無線傳感器網(wǎng)絡：一種低功耗、無線型應用

　　近年來，無線技術的爆炸式發(fā)展催生了多種工業(yè)、科學及醫(yī)療（ISM）頻帶無線標準。由于有了這些新標準，各種無線應用滲透到我們日常生活的方方面面。毫無疑問，無線傳感器網(wǎng)絡（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一個這樣的挑戰(zhàn)：如何對幾千頭牛的體溫進行日常監(jiān)控，以便防止諸如口蹄疫等危及其牛群生存的動物疾病發(fā)生。利用無線技術，在每頭牛的身上安裝一個帶有無線發(fā)射器的溫度傳感器，將其體溫讀取數(shù)據(jù)發(fā)射至一個主端子便可以輕松地克服這些挑戰(zhàn)。這是一個WSN的簡單例子，其表明無線技術的使用可以節(jié)省大量的時間和成本。本文將簡單介紹ISM頻帶和WSN，以及支持它們的一些無線標準。

　　工業(yè)科學及醫(yī)療頻帶概況

　　ISM頻帶是無須授權、任何人均可使用頻譜的一部分。在ISM頻帶開發(fā)產品的唯一要求遵守這部分頻譜的一些規(guī)定。這些規(guī)定因國家不同而各異。在美國，聯(lián)邦通信委員會（FCC）負責制定這些規(guī)定，而在歐洲“歐洲電信標準研究所（ETSI）”才是監(jiān)管機構。“FCC條例”第15部分規(guī)定了美國的頻帶要求。圖1說明了各種頻率和頻帶，并列出了相應的監(jiān)管機構。

圖1 工作在ISM頻帶的不同無線標準

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　　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，一些產品研發(fā)活動正在轉向5GHz頻帶——但由于存在有效通信距離問題這一趨勢仍然非常有限。2.4GHz是一種通用頻帶，而分配給低功耗無線應用的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(shù)無線通信活動都集中在868MHz頻率范圍內。

　　當需要與其他系統(tǒng)通用，以及在不同地理空間中工作運行是一個關鍵問題時，我們推薦使用2.4GHz頻帶。使用2.4GHz頻帶的主要缺點是其擁擠的空間，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以下頻帶設計產品有助于解決在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，針對美國902～928MHz頻帶設計的無線儀表無法在歐洲正常工作）

　　根據(jù)不同的頻率、目標數(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頻率空間中的標準。圖1顯示了無線工程師進行產品開發(fā)時最常使用的一些標準。

　　無線傳感器網(wǎng)絡概況

　　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)下一個演變發(fā)展階段。因此，人們對WSN的關注度正在穩(wěn)步上升。一個WSN由許多分布于某個地理區(qū)域的傳感器組成。

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

　　每個無線傳感器都被看作一個節(jié)點，擁有無線通信能力，同時還具有一定的信號處理與網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的智能。根據(jù)應用的類型，每個節(jié)點都可以有一個指定的地址。圖2顯示了某個節(jié)點的通用結構圖。它一般會包括一個傳感裝置、一個數(shù)據(jù)處理微控制器，以及一個無線連接RF模塊。根據(jù)不同的網(wǎng)絡定義，RF模塊可以起到一個簡單發(fā)射器或者收發(fā)器（TX/RX）的作用。進行節(jié)點設計時，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于所使用的軟件棧。

圖2 一個WSN節(jié)點的通用結構圖
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