無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用市場(chǎng)和解決方案

背景

我們生活在一個(gè)布滿(mǎn)傳感器的世界里。在我們工作的大廈中，安放了用于監視溫度、占用情況、煙霧和火、以及安全的傳感器。我們的座駕所包含的傳感器即使沒(méi)有幾百個(gè)，至少也有數十個(gè)，它們負責監測引擎性能、制動(dòng)和乘客安全設備 … 等等。制造環(huán)境也需要傳感器，因為您無(wú)法控制自己所不能測量的參數。在制造產(chǎn)品的同時(shí)要滿(mǎn)足安全、質(zhì)量和效率目標必須使用大量的傳感器。

在過(guò)去不長(cháng)的幾十年里，傳感器的尺寸大為縮小，同時(shí)價(jià)格和功率也有所降低，這部分得益于摩爾定律 (Moore’s Law) 和 MEMS 革命的推動(dòng)。不幸的是，傳感器的安裝成本卻沒(méi)有同步下降。與用于傳輸電力和數據的電線(xiàn)布設成本相比，傳感器本身的成本通常就是“小菜一碟”了。以離我們最近的電燈開(kāi)關(guān)為例：即使在新的建筑物中，一個(gè)價(jià)值1美元的開(kāi)關(guān)其電線(xiàn)排布成本也可達到50美元，其中大部分是人工費用。而如果想把這個(gè)開(kāi)關(guān)移到相鄰的墻壁，那么這種翻新改造的代價(jià)則高得多了。在工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化中，可接受的經(jīng)驗法則是：安裝一個(gè)傳感器的成本為10000美元，即使只是一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)也不例外。在這種造價(jià)昂貴的環(huán)境中，許多傳感器只是將數據報告給一個(gè)局部控制器 —— 當安裝有幾百或幾千個(gè)傳感器時(shí)，幾乎或根本無(wú)法獲知“全局”。人們需要的是一種廉價(jià)和可靠的網(wǎng)絡(luò )傳感器方式。

幾乎從馬可尼 (Marconi) 時(shí)代起，人們就已經(jīng)開(kāi)始使用無(wú)線(xiàn)方式傳輸來(lái)自傳感器的數據，獲得了復雜的結果。傳統上，此類(lèi)鏈路采用線(xiàn)路供電并且是點(diǎn)對點(diǎn)型的，常常具有因環(huán)境條件而致的時(shí)變可靠性。這雖然適合于某些應用，然而對于多數應用而言局限性卻很大。

應用市場(chǎng)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用市場(chǎng)包括樓宇自動(dòng)化、工業(yè)控制、家庭自動(dòng)化、智能電網(wǎng)和自動(dòng)化計量基礎設施 、工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化、環(huán)境監測、泊車(chē)與交通基礎設施、能耗監測和庫存管理。

在大多數場(chǎng)合，這些都是雙向不對稱(chēng)數據收集應用，大量的檢測點(diǎn)將數據發(fā)送至一個(gè)中央主機，該中央主機可利用一個(gè)過(guò)程設定點(diǎn)或其他配置變更做出響應。

技術(shù)選擇

從理想的角度來(lái)說(shuō)，客戶(hù)當然希望擁有這樣一種技術(shù)：成本低、可不受限制地安放傳感器、以低延遲可靠地接收周期性數據、并在不更換電池的情況下于設備的使用期限內連續運行。近期的技術(shù)進(jìn)步使我們能夠在許多市場(chǎng)上提供上述特性。

為擔負這項任務(wù)，有多種技術(shù)正在展開(kāi)競爭，包括衛星、蜂窩、Wi-Fi 以及一系列基于 IEEE 802.15.4 無(wú)線(xiàn)標準的解決方案。這些技術(shù)可幫助用戶(hù)組建用于收集傳感器數據的 WSN。

衛星和蜂窩技術(shù)是許多應用的合適之選，但它們每個(gè)數據包的能源成本是最高的。而且，數據包月費用也令人望而卻步 (雖然這種情況隨著(zhù)運營(yíng)商們推出適合相對稀疏數據流量的收費模式而有可能得到一定的改觀(guān))。再有，覆蓋范圍也會(huì )是一個(gè)問(wèn)題。顯然，衛星或蜂窩電話(huà)信號很難走出阻礙嚴重的建筑物，而傳感器通常并不能夠左右移動(dòng)并詢(xún)問(wèn)“現在您能聽(tīng)到嗎?”。不過(guò)，對于那些具有上佳連通性并以非常低數據速率 (例如：每天傳送一個(gè)數據包) 發(fā)送信息的應用而言，衛星或蜂窩技術(shù)是十分有用的。

Wi-Fi (IEEE 802.11b, g) 傳感器目前得到了廣泛的使用。Wi-Fi 數據包的能源成本遠低于蜂窩技術(shù)，而且沒(méi)有數據的經(jīng)常性費用。連通性和覆蓋范圍仍然是重要的問(wèn)題，因為與移動(dòng)人性化系統的需要相比，利用一個(gè)固定傳感器實(shí)現可靠通信所需的接入點(diǎn)密度通常會(huì )更高。

在參考 OSI 分層模型的基礎上，802.15.4 標準定義了一個(gè)針對短程、低功率操作的物理層 (PHY) 和媒體接入控制 (MAC) 層，非常適用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。該無(wú)線(xiàn)標準具有相對較低的數據速率 (至 250kbps 以下);數據包簡(jiǎn)短 (128 字節) 且為低能耗。例如：發(fā)送幾個(gè)字節的傳感器數據以及路徑、加密、和其他標頭所需的時(shí)間少于 1ms。這過(guò)程采用少于 30µC 的電荷，包括接收一個(gè)安全鏈路層確認信號。傳感器能發(fā)送來(lái)自方鄰傳感器的無(wú)線(xiàn)數據包，從而擴展了網(wǎng)絡(luò )的覆蓋范圍 ，并使網(wǎng)絡(luò )擁有了針對任何單無(wú)線(xiàn)鏈路故障的免疫力。