无线传感器网络概念介绍

收集环境能量

给无线传感器节点供电的一种越来越有吸引力的方法是从传感器环境中收集环境能量。即使一个经过仔细设计的传感器可以用单个CR2032型锂电池工作数年时间，维护具有数百个传感器的大型WSAN网络中的电池也会是一个巨大的挑战。

微型能量收集设备可以发挥自供电、零维护传感器的巨大潜能。鉴于目前超低功耗MCU的极小能量要求，现实世界中有数量惊人的环境能量资源能用来转换出足够的电能供传感器节点使用。常见的2in2光伏电池可以从低至300lux的正常照明办公室环境中连续输出50?W的能量。

利用压电效应的小型振动能量收集器可以调整到收集50Hz-200Hz范围内小于1gRMS的振动，并提供毫瓦级的连续功率。当与小型可充电电池结合使用时，这些能量收集器能为低工作占比的传感器节点提供足够强劲的电源。高功效的射频收发器是无线传感器设计中的另外一个关键元件。就像MCU一样，收发器的功耗特性对电池寿命有很大影响。收发器应具有低功耗睡眠模式、低接收功率、可编程发射功率和唤醒定时器功能。

集成式收发器现在已经很常用，通常是在单个小型封装中包括所有重要的射频电路——滤波器、放大器、混频器、调制器/解调器等。这些器件支持覆盖1GHz以下和2.4GHz ISM频段的频率选项，以及包括FSK、OOK、BPSK和QPSK在内的许多调制选项。收发器数据手册会标明不同数据速率下的接收灵敏度和发射功率(单位是dBm，dBm = 10log(P/1mW))。这两种参数之间的差异可以为总的射频链路预算及网络中的节点至节点距离提供一阶近似值，

链路预算为85dB的2.45GHz链路在室外视距应用中可以达200米距离。由于射频吸收和传播损耗影响，同样的链路在室内的有效距离可能缩短到10米。传感器节点还需要一副天线，可以是外部安装型天线、表贴芯片型天线或印刷电路板设计中的嵌入式天线。

虽然这部分电路对WSAN节点设计来说非常重要，但许多微型射频电路设计可能使这部分设计变得复杂和困难。幸运的是，IC和模块供应商提供的产品可以极大地简化这个任务。

一个特别值得一提的WSAN器件是最早于2003年定义的IEEE Std 802.15.4无线电装置。这是一种短距离的扩频无线电装置，采用三个ISM频段中的一个，并有多种调制选项，可以在16个信道中提供高达250kbps的数据速率。该装置专门设计用于支持大型、低功耗、低数据速率的网状网络，是ZigBee、WirelessHART和6LoWPAN以及较早前提及的许多私有协议的参考性无线电装置标准。

IEEE标准规定了物理层(PHY)和介质访问控制层(MAC)的要求，将上面的网络管理层定义留给了各个不同的感兴趣方，以满足他们特殊的应用需求(图6)。

图6：使用IEEE Std 802.15.4的协议堆栈。

2.45GHz 物理层采用的是基本上全球都免许可的频段，并使用O-QPSK调制和带32位伪随机码序列的直接序列扩展频谱(DSSS)扩频技术。这种技术组合对窄带干扰具有一定的弹性，有助于减轻多径衰落引起的信号抵消效应。这个IEEE标准在定义时专门考虑到了与同样工作在2.4GHz ISM频段工作的802.11和蓝牙设备的共存。有多家IC供应商提供独立的802.15.4兼容无线电器件，小批量时的价格不到3美元。

芯片行业正在积极地提供更多针对WSAN应用优化了的集成式SoC器件。这些SoC一般集成有像ARM Cortex-M3这样的低功耗MCU以及像IEEE Std 802.15.4无线电装置这样的标准射频通信器件。如今最新的趋势是提供预先编程了ROM型协议堆栈的器件，以进一步简化软件开发任务。模块供应商做得更多，在小型集成式模块中提供包括MCU、无线电器件、协议堆栈在内的完整无线模块，在许多情况下甚至包括天线，并且这些模块已经通过测试，完全满足FCC/ETSI要求。

与昂贵的内部定制设计相比(假设射频设计和测试功能也在内部做)，模块可以提供快得多的产品上市路径，并且可以极大地节省成本。当完整模块价格在10美元至20美元之间、基本元件材料清单占2/3时，从定制设计的制造与购买成本分析可以看出，在超过5万片批量之前可能达不到很好的经济效益。

总之，无线传感器/致动器网络提供了实现更加智能控制的经济便利方法，但系统开发人员面临着众多的折衷与选项。网络在动态变化下的灵活性、性能和鲁棒性都将取决于网络架构和协议。

由于没有统一的WSAN协议，开发人员必须从一系列容易令人困惑的协议选项中作出选择。像ZigBee、WirelessHART和6LoWPAN等协议在某类应用中得到了较为广泛的采纳。 幸运的是，今天的元件供应商支持各种选项，包括用于超低功耗MCU且预先测试过的软件堆栈、复杂的兼容标准的射频IC甚至为WSAN应用设计的完整集成和预先认证的现成模块。

表1：IEEE Std 802.15.4-2006 PHY选项。