無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用市場和解決方案

背景

我們生活在一個(gè)布滿傳感器的世界里。在我們工作的大廈中，安放了用于監(jiān)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有幾百個(gè)，至少也有數(shù)十個(gè)，它們負(fù)責(zé)監(jiān)測引擎性能、制動(dòng)和乘客安全設(shè)備 … 等等。制造環(huán)境也需要傳感器，因?yàn)槟鸁o法控制自己所不能測量的參數(shù)。在制造產(chǎn)品的同時(shí)要滿足安全、質(zhì)量和效率目標(biāo)必須使用大量的傳感器。

在過去不長的幾十年里，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有同步下降。與用于傳輸電力和數(shù)據(jù)的電線布設(shè)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關(guān)為例：即使在新的建筑物中，一個(gè)價(jià)值1美元的開關(guān)其電線排布成本也可達(dá)到50美元，其中大部分是人工費(fèi)用。而如果想把這個(gè)開關(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)過程自動(dòng)化中，可接受的經(jīng)驗(yàn)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)簡單的開關(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(shù)據(jù)報(bào)告給一個(gè)局部控制器 —— 當(dāng)安裝有幾百或幾千個(gè)傳感器時(shí)，幾乎或根本無法獲知“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)開始使用無線方式傳輸來自傳感器的數(shù)據(jù)，獲得了復(fù)雜的結(jié)果。傳統(tǒng)上，此類鏈路采用線路供電并且是點(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(yīng)用，然而對于多數(shù)應(yīng)用而言局限性卻很大。

應(yīng)用市場

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用市場包括樓宇自動(dòng)化、工業(yè)控制、家庭自動(dòng)化、智能電網(wǎng)和自動(dòng)化計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施 、工業(yè)過程自動(dòng)化、環(huán)境監(jiān)測、泊車與交通基礎(chǔ)設(shè)施、能耗監(jiān)測和庫存管理。

在大多數(shù)場合，這些都是雙向不對稱數(shù)據(jù)收集應(yīng)用，大量的檢測點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送至一個(gè)中央主機(jī)，該中央主機(jī)可利用一個(gè)過程設(shè)定點(diǎn)或其他配置變更做出響應(yīng)。

技術(shù)選擇

從理想的角度來說，客戶當(dāng)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(shù)據(jù)、并在不更換電池的情況下于設(shè)備的使用期限內(nèi)連續(xù)運(yùn)行。近期的技術(shù)進(jìn)步使我們能夠在許多市場上提供上述特性。

為擔(dān)負(fù)這項(xiàng)任務(wù)，有多種技術(shù)正在展開競爭，包括衛(wèi)星、蜂窩、Wi-Fi 以及一系列基于 IEEE 802.15.4 無線標(biāo)準(zhǔn)的解決方案。這些技術(shù)可幫助用戶組建用于收集傳感器數(shù)據(jù)的 WSN。

衛(wèi)星和蜂窩技術(shù)是許多應(yīng)用的合適之選，但它們每個(gè)數(shù)據(jù)包的能源成本是最高的。而且，數(shù)據(jù)包月費(fèi)用也令人望而卻步 (雖然這種情況隨著運(yùn)營商們推出適合相對稀疏數(shù)據(jù)流量的收費(fèi)模式而有可能得到一定的改觀)。再有，覆蓋范圍也會(huì)是一個(gè)問題。顯然，衛(wèi)星或蜂窩電話信號很難走出阻礙嚴(yán)重的建筑物，而傳感器通常并不能夠左右移動(dòng)并詢問“現(xiàn)在您能聽到嗎?”。不過，對于那些具有上佳連通性并以非常低數(shù)據(jù)速率 (例如：每天傳送一個(gè)數(shù)據(jù)包) 發(fā)送信息的應(yīng)用而言，衛(wèi)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(shù)據(jù)包的能源成本遠(yuǎn)低于蜂窩技術(shù)，而且沒有數(shù)據(jù)的經(jīng)常性費(fèi)用。連通性和覆蓋范圍仍然是重要的問題，因?yàn)榕c移動(dòng)人性化系統(tǒng)的需要相比，利用一個(gè)固定傳感器實(shí)現(xiàn)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(chǔ)上，802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)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，非常適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。該無線標(biāo)準(zhǔn)具有相對較低的數(shù)據(jù)速率 (至 250kbps 以下);數(shù)據(jù)包簡短 (128 字節(jié)) 且為低能耗。例如：發(fā)送幾個(gè)字節(jié)的傳感器數(shù)據(jù)以及路徑、加密、和其他標(biāo)頭所需的時(shí)間少于 1ms。這過程采用少于 30µC 的電荷，包括接收一個(gè)安全鏈路層確認(rèn)信號。傳感器能發(fā)送來自方鄰傳感器的無線數(shù)據(jù)包，從而擴(kuò)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線鏈路故障的免疫力。