無線傳感器網絡：一種低功耗、無線型應用

近年來，無線技術的爆炸式發展催生了多種工業、科學及醫療(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：如何對幾千頭牛的體溫進行日常監控，以便防止諸如口蹄疫等危及其牛群生存的動物疾病發生。利用無線技術，在每頭牛的身上安裝一個帶有無線發射器的溫度傳感器，將其體溫讀取數據發射至一個主端子便可以輕松地克服這些挑戰。這是一個WSN的簡單例子，其表明無線技術的使用可以節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。

工業科學及醫療頻帶概況
ISM頻帶是無須授權、任何人均可使用頻譜的一部分。在ISM頻帶開發產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，聯邦通信委員會(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頻帶的不同無線標準

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，一些產品研發活動正在轉向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，而在歐洲大多數無線通信活動都集中在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 無法實現與其他系統的互操作性

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顯示了無線工程師進行產品開發時最常使用的一些標準。

無線傳感器網絡概況
很明顯，“智能”環境代表了建筑、公共事業、工業、家庭、交通運輸和農業下一個演變發展階段。因此，人們對WSN的關注度正在穩步上升。一個WSN由許多分布于某個地理區域的傳感器組成。

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

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

圖3顯示了家庭環境中應用的一個WSN。在這種網絡中，我們可以觀察到不同類型的傳感器，例如，運動檢測器、散熱器、溫度監控，等等。

圖3 家庭環境中使用的WSN