无线传感器网络概念介绍

不同协议间的差异

网络管理协议将决定支持哪种拓扑，当节点加入或离开时网络如何进行重新配置。用于网络组建、自动配置、路由等的详细过程与具体协议有关。虽然像ZigBee和WirelessHART等一些WSAN协议已被广泛采纳，但其前景不是很明朗。因为有数十种竞争性且没有互操作性的协议存在，而且每种协议都有各自的优缺点，其中的许多协议是私有协议。虽然采用流行工业标准支持的协议可以保证多供应商的互操作性，但一些私有协议可以提供满足特定性能参数的解决方案，如简单性、网络弹性或安全性。另一方面，私有协议可能限制在未来网络扩展时只能用一家供应商的产品。

与用于数据通信的Wi-Fi不同，WSAN不可能有一种普遍适用的标准。相反，在特殊应用领域中某些协议已经成为事实上的标准，因为它们是最适合的。例如ZigBee，凭借对联盟成员来说有近5亿美元的美国智能电网市场，无疑将成为智能能源和家庭/楼宇自动化应用的主导标准。

WirelessHART是工业自动化应用中使用的已有(有线)高速可寻址远程传感(HART)协议的扩展，由HART联盟提供支持。与WirelessHART有关的ISA100.11a同样用于工业应用，另外它还能传送Modbus、Profibus和Fieldbus协议。也许6LoWPAN是最有吸引力的一种协议，该协议由小对象IP(IPSO)联盟推荐，可将小型嵌入式设备适配进IPv6网络。6LoWPAN协议定义了特殊的IP适配层，非常适合资源受限制的小内存设备使用，使这些设备具有互联网访问功能。

2010年5月，ZigBee联盟和IPv6论坛与IPSO联盟建立了战略性的合作伙伴关系，旨在加速IP联网型智能对象的普及，这是向物联网发展方面迈出的一大步。由于传感器节点需要靠近被监视或控制的环境变量附近，因此节点设计一般都要针对小型物理尺寸和低功耗进行优化。传感器节点中的基本设计元件包括微控制器、内存、射频通信、传感器/致动器接口、电源以及包含网络协议堆栈的固件(图4)。

图4：传感器节点框图。

堆栈是在MCU上执行的软件模块的一个集合，用于实现某种特定的协议。基于上述理由，堆栈是传感器设计中的一个重要组成部分。由于传感器节点中使用的MCU类型一般是低功耗、资源受限制的器件，因此协议堆栈必须小巧高效，并且通常挤在与传感器应用节点共享的64KB至128KB的MCU内部存储器中。

可以围绕各种性能需求对堆栈进行优化，如标准兼容性、功效、执行速度、内存容量等。折衷方案的数量似乎无穷无尽，这正是有这么多协议堆栈选项可供选择的原因。这些堆栈也可以针对特定的MCU架构进行优化，但是针对特定MCU的特定堆栈的可用性，可能会限制器件的选择。MCU供应商一般都向使用他们器件的客户免费提供经过测试和认证的堆栈，包括像ZigBee和6LoWPAN这样与标准兼容的堆栈，以及他们自己(通常是更简单)的私有堆栈。

在典型无线传感器/致动器节点的中心是小型超低功耗的微控制器(MCU)。由于传感器节点通常采用电池供电，因此必须仔细管理MCU功耗。大多数WSAN协议都能将节点配置为较短的活动工作占比。每隔几分钟，睡眠节点会苏醒以执行仅数十毫秒的任务。由于MCU在工作寿命内有99.9%的时间处于最低功耗(睡眠)模式，因此睡眠模式下使用的微小电流是一个关键参数。

目前市场上的许多MCU都提供1?A以下的睡眠电流。虽然睡眠模式电流很重要，但在活动模式下的低功耗以及处理速度也同样重要。MCU必须能够快速苏醒，能够快速执行目标任务，其中包括通信协议处理，然后在尽可能短的时间内返回睡眠模式，最大限度地减少活动模式下花的时间。

如图5所示，传感器的总平均功耗及最终电池寿命将取决于本身功耗指标以及活动/睡眠占比的贡献。

图5：平均功耗与睡眠/活动占比的关系。