低功耗、无线型无线传感器网络的应用技术.docx

《低功耗、无线型无线传感器网络的应用技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《低功耗、无线型无线传感器网络的应用技术.docx（7页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、低功耗、无线型无线传感器网络的应用技术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

2、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。620)this.style.width=620;border=0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

3、为902928MHz,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902928MHz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

4、，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

5、定的信号处理与网络数据的智能。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。620)this.style.width=620;border=0图2一个WSN节点的通用结构图620)this.style.width=620;border=0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，

6、例如，运动检测器、散热器、温度监控，等等。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

7、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、IEEE802.15.4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。620)this.style.width=620;border=0图4WSN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。620)this.style.width=620;border=0图5WSN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。1