淺談無線傳感器技術(shù)的選擇

無線傳感器和傳感器網(wǎng)絡(luò)，是具有非常廣泛的市場前景，將會(huì)給人類的生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)影響的新技術(shù)。美國的《技術(shù)評(píng)論》雜志在論述未來新興十大技術(shù)時(shí)，更是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項(xiàng)未來新興技術(shù)，《商業(yè)周刊》 預(yù)測的未來四大新技術(shù)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列入其中。

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著十分廣泛的應(yīng)用前景，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療，數(shù)字家庭，綠色節(jié)能，智慧交通等傳統(tǒng)和新興領(lǐng)域有具有巨大的運(yùn)用價(jià)值，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將無處不在，將完全融入我們的生活。圖一是無線傳感器應(yīng)用示意。

    由于無線傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)巨大的市場和應(yīng)用前景，所以目前全世界許多公司都推出了各自的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。這些技術(shù)百花齊放，各有千秋，但是這些技術(shù)之間，幾乎不能相互兼容和互通。 

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本架構(gòu)包括三部分，第一部分是無線收發(fā)芯片，其職責(zé)是將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為高頻無線信號(hào)傳送出去和將接收到的高頻無線信號(hào)恢復(fù)成數(shù)字信息。無線傳感器收發(fā)芯片而言，IEEE 802.15.4能為無線傳感器應(yīng)用提供最佳方案，這是因?yàn)镮EEE 802.15.4規(guī)范可能是主要且可能唯一的實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)。目前全球有多家公司提供這方面的收發(fā)芯片。像TI公司的CC2420/CC2520等芯片都特別適用于鈕扣電池和低電能應(yīng)用的低功耗特性。

典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或者路由器

    實(shí)現(xiàn)一個(gè)典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和路由器，可以采用多芯片方案，由一個(gè)無線收發(fā)芯片和一個(gè)微控制器（單片機(jī)）組成，微處理器可以采用低功耗的MSP430，無線芯片可以采用CC2520/CC2420等。

    隨著技術(shù)不斷發(fā)展，已經(jīng)有越來越多的公司，將無線收發(fā)器芯片和微控制器和無線收發(fā)器做成了一個(gè)片上系統(tǒng)（SoC），例如TI公司采用8051內(nèi)核的 CC2430/CC2431等ZigBee無線單片機(jī)，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)計(jì)算能力提高要求，最近Freescale公司也推出了ARM內(nèi)核的32位 ZigBee無線單片機(jī)。使用這些SoC無線單片機(jī)設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將使無線傳感器節(jié)點(diǎn)具有更小的體積，更低的功耗和更低的價(jià)格；TI公司在國內(nèi)的技術(shù)合作伙伴無線龍科技公司等，也同時(shí)提供這些芯片，開發(fā)工具的相關(guān)技術(shù)支持。

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架第二部分是運(yùn)行于單片機(jī)或者無線單片機(jī)內(nèi)部的嵌入式軟件，也稱軟件協(xié)議棧（network stack），網(wǎng)絡(luò)堆棧有兩個(gè)職責(zé)。首先它必須要處理節(jié)點(diǎn)間的無線鏈接通信質(zhì)量的頻繁變化和環(huán)境因數(shù)對(duì)無線通訊造成的干擾，具有對(duì)網(wǎng)絡(luò)自組織，自恢復(fù)的能力；網(wǎng)絡(luò)堆棧的第二個(gè)職能是要具有很強(qiáng)的路由算法能力，確保信息可靠高效地通過各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌ㄐ菭?網(wǎng)狀等等）從源節(jié)點(diǎn)（如果現(xiàn)有，可以通過成百上千路由節(jié)點(diǎn)）發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。確保通訊的實(shí)時(shí)性要求。

    ZigBee聯(lián)盟是由眾多技術(shù)供應(yīng)商和開發(fā)商組成的獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)組織。也是目前世界是最大的，基于IEEE 802.15.4平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)軟件協(xié)議棧標(biāo)準(zhǔn)提供聯(lián)盟。

    該組織從ZigBee2004、ZigBee2006、ZigBee2007不斷發(fā)展，目前提供的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)棧是：ZigBee和ZigBee PRO。從使用角度看ZigBee堆棧很適合一般包含十到幾百個(gè)節(jié)點(diǎn)的小型網(wǎng)絡(luò)。而ZigBee PRO是ZigBee超集，它增加了一些功能，可對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展并更好地應(yīng)對(duì)來自其他技術(shù)的無線干擾，而且可以適應(yīng)更大型的網(wǎng)絡(luò)和具有更加可靠的路由通訊算法和無線通訊可靠性。

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架第三部分應(yīng)用軟件，這部分包括各種根據(jù)用戶現(xiàn)有開發(fā)的軟件代碼，這些代碼目前大部分是采用C語言來進(jìn)行開發(fā)，可以之間以接口和API方式，調(diào)用軟件協(xié)議棧的功能。

    在多種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，我們認(rèn)為采用802.15.4國際標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee技術(shù)，作為我們設(shè)計(jì)無線傳感器系統(tǒng)的起步，有如下優(yōu)點(diǎn)：

•     兼容一個(gè)全球化的可靠的國際標(biāo)準(zhǔn)。
•     可以通過TI、 Freescale這樣的大型芯片供應(yīng)商。獲得穩(wěn)定的無線收發(fā)芯片和無線單片機(jī)來源，也可以獲得免費(fèi)的ZigBee協(xié)議棧和相關(guān)源代碼，降低開放門檻。
•     能夠采用KEIL和IAR這樣的高性能軟件編譯調(diào)試環(huán)境，可以大大加快開放速度，縮短上市周期。