怎樣建立實(shí)用的低功耗、高可靠性無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

這里有一些主要的設計約束條件：如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò )將包括眾多節點(diǎn)，那么每個(gè)節點(diǎn)的成本必須很低(目前大約要低于5美元，將來(lái)會(huì )更低)，而且事實(shí)上要免維護。由于有些節點(diǎn)很可能會(huì )位于難以接近的位置，因此能夠由廉價(jià)的鈕扣電池供電工作幾個(gè)月甚至幾年也變得非常關(guān)鍵?，F在已有技術(shù)能夠滿(mǎn)足以上的條件。由ZigBee聯(lián)盟所倡導的基于IEEE802.1.4標準的技術(shù)解決方案就是其中之一。還有很多專(zhuān)有技術(shù)也已被多方采用，其中包括Dynastream公司的技術(shù)，即ANT。

實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )必須解決的技術(shù)難題包括：怎樣避免節點(diǎn)間和來(lái)自其它射頻源的干擾；網(wǎng)絡(luò )的擴展升級問(wèn)題；可以承載的節點(diǎn)數目；節點(diǎn)是否可以按需隨時(shí)(ad hoc)地加入網(wǎng)絡(luò )而不需對網(wǎng)絡(luò )的其他部分進(jìn)行再配置；所需帶寬；怎樣盡量減小功耗；所需的微處理器資源。

圖：(a) 該種網(wǎng)絡(luò )常被稱(chēng)作星狀網(wǎng)(Star Network)，形象地表示出一個(gè)中心節點(diǎn)與它周?chē)濣c(diǎn)的通訊關(guān)系；(b) 星狀網(wǎng)可與其它星狀網(wǎng)連接從而形成更復雜的系統，常被稱(chēng)作樹(shù)狀網(wǎng)或集群網(wǎng)。

實(shí)際上，所有的實(shí)用網(wǎng)絡(luò )問(wèn)題都可以由較簡(jiǎn)單的預先確定好的網(wǎng)絡(luò )結構來(lái)解決。其中最簡(jiǎn)單的結構就是點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )，即一個(gè)節點(diǎn)與另一個(gè)節點(diǎn)通訊。而復雜一些的網(wǎng)絡(luò )將包括許多發(fā)送信息的外圍節點(diǎn)和一個(gè)接收信息的接收節點(diǎn)。在健身和保健領(lǐng)域，這類(lèi)網(wǎng)絡(luò )得到了主要應用和驗證。如圖1(a)所示，一位騎車(chē)者佩帶著(zhù)運動(dòng)手表(節點(diǎn)1)，而節點(diǎn)2是GPS定位器，節點(diǎn)3是速度計，節點(diǎn)4時(shí)心率監測器。節點(diǎn)2、3和4同時(shí)通過(guò)各自專(zhuān)有的信道A、B和C與運動(dòng)手表保持通訊。這種類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )常被稱(chēng)作星狀網(wǎng)(Star Network)，形象地表示出一個(gè)中心節點(diǎn)與它周?chē)濣c(diǎn)的通訊關(guān)系。星狀網(wǎng)可與其它星狀網(wǎng)連接從而形成更復雜的系統，常被稱(chēng)作樹(shù)狀網(wǎng)(Tree Network)或集群網(wǎng)(Cluster Network)(如圖1b所示)。這一類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )不僅被用于體育和運動(dòng)領(lǐng)域，還可被用在其它許多領(lǐng)域，譬如新興的醫療檢測設備，家庭自動(dòng)化和工業(yè)控制等。這些例子表明絕大多數實(shí)際中的網(wǎng)絡(luò )，在節點(diǎn)功能等同的條件下，不必要求每個(gè)節點(diǎn)都與其相鄰的節點(diǎn)通訊。

實(shí)用的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )必須低成本，抗干擾(來(lái)自其它射頻源，包括臨近節點(diǎn))，性能可靠并且低功耗。每個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)都需要硬件來(lái)驅動(dòng)。這個(gè)硬件作為網(wǎng)絡(luò )的物理層(PHY)由一個(gè)無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片和與之相配的微處理器構成。物理層支持一個(gè)協(xié)議棧和一個(gè)應用層，構成了一套特殊指令集用于網(wǎng)絡(luò )的應用。

通訊協(xié)議可能是保證實(shí)際無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )如愿運行的最關(guān)鍵因素。它通過(guò)建立共存、數據表述、信令、鑒權和糾錯等標準規則，來(lái)決定節點(diǎn)間的無(wú)線(xiàn)互聯(lián)通訊。

要選擇無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，有一種方法就是比較它們的功效，即數據包的開(kāi)銷(xiāo)(與特定節點(diǎn)建立通訊并決定數據怎樣可靠傳遞所需的信息)和有效載荷(真正有用的數據)的比率。除此之外，還有另外幾點(diǎn)需要考慮。其中的關(guān)鍵包括無(wú)線(xiàn)收發(fā)部分本身的帶寬和硬件效率，再加上通訊管理，即通訊時(shí)的物理層效率。在給定數據量的前提下，無(wú)線(xiàn)收發(fā)部分的帶寬廣義上與發(fā)射機需要保持在高能耗信息發(fā)射狀態(tài)的時(shí)間長(cháng)短相關(guān)。理論上，越寬的帶寬，發(fā)射數據的速度越快，而無(wú)線(xiàn)發(fā)射部分必須在休眠狀態(tài)以外的時(shí)間就越短。在實(shí)際應用中，增加帶寬要消耗功率。一般認為最佳的折衷點(diǎn)在1Mbps，超過(guò)這個(gè)帶寬，所得的收益反而不敷所增加的功率損耗了。

但是所有無(wú)線(xiàn)收發(fā)硬件效率所帶來(lái)的功率節省卻很容易被一個(gè)效率低下的物理層所拖累。無(wú)線(xiàn)收發(fā)部分在“開(kāi)”的狀態(tài)所消耗的電能比“關(guān)”的狀態(tài)高幾個(gè)數量級，所以“開(kāi)”狀態(tài)對整個(gè)功率消耗會(huì )產(chǎn)生最大的影響，所以真正的挑戰是如何讓無(wú)線(xiàn)收發(fā)部分盡量處在最低功耗的關(guān)機狀態(tài)。

確定一個(gè)好的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片和高效的協(xié)議只是設計實(shí)用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的工作的一部分。無(wú)論你的網(wǎng)絡(luò )包含兩個(gè)、十個(gè)甚至上百個(gè)節點(diǎn)，最大的挑戰還是怎樣把這些節點(diǎn)連成可靠并可擴展升級的網(wǎng)絡(luò )。

要實(shí)現這樣的目標，關(guān)鍵是選擇這樣一種技術(shù),其所有網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)在物理連接層上具有等同的功能，從而在實(shí)際無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中既能作為“從”節點(diǎn)又能作為“主”節點(diǎn)，而且可在任何時(shí)間改變角色。換句話(huà)說(shuō)，這些節點(diǎn)應該有能力作為發(fā)射方、接收方或發(fā)射接收方來(lái)建立通向其它節點(diǎn)的通路。在此基礎上，每個(gè)節點(diǎn)還應該有能力跟據相鄰節點(diǎn)的行為來(lái)確定發(fā)送信息的最佳時(shí)間。上述這些性能結合起來(lái)，意味著(zhù)對于任何拓撲結構的網(wǎng)絡(luò )，按需隨時(shí)地加進(jìn)一個(gè)節點(diǎn)是容易做到的。

建設一個(gè)執行實(shí)際功能的網(wǎng)絡(luò )不僅僅要求節點(diǎn)互通，節點(diǎn)還要經(jīng)過(guò)配置來(lái)執行具體的功能，選擇適當的技術(shù)，這種功能配置會(huì )是相當的容易。設置、測試和調試都通過(guò)電腦圖形用戶(hù)界面來(lái)進(jìn)行，就連不是專(zhuān)家的人也可在幾小時(shí)而不是幾天內完成。

超低功耗是實(shí)用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的基本要求。為了最大限度的減少維護，供電的鈕扣電池(例如CR2032，標稱(chēng)容量220mAh，峰值電流25mA)需要能夠維持網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)正常運轉幾個(gè)月，最好幾年。例如由Dynastream公司開(kāi)發(fā)的ANT技術(shù)，它運轉在Nordic半導體公司生產(chǎn)的2.4GHz無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片上。對于一個(gè)每天工作一小時(shí)，每秒發(fā)送8字節數據的應用(例如位于足部的速度距離監測器與運動(dòng)手表間的通訊)，發(fā)射端與接收端的電池壽命分別是6.4年和5.6年。這個(gè)結果大大優(yōu)于目前商用化的ZigBee解決方案。

與當代其它使用2.4GHz的無(wú)線(xiàn)技術(shù)一樣，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )也工作在這個(gè)日益擁擠的頻段。其網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)要送達信息，就必須與Wi-Fi、藍牙、無(wú)繩電話(huà)以及其它網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)來(lái)競爭，干擾規避策略是至關(guān)重要的。在2.4GHz頻段，目前有三種公認的技術(shù)用來(lái)盡量減少設備受干擾的影響。一個(gè)是時(shí)隙分配方案。一個(gè)是直接序列擴頻(DSSS)，例如ZigBee所采用的技術(shù)。再有就是跳頻擴頻(FHSS)，例如藍牙所采用的技術(shù)。

使用DSSS和FHSS技術(shù)能達到目的，但是要求接收和發(fā)射端同步工作。在FHSS技術(shù)中，這樣才能確保設備同時(shí)調整到相同的一段窄帶頻譜上。而在DSSS技術(shù)中，同步確保頻帶壓縮使用與頻帶擴展相同的偽隨機序列。同步的要求增加了網(wǎng)絡(luò )的復雜性以及功耗。雖然在不需通訊時(shí)可以關(guān)掉同步部分以節省電能，但重新獲得同步卻要花費幾秒時(shí)間并消耗更多的能量。

ANT的專(zhuān)有技術(shù)使用了一種自適應等時(shí)網(wǎng)絡(luò )方案。它利用了設備中無(wú)線(xiàn)收發(fā)部分只用極短時(shí)間發(fā)送信息(每條信息小于150μs)這一特點(diǎn)，使得一個(gè)單一信道可被分隔成許多時(shí)隙。信息發(fā)送周期決定了到底劃分幾個(gè)時(shí)隙。在實(shí)際運轉中，發(fā)射端以正常的間隔發(fā)送信息。但當在這個(gè)特別的時(shí)隙檢測到相鄰節點(diǎn)的干擾時(shí)，發(fā)射端會(huì )進(jìn)行調整直到找到一個(gè)沒(méi)有干擾的時(shí)隙。假如射頻環(huán)境更加擁擠，ANT系統具有的頻率捷變能力使得應用微處理器能夠控制發(fā)射頻率跳變到另外一個(gè)屬于2.4GHz的1MHz頻段上。