无线传感器网络:一种低功耗、无线型应用

2011-09-21 09:11:30来源: 电子产品世界 关键字:无线  传感器网络  网络  应用

    近年来,无线技术的爆炸式发展催生了多种工业、科学及医疗(ISM)频带无线标准。由于有了这些新标准,各种无线应用渗透到我们日常生活的方方面面。毫无疑问,无线传感器网络(WSN)便是一种最为受益于这些标准的重要应用。


我们可以设想有一位美国中西部的农民正面临着一个这样的挑战:如何对几千头牛的体温进行日常监控,以便防止诸如口蹄疫等危及其牛群生存的动物疾病发生。利用无线技术,在每头牛的身上安装一个带有无线发射器的温度传感器,将其体温读取数据发射至一个主端子便可以轻松地克服这些挑战。这是一个WSN的简单例子,其表明无线技术的使用可以节省大量的时间和成本。本文将简单介绍ISM频带和WSN,以及支持它们的一些无线标准。

工业科学及医疗频带概况
ISM频带是无须授权、任何人均可使用频谱的一部分。在ISM频带开发产品的唯一要求遵守这部分频谱的一些规定。这些规定因国家不同而各异。在美国,联邦通信委员会(FCC)负责制定这些规定,而在欧洲“欧洲电信标准研究所(ETSI)”才是监管机构。“FCC条例”第15部分规定了美国的频带要求。图1说明了各种频率和频带,并列出了相应的监管机构。

图1 工作在ISM频带的不同无线标准


2.4GHz频带和几种1GHz以下频带是今天最广泛使用的ISM 频率空间。由于2.4GHz频带如此的纷繁杂乱,一些产品研发活动正在转向5GHz频带——但由于存在有效通信距离问题这一趋势仍然非常有限。2.4GHz是一种通用频带,而分配给低功耗无线应用的1GHz以下频带在不同国家存在不同的情况。在美国,最普遍的剩余频带为902~928MHz,而在欧洲大多数无线通信活动都集中在868MHz频率范围内。


当需要与其他系统通用,以及在不同地理空间中工作运行是一个关键问题时,我们推荐使用2.4GHz频带。使用2.4GHz频带的主要缺点是其拥挤的空间,以及由于2.4GHz频率较差的传输特性所带来的有限通信距离。


选择在1GHz以下频带设计产品有助于解决在2.4GHz频带面临的一些问题;然而,1GHz以下频带也存在一些其自身的局限性:


1 受限占空比


2 无法实现与其他系统的互操作性


3 不同地理空间工作限制(例如,针对美国902~928MHz频带设计的无线仪表无法在欧洲正常工作)
根据不同的频率、目标数据速率、距离,以及互操作性的理想水平,新出现了几种工作在ISM频率空间中的标准。图1显示了无线工程师进行产品开发时最常使用的一些标准。

无线传感器网络概况
很明显,“智能”环境代表了建筑、公共事业、工业、家庭、交通运输和农业下一个演变发展阶段。因此,人们对WSN的关注度正在稳步上升。一个WSN由许多分布于某个地理区域的传感器组成。


WSN一般都包括一台主机或者“网关”,其通过一个无线电通信链路与大量无线传感器进行通信。数据收集工作在无线传感器节点完成,被压缩后,直接传输给网关,或者如果有要求,也可以利用其他无线传感器节点来将数据传递给网关。之后,网关保证该数据是系统的输入数据。


每个无线传感器都被看作一个节点,拥有无线通信能力,同时还具有一定的信号处理网络数据的智能。根据应用的类型,每个节点都可以有一个指定的地址。图2显示了某个节点的通用结构图。它一般会包括一个传感装置、一个数据处理微控制器,以及一个无线连接RF模块。根据不同的网络定义,RF模块可以起到一个简单发射器或者收发器 (TX/RX)的作用。进行节点设计时,注意电流消耗和处理能力非常的重要。微控制器的内存非常依赖于所使用的软件栈。

图2 一个WSN节点的通用结构图


图3显示了家庭环境中应用的一个WSN。在这种网络中,我们可以观察到不同类型的传感器,例如,运动检测器、散热器、温度监控,等等。

图3 家庭环境中使用的WSN

WSN针对4种主要目标:


1 读取给定位置的一些参数值,并将其发送给主处理中心。在农业应用环境中,例如,前面介绍的牛群等,读取每头牛的体温可帮助确定哪一头牛需要更密切的监控。


2 监控某些事件的发生,例如,在医疗应用中,对血压和脉搏以及心律峰值进行监控。


3 对具体物体的运动进行跟踪,广泛应用于军事领域中,以跟踪敌方车辆。


4 帮助分类探测对象,特别是在交通控制应用环境中。


WSN中使用的两种主要拓扑结构:
A) 星状网络:如图4所示,星状网络由一个点对多点无线连接组成,其一台单主机以双向或者单向方式连接至几个节点。如果低功耗和低软件开销为关键参数,则这种拓扑结构非常值得关注。其存在的局限性是有效通信距离,因为每个节点都要在主机通信距离范围以内。有几种标准可以用于实现这种拓扑结构。蓝牙、IEEE 802.15.4或者专有系统为使用最为广泛的一些标准。注意,由于一些蓝牙协议的局限性,蓝牙平台并未获得广泛的接受。

图4 WSN 应用的星形网络拓扑结构


B) 网状网络:在网状网络拓扑结构中,如图5所示,节点与许多冗余互连连接在一起。如果某个节点故障,有许多其他方法让两个节点进行通信。这种拓扑具有较好的可靠性,但在电流消耗和软件开销方面付出代价非常大。这种拓扑结构可以通过所有权或者Zigbee标准来实现。

图5 WSN应用中所使用的网状网络拓扑


结论
WSN每天都在发展,而随之出现的新标准也越来越多。然而,需要注意的是大多数这些标准都还没有达到成熟的水平。相反,它们都还处在刚刚起步的阶段。一位严谨的 WSN 设计工程师会在架构以及特定标准的能力方面深入研究其网络需求,以便满足电流消耗、最大允许节点数、电池寿命、数据速率和工作频率等关键要求。

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编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0921/article_8515.html
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