無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議的概念及設(shè)計考慮因素

“智能”能源管理應用和大量基于標準的低價無線MCU的普及刺激了市場上的無線傳感器/致動器網(wǎng)絡(luò)（WSAN）快速增長，這些市場包括家庭與樓宇自動化、遠程醫(yī)療和照明等。據(jù)市場研究公司IDTechEx預測，到2019年WSAN市場將有近10倍的增長，規(guī)模達18億美元。

WSAN為分布式監(jiān)視與控制設(shè)備的部署提供了一種簡單經(jīng)濟的方法，避免了有線系統(tǒng)所必需的昂貴改進。但對應用開發(fā)人員來說，射頻設(shè)計經(jīng)驗的缺乏和對眾多無線協(xié)議的困惑將會是他們面臨最大的挑戰(zhàn)。本文討論了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議的一些基本概念、組成無線傳感器的重要元件以及在使用方面的一些重要設(shè)計考慮因素。

無線傳感器與致動器網(wǎng)絡(luò)（圖1）是隨機散布的一些小型設(shè)備的集合，主要提供三大功能：監(jiān)視物理與環(huán)境條件，如溫度、壓力、光線和溫度，而且通常是實時的；操作開關(guān)、電機或致動器等調(diào)控這些條件的設(shè)備；通過無線網(wǎng)絡(luò)提供高效可靠的通信。

圖1：無線傳感器/致動器網(wǎng)絡(luò)。

最后一種功能的實現(xiàn)對WSAN來說是最獨特的。由于WSAN是為低流量監(jiān)視與控制應用設(shè)計的，因此沒有必要支持像Wi-Fi數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)那么高的數(shù)據(jù)吞吐量要求。典型的WSAN空中數(shù)據(jù)速率范圍從20kbps至1Mbps。因此WSAN節(jié)點設(shè)備可以工作在低得多的功耗下，允許節(jié)點采用電池供電，并且物理尺寸可以很小。

WSAN通常具有自組織和自愈特性。自組織網(wǎng)絡(luò)允許新節(jié)點自動加入網(wǎng)絡(luò)，不需要人工干預。自愈網(wǎng)絡(luò)允許節(jié)點重新配置其鏈路關(guān)聯(lián)性，尋找繞道故障或斷電節(jié)點的替代路徑。這些功能的實現(xiàn)方式具體取決于網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)拓撲，最終也決定了網(wǎng)絡(luò)的靈活性、可擴展性、成本和性能。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用三種基本的網(wǎng)絡(luò)拓撲：點到點、星形（點到多點）或網(wǎng)狀（圖2）。點到點只是兩個點之間的一條專用鏈路，實際上根本算不上網(wǎng)絡(luò)。星形網(wǎng)絡(luò)是點到點鏈路的匯聚，中心主節(jié)點管理固定數(shù)量的從節(jié)點，并用作所有上行通信的管道。

圖2：基本的無線網(wǎng)絡(luò)拓撲。

主節(jié)點也可以鏈接其它主節(jié)點，從而將星形網(wǎng)絡(luò)擴展為各種不同的配置，有時這樣的配置被稱為群集或群集樹網(wǎng)絡(luò)（圖3）。

圖3：群集樹式的擴展星形網(wǎng)絡(luò)。

星形拓撲的缺點之一是主節(jié)點是單個故障點。如果主節(jié)點發(fā)生故障，整個子網(wǎng)絡(luò)都將癱瘓。在網(wǎng)狀拓撲中，每個節(jié)點都有多條路徑到達其它節(jié)點，因此可以提供最大的彈性和靈活性。大多數(shù)實用的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)使用偽網(wǎng)格類型，采用的是支持路由的對等通信鏈路。消息利用多跳路由算法在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，而且這種算法專門針對最低時延或最低功耗作了優(yōu)化。由于網(wǎng)狀網(wǎng)中的每個節(jié)點必須通過路由表了解網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點，因此網(wǎng)狀網(wǎng)中每個節(jié)點要求的內(nèi)存和處理開銷比較高。

不同協(xié)議間的差異

網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議將決定支持哪種拓撲，當節(jié)點加入或離開時網(wǎng)絡(luò)如何進行重新配置。用于網(wǎng)絡(luò)組建、自動配置、路由等的詳細過程與具體協(xié)議有關(guān)。雖然像ZigBee和WirelessHART等一些WSAN協(xié)議已被廣泛采納，但其前景不是很明朗。因為有數(shù)十種競爭性且沒有互操作性的協(xié)議存在，而且每種協(xié)議都有各自的優(yōu)缺點，其中的許多協(xié)議是私有協(xié)議。雖然采用流行工業(yè)標準支持的協(xié)議可以保證多供應商的互操作性，但一些私有協(xié)議可以提供滿足特定性能參數(shù)的解決方案，如簡單性、網(wǎng)絡(luò)彈性或安全性。另一方面，私有協(xié)議可能限制在未來網(wǎng)絡(luò)擴展時只能用一家供應商的產(chǎn)品。

與用于數(shù)據(jù)通信的Wi-Fi不同，WSAN不可能有一種普遍適用的標準。相反，在特殊應用領(lǐng)域中某些協(xié)議已經(jīng)成為事實上的標準，因為它們是最適合的。例如ZigBee，憑借對聯(lián)盟成員來說有近5億美元的美國智能電網(wǎng)市場，無疑將成為智能能源和家庭/樓宇自動化應用的主導標準。

WirelessHART是工業(yè)自動化應用中使用的已有（有線）高速可尋址遠程傳感（HART）協(xié)議的擴展，由HART聯(lián)盟提供支持。與WirelessHART有關(guān)的ISA100.11a同樣用于工業(yè)應用，另外它還能傳送Modbus、Profibus和Fieldbus協(xié)議。也許6LoWPAN是最有吸引力的一種協(xié)議，該協(xié)議由小對象IP（IPSO）聯(lián)盟推薦，可將小型嵌入式設(shè)備適配進IPv6網(wǎng)絡(luò)。6LoWPAN協(xié)議定義了特殊的IP適配層，非常適合資源受限制的小內(nèi)存設(shè)備使用，使這些設(shè)備具有互聯(lián)網(wǎng)訪問功能。

2010年5月，ZigBee聯(lián)盟和IPv6論壇與IPSO聯(lián)盟建立了戰(zhàn)略性的合作伙伴關(guān)系，旨在加速IP聯(lián)網(wǎng)型智能對象的普及，這是向物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展方面邁出的一大步。由于傳感器節(jié)點需要靠近被監(jiān)視或控制的環(huán)境變量附近，因此節(jié)點設(shè)計一般都要針對小型物理尺寸和低功耗進行優(yōu)化。傳感器節(jié)點中的基本設(shè)計元件包括微控制器、內(nèi)存、射頻通信、傳感器/致動器接口、電源以及包含網(wǎng)絡(luò)協(xié)議堆棧的固件（圖4）。

圖4：傳感器節(jié)點框圖。

堆棧是在MCU上執(zhí)行的軟件模塊的一個集合，用于實現(xiàn)某種特定的協(xié)議?；谏鲜隼碛?，堆棧是傳感器設(shè)計中的一個重要組成部分。由于傳感器節(jié)點中使用的MCU類型一般是低功耗、資源受限制的器件，因此協(xié)議堆棧必須小巧高效，并且通常擠在與傳感器應用節(jié)點共享的64KB至128KB的MCU內(nèi)部存儲器中。

可以圍繞各種性能需求對堆棧進行優(yōu)化，如標準兼容性、功效、執(zhí)行速度、內(nèi)存容量等。折衷方案的數(shù)量似乎無窮無盡，這正是有這么多協(xié)議堆棧選項可供選擇的原因。這些堆棧也可以針對特定的MCU架構(gòu)進行優(yōu)化，但是針對特定MCU的特定堆棧的可用性，可能會限制器件的選擇。MCU供應商一般都向使用他們器件的客戶免費提供經(jīng)過測試和認證的堆棧，包括像ZigBee和6LoWPAN這樣與標準兼容的堆棧，以及他們自己（通常是更簡單）的私有堆棧。

在典型無線傳感器/致動器節(jié)點的中心是小型超低功耗的微控制器（MCU）。由于傳感器節(jié)點通常采用電池供電，因此必須仔細管理MCU功耗。大多數(shù)WSAN協(xié)議都能將節(jié)點配置為較短的活動工作占比。每隔幾分鐘，睡眠節(jié)點會蘇醒以執(zhí)行僅數(shù)十毫秒的任務。由于MCU在工作壽命內(nèi)有99.9%的時間處于最低功耗（睡眠）模式，因此睡眠模式下使用的微小電流是一個關(guān)鍵參數(shù)。

目前市場上的許多MCU都提供1？A以下的睡眠電流。雖然睡眠模式電流很重要，但在活動模式下的低功耗以及處理速度也同樣重要。MCU必須能夠快速蘇醒，能夠快速執(zhí)行目標任務，其中包括通信協(xié)議處理，然后在盡可能短的時間內(nèi)返回睡眠模式，最大限度地減少活動模式下花的時間。

如圖5所示，傳感器的總平均功耗及最終電池壽命將取決于本身功耗指標以及活動/睡眠占比的貢獻。

圖5：平均功耗與睡眠/活動占比的關(guān)系。

給無線傳感器節(jié)點供電的一種越來越有吸引力的方法是從傳感器環(huán)境中收集環(huán)境能量。即使一個經(jīng)過仔細設(shè)計的傳感器可以用單個CR2032型鋰電池工作數(shù)年時間，維護具有數(shù)百個傳感器的大型WSAN網(wǎng)絡(luò)中的電池也會是一個巨大的挑戰(zhàn)。

微型能量收集設(shè)備可以發(fā)揮自供電、零維護傳感器的巨大潛能。鑒于目前超低功耗MCU的極小能量要求，現(xiàn)實世界中有數(shù)量驚人的環(huán)境能量資源能用來轉(zhuǎn)換出足夠的電能供傳感器節(jié)點使用。常見的2in2光伏電池可以從低至300lux的正常照明辦公室環(huán)境中連續(xù)輸出50？W的能量。

利用壓電效應的小型振動能量收集器可以調(diào)整到收集50Hz-200Hz范圍內(nèi)小于1gRMS的振動，并提供毫瓦級的連續(xù)功率。當與小型可充電電池結(jié)合使用時，這些能量收集器能為低工作占比的傳感器節(jié)點提供足夠強勁的電源。高功效的射頻收發(fā)器是無線傳感器設(shè)計中的另外一個關(guān)鍵元件。就像MCU一樣，收發(fā)器的功耗特性對電池壽命有很大影響。收發(fā)器應具有低功耗睡眠模式、低接收功率、可編程發(fā)射功率和喚醒定時器功能。

集成式收發(fā)器現(xiàn)在已經(jīng)很常用，通常是在單個小型封裝中包括所有重要的射頻電路——濾波器、放大器、混頻器、調(diào)制器/解調(diào)器等。這些器件支持覆蓋1GHz以下和2.4GHz ISM頻段的頻率選項，以及包括FSK、OOK、BPSK和QPSK在內(nèi)的許多調(diào)制選項。收發(fā)器數(shù)據(jù)手冊會標明不同數(shù)據(jù)速率下的接收靈敏度和發(fā)射功率（單位是dBm，dBm = 10log（P/1mW））。這兩種參數(shù)之間的差異可以為總的射頻鏈路預算及網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點至節(jié)點距離提供一階近似值，

鏈路預算為85dB的2.45GHz鏈路在室外視距應用中可以達200米距離。由于射頻吸收和傳播損耗影響，同樣的鏈路在室內(nèi)的有效距離可能縮短到10米。傳感器節(jié)點還需要一副天線，可以是外部安裝型天線、表貼芯片型天線或印刷電路板設(shè)計中的嵌入式天線。

雖然這部分電路對WSAN節(jié)點設(shè)計來說非常重要，但許多微型射頻電路設(shè)計可能使這部分設(shè)計變得復雜和困難。幸運的是，IC和模塊供應商提供的產(chǎn)品可以極大地簡化這個任務。

一個特別值得一提的WSAN器件是最早于2003年定義的IEEE Std 802.15.4無線電裝置。這是一種短距離的擴頻無線電裝置，采用三個ISM頻段中的一個，并有多種調(diào)制選項，可以在16個信道中提供高達250kbps的數(shù)據(jù)速率。該裝置專門設(shè)計用于支持大型、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，是ZigBee、WirelessHART和6LoWPAN以及較早前提及的許多私有協(xié)議的參考性無線電裝置標準。

IEEE標準規(guī)定了物理層（PHY）和介質(zhì)訪問控制層（MAC）的要求，將上面的網(wǎng)絡(luò)管理層定義留給了各個不同的感興趣方，以滿足他們特殊的應用需求（圖6）。

圖6：使用IEEE Std 802.15.4的協(xié)議堆棧。

2.45GHz 物理層采用的是基本上全球都免許可的頻段，并使用O-QPSK調(diào)制和帶32位偽隨機碼序列的直接序列擴展頻譜（DSSS）擴頻技術(shù)。這種技術(shù)組合對窄帶干擾具有一定的彈性，有助于減輕多徑衰落引起的信號抵消效應。這個IEEE標準在定義時專門考慮到了與同樣工作在2.4GHz ISM頻段工作的802.11和藍牙設(shè)備的共存。有多家IC供應商提供獨立的802.15.4兼容無線電器件，小批量時的價格不到3美元。

芯片行業(yè)正在積極地提供更多針對WSAN應用優(yōu)化了的集成式SoC器件。這些SoC一般集成有像ARM Cortex-M3這樣的低功耗MCU以及像IEEE Std 802.15.4無線電裝置這樣的標準射頻通信器件。如今最新的趨勢是提供預先編程了ROM型協(xié)議堆棧的器件，以進一步簡化軟件開發(fā)任務。模塊供應商做得更多，在小型集成式模塊中提供包括MCU、無線電器件、協(xié)議堆棧在內(nèi)的完整無線模塊，在許多情況下甚至包括天線，并且這些模塊已經(jīng)通過測試，完全滿足FCC/ETSI要求。

與昂貴的內(nèi)部定制設(shè)計相比（假設(shè)射頻設(shè)計和測試功能也在內(nèi)部做），模塊可以提供快得多的產(chǎn)品上市路徑，并且可以極大地節(jié)省成本。當完整模塊價格在10美元至20美元之間、基本元件材料清單占2/3時，從定制設(shè)計的制造與購買成本分析可以看出，在超過5萬片批量之前可能達不到很好的經(jīng)濟效益。

總之，無線傳感器/致動器網(wǎng)絡(luò)提供了實現(xiàn)更加智能控制的經(jīng)濟便利方法，但系統(tǒng)開發(fā)人員面臨著眾多的折衷與選項。網(wǎng)絡(luò)在動態(tài)變化下的靈活性、性能和魯棒性都將取決于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議。

由于沒有統(tǒng)一的WSAN協(xié)議，開發(fā)人員必須從一系列容易令人困惑的協(xié)議選項中作出選擇。像ZigBee、WirelessHART和6LoWPAN等協(xié)議在某類應用中得到了較為廣泛的采納。 幸運的是，今天的元件供應商支持各種選項，包括用于超低功耗MCU且預先測試過的軟件堆棧、復雜的兼容標準的射頻IC甚至為WSAN應用設(shè)計的完整集成和預先認證的現(xiàn)成模塊。

表1：IEEE Std 802.15.4-2006 PHY選項。

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