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。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(jì)的方法，避免了有線系統(tǒng)所必需的昂貴改進(jìn)。但對應(yīng)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。

圖1：無線傳感器/致動器網(wǎng)絡(luò)。

“智能”能源管理應(yīng)用和大量基于標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)程醫(yī)療和照明等。據(jù)市場研究公司IDTechEx預(yù)測，到2019年WSAN市場將有近10倍的增長，規(guī)模達(dá)18億美元。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(yīng)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(yù)。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?fù)?，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?fù)洌狐c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。

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)。

星形拓?fù)涞娜秉c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?fù)渲?，每個節(jié)點都有多條路徑到達(dá)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。

網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議將決定支持哪種拓?fù)?，?dāng)節(jié)點加入或離開時網(wǎng)絡(luò)如何進(jìn)行重新配置。用于網(wǎng)絡(luò)組建、自動配置、路由等的詳細(xì)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(biāo)準(zhǔn)支持的協(xié)議可以保證多供應(yīng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。相反，在特殊應(yīng)用領(lǐng)域中某些協(xié)議已經(jīng)成為事實上的標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)用的主導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)。

WirelessHART是工業(yè)自動化應(yīng)用中使用的已有(有線)高速可尋址遠(yuǎn)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(yīng)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(jìn)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(jìn)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)。

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?；谏鲜隼碛桑褩Ｊ莻鞲衅髟O(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(yīng)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(jìn)行優(yōu)化，如標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(yīng)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(rèn)證的堆棧，包括像ZigBee和6LoWPAN這樣與標(biāo)準(zhǔn)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(xì)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(wù)。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(biāo)任務(wù)，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。

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(biāo)以及活動/睡眠占比的貢獻(xiàn)。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(xì)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(hù)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(hù)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(yīng)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(dāng)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(yīng)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(biāo)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(yù)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(yù)算為85dB的2.45GHz鏈路在室外視距應(yīng)用中可以達(dá)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(fù)雜和困難。幸運的是，IC和模塊供應(yīng)商提供的產(chǎn)品可以極大地簡化這個任務(wù)。

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(dá)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(biāo)準(zhǔn)。IEEE標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用需求。

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(yīng)。這個IEEE標(biāo)準(zhǔn)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(lán)牙設(shè)備的共存。有多家IC供應(yīng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)射頻通信器件。如今最新的趨勢是提供預(yù)先編程了ROM型協(xié)議堆棧的器件，以進(jìn)一步簡化軟件開發(fā)任務(wù)。模塊供應(yīng)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。

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(jì)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(yīng)用中得到了較為廣泛的采納。

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(dāng)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(dá)不到很好的經(jīng)濟(jì)效益。 幸運的是，今天的元件供應(yīng)商支持各種選項，包括用于超低功耗MCU且預(yù)先測試過的軟件堆棧、復(fù)雜的兼容標(biāo)準(zhǔn)的射頻IC甚至為WSAN應(yīng)用設(shè)計的完整集成和預(yù)先認(rèn)證的現(xiàn)成模塊。