一種低功耗、無線型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

近年來，無線技術(shù)的爆炸式發(fā)展催生了多種工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)療(ISM)頻帶無線標(biāo)準(zhǔn)。由于有了這些新標(biāo)準(zhǔn)，各種無線應(yīng)用滲透到我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?。毫無疑問，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)便是一種最為受益于這些標(biāo)準(zhǔn)的重要應(yīng)用。

我們可以設(shè)想有一位美國(guó)中西部的農(nóng)民正面臨著一個(gè)這樣的挑戰(zhàn)：如何對(duì)幾千頭牛的體溫進(jìn)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(dòng)物疾病發(fā)生。利用無線技術(shù)，在每頭牛的身上安裝一個(gè)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(gè)主端子便可以輕松地克服這些挑戰(zhàn)。這是一個(gè)WSN的簡(jiǎn)單例子，其表明無線技術(shù)的使用可以節(jié)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線標(biāo)準(zhǔn)。

工業(yè)科學(xué)及醫(yī)療頻帶概況
ISM頻帶是無須授權(quán)、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(guó)家不同而各異。在美國(guó)，聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)負(fù)責(zé)制定這些規(guī)定，而在歐洲“歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)研究所 (ETSI)”才是監(jiān)管機(jī)構(gòu)。“FCC條例”第15部分規(guī)定了美國(guó)的頻帶要求。圖1說明了各種頻率和頻帶，并列出了相應(yīng)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)。

圖1 工作在ISM頻帶的不同無線標(biāo)準(zhǔn)

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(zhuǎn)向5GHz頻帶——但由于存在有效通信距離問題這一趨勢(shì)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(yīng)用的1GHz以下頻帶在不同國(guó)家存在不同的情況。在美國(guó)，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(dòng)都集中在868MHz頻率范圍內(nèi)。

當(dāng)需要與其他系統(tǒng)通用，以及在不同地理空間中工作運(yùn)行是一個(gè)關(guān)鍵問題時(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的有限通信距離。

選擇在1GHz以下頻帶設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)美國(guó)902～928MHz頻帶設(shè)計(jì)的無線儀表無法在歐洲正常工作）
根據(jù)不同的頻率、目標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)。圖1顯示了無線工程師進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)時(shí)最常使用的一些標(biāo)準(zhǔn)。

無線傳感器網(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(yùn)輸和農(nóng)業(yè)下一個(gè)演變發(fā)展階段。因此，人們對(duì)WSN的關(guān)注度正在穩(wěn)步上升。一個(gè)WSN由許多分布于某個(gè)地理區(qū)域的傳感器組成。

WSN一般都包括一臺(tái)主機(jī)或者“網(wǎng)關(guān)”，其通過一個(gè)無線電通信鏈路與大量無線傳感器進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)收集工作在無線傳感器節(jié)點(diǎn)完成，被壓縮后，直接傳輸給網(wǎng)關(guān)，或者如果有要求，也可以利用其他無線傳感器節(jié)點(diǎn)來將數(shù)據(jù)傳遞給網(wǎng)關(guān)。之后，網(wǎng)關(guān)保證該數(shù)據(jù)是系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)。

每個(gè)無線傳感器都被看作一個(gè)節(jié)點(diǎn)，擁有無線通信能力，同時(shí)還具有一定的信號(hào)處理與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的智能。根據(jù)應(yīng)用的類型，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以有一個(gè)指定的地址。圖2顯示了某個(gè)節(jié)點(diǎn)的通用結(jié)構(gòu)圖。它一般會(huì)包括一個(gè)傳感裝置、一個(gè)數(shù)據(jù)處理微控制器，以及一個(gè)無線連接RF模塊。根據(jù)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(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，注意電流消耗和處理能力非常的重要。微控制器的內(nèi)存非常依賴于所使用的軟件棧。

圖2 一個(gè)WSN節(jié)點(diǎn)的通用結(jié)構(gòu)圖

圖3顯示了家庭環(huán)境中應(yīng)用的一個(gè)WSN。在這種網(wǎng)絡(luò)中，我們可以觀察到不同類型的傳感器，例如，運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器、散熱器、溫度監(jiān)控，等等。

WSN針對(duì)4種主要目標(biāo)：

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(yīng)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(yīng)用中，對(duì)血壓和脈搏以及心律峰值進(jìn)行監(jiān)控。

3 對(duì)具體物體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤，廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域中，以跟蹤敵方車輛。

4 幫助分類探測(cè)對(duì)象，特別是在交通控制應(yīng)用環(huán)境中。

WSN中使用的兩種主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：
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(duì)多點(diǎn)無線連接組成，其一臺(tái)單主機(jī)以雙向或者單向方式連接至幾個(gè)節(jié)點(diǎn)。如果低功耗和低軟件開銷為關(guān)鍵參數(shù)，則這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常值得關(guān)注。其存在的局限性是有效通信距離，因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)都要在主機(jī)通信距離范圍以內(nèi)。有幾種標(biāo)準(zhǔn)可以用于實(shí)現(xiàn)這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。藍(lán)牙、IEEE 802.15.4或者專有系統(tǒng)為使用最為廣泛的一些標(biāo)準(zhǔn)。注意，由于一些藍(lán)牙協(xié)議的局限性，藍(lán)牙平臺(tái)并未獲得廣泛的接受。

圖4 WSN 應(yīng)用的星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

B) 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)：在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，如圖5所示，節(jié)點(diǎn)與許多冗余互連連接在一起。如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)故障，有許多其他方法讓兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。這種拓?fù)渚哂休^好的可靠性，但在電流消耗和軟件開銷方面付出代價(jià)非常大。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以通過所有權(quán)或者Zigbee標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)。

圖5 WSN應(yīng)用中所使用的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

結(jié)論
WSN每天都在發(fā)展，而隨之出現(xiàn)的新標(biāo)準(zhǔn)也越來越多。然而，需要注意的是大多數(shù)這些標(biāo)準(zhǔn)都還沒有達(dá)到成熟的水平。相反，它們都還處在剛剛起步的階段。一位嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?WSN 設(shè)計(jì)工程師會(huì)在架構(gòu)以及特定標(biāo)準(zhǔn)的能力方面深入研究其網(wǎng)絡(luò)需求，以便滿足電流消耗、最大允許節(jié)點(diǎn)數(shù)、電池壽命、數(shù)據(jù)速率和工作頻率等關(guān)鍵要求。