无线传感器网络概念介绍

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Avnet Electronics Marketing

“智能”能源管理应用和大量基于标准的低价无线MCU的普及刺激了市场上的无线传感器/致动器网络(WSAN)快速增长，这些市场包括家庭与楼宇自动化、远程医疗和照明等。据市场研究公司IDTechEx预测，到2019年WSAN市场将有近10倍的增长，规模达18亿美元。

WSAN为分布式监视与控制设备的部署提供了一种简单经济的方法，避免了有线系统所必需的昂贵改进。但对应用开发人员来说，射频设计经验的缺乏和对众多无线协议的困惑将会是他们面临最大的挑战。本文讨论了无线传感器网络和协议的一些基本概念、组成无线传感器的重要元件以及在使用方面的一些重要设计考虑因素。

无线传感器与致动器网络(图1)是随机散布的一些小型设备的集合，主要提供三大功能：监视物理与环境条件，如温度、压力、光线和温度，而且通常是实时的；操作开关、电机或致动器等调控这些条件的设备；通过无线网络提供高效可靠的通信。

图1：无线传感器/致动器网络。

最后一种功能的实现对WSAN来说是最独特的。由于WSAN是为低流量监视与控制应用设计的，因此没有必要支持像Wi-Fi数据网络那么高的数据吞吐量要求。典型的WSAN空中数据速率范围从20kbps至1Mbps。因此WSAN节点设备可以工作在低得多的功耗下，允许节点采用电池供电，并且物理尺寸可以很小。

WSAN通常具有自组织和自愈特性。自组织网络允许新节点自动加入网络，不需要人工干预。自愈网络允许节点重新配置其链路关联性，寻找绕道故障或断电节点的替代路径。这些功能的实现方式具体取决于网络管理协议和网络拓扑，最终也决定了网络的灵活性、可扩展性、成本和性能。

无线传感器网络使用三种基本的网络拓扑：点到点、星形(点到多点)或网状(图2)。点到点只是两个点之间的一条专用链路，实际上根本算不上网络。星形网络是点到点链路的汇聚，中心主节点管理固定数量的从节点，并用作所有上行通信的管道。

图2：基本的无线网络拓扑。

主节点也可以链接其它主节点，从而将星形网络扩展为各种不同的配置，有时这样的配置被称为群集或群集树网络(图3)。

图3：群集树式的扩展星形网络。

星形拓扑的缺点之一是主节点是单个故障点。如果主节点发生故障，整个子网络都将瘫痪。在网状拓扑中，每个节点都有多条路径到达其它节点，因此可以提供最大的弹性和灵活性。大多数实用的网状网络使用伪网格类型，采用的是支持路由的对等通信链路。消息利用多跳路由算法在网络中传输，而且这种算法专门针对最低时延或最低功耗作了优化。由于网状网中的每个节点必须通过路由表了解网络中的其它节点，因此网状网中每个节点要求的内存和处理开销比较高。