無線傳感器網(wǎng)絡：一種低功耗、無線型應用

近年來，無線技術的爆炸式發(fā)展催生了多種工業(yè)、科學及醫(yī)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(wǎng)絡(WSN)便是一種最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(nóng)民正面臨著一個這樣的挑戰(zhàn)：如何對幾千頭牛的體溫進行日常監(jiān)控，以便防止諸如口蹄疫等危及其牛群生存的動物疾病發(fā)生。利用無線技術，在每頭牛的身上安裝一個帶有無線發(fā)射器的溫度傳感器，將其體溫讀取數(shù)據(jù)發(fā)射至一個主端子便可以輕松地克服這些挑戰(zhàn)。這是一個WSN的簡單例子，其表明無線技術的使用可以節(jié)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(yè)科學及醫(yī)療頻帶概況
ISM頻帶是無須授權、任何人均可使用頻譜的一部分。在ISM頻帶開發(fā)產(chǎn)品的唯一要求遵守這部分頻譜的一些規(guī)定。這些規(guī)定因國家不同而各異。在美國，聯(lián)邦通信委員會(FCC)負責制定這些規(guī)定，而在歐洲“歐洲電信標準研究所(ETSI)”才是監(jiān)管機構。“FCC條例”第15部分規(guī)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(jiān)管機構。

圖1 工作在ISM頻帶的不同無線標準

2.4GHz頻帶和幾種1GHz以下頻帶是今天最廣泛使用的ISM 頻率空間。由于2.4GHz頻帶如此的紛繁雜亂，一些產(chǎn)品研發(fā)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，最普遍的剩余頻帶為902～928MHz，而在歐洲大多數(shù)無線通信活動都集中在868MHz頻率范圍內。

當需要與其他系統(tǒng)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(chǎn)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(xiàn)與其他系統(tǒng)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(jù)不同的頻率、目標數(shù)據(jù)速率、距離，以及互操作性的理想水平，新出現(xiàn)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(chǎn)品開發(fā)時最常使用的一些標準。

無線傳感器網(wǎng)絡概況
很明顯，“智能”環(huán)境代表了建筑、公共事業(yè)、工業(yè)、家庭、交通運輸和農(nóng)業(yè)下一個演變發(fā)展階段。因此，人們對WSN的關注度正在穩(wěn)步上升。一個WSN由許多分布于某個地理區(qū)域的傳感器組成。

WSN一般都包括一臺主機或者“網(wǎng)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(shù)據(jù)收集工作在無線傳感器節(jié)點完成，被壓縮后，直接傳輸給網(wǎng)關，或者如果有要求，也可以利用其他無線傳感器節(jié)點來將數(shù)據(jù)傳遞給網(wǎng)關。之后，網(wǎng)關保證該數(shù)據(jù)是系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)。

每個無線傳感器都被看作一個節(jié)點，擁有無線通信能力，同時還具有一定的信號處理與網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的智能。根據(jù)應用的類型，每個節(jié)點都可以有一個指定的地址。圖2顯示了某個節(jié)點的通用結構圖。它一般會包括一個傳感裝置、一個數(shù)據(jù)處理微控制器，以及一個無線連接RF模塊。根據(jù)不同的網(wǎng)絡定義，RF模塊可以起到一個簡單發(fā)射器或者收發(fā)器 (TX/RX)的作用。進行節(jié)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。

圖2 一個WSN節(jié)點的通用結構圖

圖3顯示了家庭環(huán)境中應用的一個WSN。在這種網(wǎng)絡中，我們可以觀察到不同類型的傳感器，例如，運動檢測器、散熱器、溫度監(jiān)控，等等。

圖3 家庭環(huán)境中使用的WSN

WSN針對4種主要目標：

1 讀取給定位置的一些參數(shù)值，并將其發(fā)送給主處理中心。在農(nóng)業(yè)應用環(huán)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(jiān)控。

2 監(jiān)控某些事件的發(fā)生，例如，在醫(yī)療應用中，對血壓和脈搏以及心律峰值進行監(jiān)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(huán)境中。

WSN中使用的兩種主要拓撲結構：
A) 星狀網(wǎng)絡：如圖4所示，星狀網(wǎng)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(jié)點。如果低功耗和低軟件開銷為關鍵參數(shù)，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(jié)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(xiàn)這種拓撲結構。藍牙、IEEE 802.15.4或者專有系統(tǒng)為使用最為廣泛的一些標準。注意，由于一些藍牙協(xié)議的局限性，藍牙平臺并未獲得廣泛的接受。

圖4 WSN 應用的星形網(wǎng)絡拓撲結構

B) 網(wǎng)狀網(wǎng)絡：在網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結構中，如圖5所示，節(jié)點與許多冗余互連連接在一起。如果某個節(jié)點故障，有許多其他方法讓兩個節(jié)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(xiàn)。

圖5 WSN應用中所使用的網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲

結論
WSN每天都在發(fā)展，而隨之出現(xiàn)的新標準也越來越多。然而，需要注意的是大多數(shù)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?shù)?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(wǎng)絡需求，以便滿足電流消耗、最大允許節(jié)點數(shù)、電池壽命、數(shù)據(jù)速率和工作頻率等關鍵要求。