCC）負責制定這些規定，而在歐洲“歐洲電信標準研究所（ETSI）”才是監管機構。“FCC條例”第15部分規定了美國的頻帶要求。圖1說明了各種頻率和頻帶，并列出了相應的監管機構。

　　2.4GHz頻帶和幾種1GHz以下頻帶是今天zui廣泛使用的ISM 頻率空間。由于2.4GHz頻帶如此的紛繁雜亂，一些產品研發活動正在轉向5GHz頻帶但由于存在有效通信距離問題這一趨勢仍然非常有限。 2.4GHz是一種通用頻帶，而分配給低功耗無線應用的1GHz以下頻帶在不同國家存在不同的情況。在美國，zui普遍的剩余頻帶為902～928MHz，而在歐洲大多數無線通信活動都集中在868MHz頻率范圍內。

　　當需要與其他系統通用，以及在不同地理空間中工作運行是一個關鍵問題時，我們推薦使用2.4GHz頻帶。使用2.4GHz頻帶的主要缺點是其擁擠的空間，以及由于2.4GHz頻率較差的傳輸特性所帶來的有限通信距離。

　　選擇在1GHz以下頻帶設計產品有助于解決在2.4GHz頻帶面臨的一些問題；然而，1GHz以下頻帶也存在一些其自身的局限性：

　　1 受限占空比

　　2 無法實現與其他系統的互操作性

　　3 不同地理空間工作限制（例如，針對美國902～928MHz頻帶設計的無線儀表無法在歐洲正常工作）

　　根據不同的頻率、目標數據速率、距離，以及互操作性的理想水平，新出現了幾種工作在ISM頻率空間中的標準。圖1顯示了無線工程師進行產品開發時zui常使用的一些標準。

　　無線傳感器網絡概況

　　很明顯，“智能”環境代表了建筑、公共事業、工業、家庭、交通運輸和農業下一個演變發展階段。因此，人們對WSN的關注度正在穩步上升。一個WSN由許多分布于某個地理區域的傳感器組成。

　　無線傳感器工作原理

　　WSN一般都包括一臺主機或者“網關”，其通過一個無線電通信鏈路與大量無線傳感器進行通信。數據收集工作在無線傳感器節點完成，被壓縮后，直接傳輸給網關，或者如果有要求，也可以利用其他無線傳感器節點來將數據傳遞給網關。之后，網關保證該數據是系統的輸入數據。

　　每個無線傳感器都被看作一個節點，擁有無線通信能力，同時還具有一定的信號處理與網絡數據的智能。根據應用的類型，每個節點都可以有一個的地址。下圖顯示了某個節點的通用結構圖。它一般會包括一個傳感裝置、一個數據處理微控制器，以及一個無線連接RF模塊。根據不同的網絡定義，RF模塊可以起到一個簡單發射器或者收發器（TX/RX）的作用。進行節點設計時，注意電流消耗和處理能力非常的重要。微控制器的內存非常依賴于所使用的軟件棧。

　　WSN針對4種主要目標：

　　1 讀取給定位置的一些參數值，并將其發送給主處理中心。在農業應用環境中，例如，前面介紹的牛群等，讀取每頭牛的體溫可幫助確定哪一頭牛需要更密切的監控。

　　2 監控某些事件的發生，例如，在醫療應用中，對血壓和脈搏以及心律峰值進行監控。

　　3 對具體物體的運動進行跟蹤，廣泛應用于軍事領域中，以跟蹤敵方車輛。

　　4 幫助分類探測對象，特別是在交通控制應用環境中。

　　WSN中使用的兩種主要拓撲結構：

　　A）星狀網絡：如圖4所示，星狀網絡由一個點對多點無線連接組成，其一臺單主機以雙向或者單向方式連接至幾個節點。如果低功耗和低軟件開銷為關鍵參數，則這種拓撲結構非常值得關注。其存在的局限性是有效通信距離，因為每個節點都要在主機通信距離范圍以內。有幾種標準可以用于實現這種拓撲結構。藍牙、IEEE802.15.4或者專有系統為使用的一些標準。注意，由于一些藍牙協議的局限性，藍牙平臺并未獲得廣泛的接受。
　　B）網狀網絡：在網狀網絡拓撲結構中，如圖5所示，節點與許多冗余互連連接在一起。如果某個節點故障，有許多其他方法讓兩個節點進行通信。這種拓撲具有較好的可靠性，但在電流消耗和軟件開銷方面付出代價非常大。這種拓撲結構可以通過所有權或者Zigbee標準來實現。
結論

　　WSN每天都在發展，而隨之出現的新標準也越來越多。然而，需要注意的是大多數這些標準都還沒有達到成熟的水平。相反，它們都還處在剛剛起步的階段。一位嚴謹的WSN設計工程師會在架構以及特定標準的能力方面深入研究其網絡需求，以便滿足電流消耗、zui大允許節點數、電池壽命、數據速率和工作頻率等關鍵要求。