無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )：一種低功耗、無(wú)線(xiàn)型的應用

近年來(lái)，無(wú)線(xiàn)技術(shù)的爆炸式發(fā)展催生了多種工業(yè)、科學(xué)及醫療（ISM）頻帶無(wú)線(xiàn)標準。由于有了這些新標準，各種無(wú)線(xiàn)應用滲透到我們日常生活的方方面面。毫無(wú)疑問(wèn)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（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民正面臨著(zhù)一個(gè)這樣的挑戰：如何對幾千頭牛的體溫進(jìn)行日常監控，以便防止諸如口蹄疫等危及其牛群生存的動(dòng)物疾病發(fā)生。利用無(wú)線(xiàn)技術(shù)，在每頭牛的身上安裝一個(gè)帶有無(wú)線(xiàn)發(fā)射器的溫度傳感器，將其體溫讀取數據發(fā)射至一個(gè)主端子便可以輕松地克服這些挑戰。這是一個(gè)WSN的簡(jiǎn)單例子，其表明無(wú)線(xiàn)技術(shù)的使用可以節省大量的時(shí)間和成本。本文將簡(jiǎn)單介紹ISM頻帶和WSN，以及支持它們的一些無(wú)線(xiàn)標準。

工業(yè)科學(xué)及醫療頻帶概況

ISM頻帶是無(wú)須授權、任何人均可使用頻譜的一部分。在ISM頻帶開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的唯一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(lián)邦通信委員會(huì )（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(shuō)明了各種頻率和頻帶，并列出了相應的監管機構。

圖1 工作在ISM頻帶的不同無(wú)線(xiàn)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(dòng)正在轉向5GHz頻帶——但由于存在有效通信距離問(wèn)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(wú)線(xiàn)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，而在歐洲大多數無(wú)線(xiàn)通信活動(dòng)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(gè)關(guān)鍵問(wèn)題時(shí)，我們推薦使用2.4GHz頻帶。使用2.4GHz頻帶的主要缺點(diǎn)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(lái)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(wèn)題；然而，1GHz以下頻帶也存在一些其自身的局限性：

• 受限占空比
• 無(wú)法實(shí)現與其他系統的互操作性
• 不同地理空間工作限制（例如，針對美國902～928MHz頻帶設計的無(wú)線(xiàn)儀表無(wú)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(wú)線(xiàn)工程師進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)最常使用的一些標準。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )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、交通運輸和農業(yè)下一個(gè)演變發(fā)展階段。因此，人們對WSN的關(guān)注度正在穩步上升。一個(gè)WSN由許多分布于某個(gè)地理區域的傳感器組成。

WSN一般都包括一臺主機或者“網(wǎng)關(guān)”，其通過(guò)一個(gè)無(wú)線(xiàn)電通信鏈路與大量無(wú)線(xiàn)傳感器進(jìn)行通信。數據收集工作在無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)完成，被壓縮后，直接傳輸給網(wǎng)關(guān)，或者如果有要求，也可以利用其他無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)來(lái)將數據傳遞給網(wǎng)關(guān)。之后，網(wǎng)關(guān)保證該數據是系統的輸入數據。

每個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器都被看作一個(gè)節點(diǎn)，擁有無(wú)線(xiàn)通信能力，同時(shí)還具有一定的信號處理與網(wǎng)絡(luò )數據的智能。根據應用的類(lèi)型，每個(gè)節點(diǎn)都可以有一個(gè)指定的地址。圖2顯示了某個(gè)節點(diǎn)的通用結構圖。它一般會(huì )包括一個(gè)傳感裝置、一個(gè)數據處理微控制器，以及一個(gè)無(wú)線(xiàn)連接RF模塊。根據不同的網(wǎng)絡(luò )定義，RF模塊可以起到一個(gè)簡(jiǎn)單發(fā)射器或者收發(fā)器 (TX/RX)的作用。進(jìn)行節點(diǎn)設計時(shí)，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(lài)于所使用的軟件棧。

圖2 一個(gè)WSN節點(diǎn)的通用結構圖

圖3顯示了家庭環(huán)境中應用的一個(gè)WSN。在這種網(wǎng)絡(luò )中，我們可以觀(guān)察到不同類(lèi)型的傳感器，例如，運動(dòng)檢測器、散熱器、溫度監控，等等。

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(fā)送給主處理中心。在農業(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控。
2. 監控某些事件的發(fā)生，例如，在醫療應用中，對血壓和脈搏以及心律峰值進(jìn)行監控。
3. 對具體物體的運動(dòng)進(jìn)行跟蹤，廣泛應用于軍事領(lǐng)域中，以跟蹤敵方車(chē)輛。
4. 幫助分類(lèi)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(luò )：如圖4所示，星狀網(wǎng)絡(luò )由一個(gè)點(diǎn)對多點(diǎn)無(wú)線(xiàn)連接組成，其一臺單主機以雙向或者單向方式連接至幾個(gè)節點(diǎn)。如果低功耗和低軟件開(kāi)銷(xiāo)為關(guān)鍵參數，則這種拓撲結構非常值得關(guān)注。其存在的局限性是有效通信距離，因為每個(gè)節點(diǎn)都要在主機通信距離范圍以?xún)?。有幾種標準可以用于實(shí)現這種拓撲結構。藍牙、IEEE 802.15.4或者專(zhuān)有系統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(luò )拓撲結構

B) 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )：在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )拓撲結構中，如圖5所示，節點(diǎn)與許多冗余互連連接在一起。如果某個(gè)節點(diǎn)故障，有許多其他方法讓兩個(gè)節點(diǎn)進(jìn)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(kāi)銷(xiāo)方面付出代價(jià)非常大。這種拓撲結構可以通過(guò)所有權或者Zigbee標準來(lái)實(shí)現。

圖5 WSN應用中所使用的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )拓撲

結論
WSN每天都在發(fā)展，而隨之出現的新標準也越來(lái)越多。然而，需要注意的是大多數這些標準都還沒(méi)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(huì )在架構以及特定標準的能力方面深入研究其網(wǎng)絡(luò )需求，以便滿(mǎn)足電流消耗、最大允許節點(diǎn)數、電池壽命、數據速率和工作頻率等關(guān)鍵要求。