深入理解低功耗无线传感器网络标准

蓝牙、Wi-Fi和ZigBee在无线通信领域都有一席之地。但基于不同原因，上述几种技术都不太适合无线传感器网络应用。用于传感和控制应用的无线产品和技术正迅速变为现实。无线技术的大规模普及只是时间早晚的问题，但标准化组织和技术供应商在解决竞争方案和技术混乱等方面的工作尚未做到位。具体地讲，就是许多方案和技术对其适用范围语焉不详，从而造成了整个无序的局面。

最终用户和系统开发商有多种理由急需标准化，这些理由包括：符合全球管制的要求、各种供应商产品间互操作性的需要、有备用的第二个货源渠道、能进行货比三家式的砍价以及与大量知识接轨的可能等。但还有其他一些。一些技术的开发成本非常高，以至于必须通过大批量生产才能收回成本并盈利。若实现大批量，则全球市场的表现至关重要。标准是实现全球认知的一个极佳载体，是全球市场繁荣的助推剂。

无线传感器系统架构

无线传感器系统的基本架构包括三层，如图1所示。最底层的是无线收发器。在发射端，它负责将数字信息转换为无线电磁信号并经发射器传送出去；在接收端，它将接收到的电磁信号恢复成数字信号。在以往的无线技术中，发射器只管发射，接收器也仅能接收。现在，为了提高可靠性和性能，许多技术已将发射和接收设备整合在一起。

图1：无线传感器设备的基本架构。

芯片厂商需要通过大批量销售来获得盈利，而大批量需要涉及到全球市场。要想让全球性技术市场腾飞，历史证明，标准至关重要。上述判断对Wi-Fi无线网络(技术上称为IEEE 802.11 a/b/g/n/)和蓝牙(基于IEEE 802.15.1规范中定义的标准)都适用。被无线个人局域工作组在2003年制定的IEEE 802.15.4 (a/b)标准统治的传感器网络也不例外。

上述三种技术定位于不同应用。Wi-Fi被认为是有线以太网PC通信的替代技术，即中心有个基站、PC就在中心附近的高数据速率网络(也即星型网络结构)。为了实现局部区域的高数据速率，Wi-Fi的功耗相当大，一般需要采用笔记本电脑的电池供电。

数据速率将随着与基站距离的增加而显著降低。蓝牙被认为与手机一起构成了众人注目的中心：它能把手机与耳机、GPS设备和笔记本电脑连在一起。1Mbps的蓝牙数据速率对传送音频是绰绰有余了，但它比Wi-Fi的数据速率起码低一个数量级。

但另一方面，蓝牙的功耗低，通常采用手机电池供电。一般来说，蓝牙的通信距离也比Wi-Fi短，当然，它也反映了手机一般就与耳机、笔记本电脑和GPS设备一起使用这个事实。

传感器应用有截然不同的需求，特别是在功耗方面：在采用钮扣电池或太阳能电池及振动发电采集器等环境能源的场合，传感器一般必须要工作发好几年，而传感器所用的电池无法象笔记本电脑或手机电池那样充电。

其他一些传感器特有的要求是由以下因素决定的，如可靠性、通信距离、在单一网络中所需支持的最大节点数以及自动网络组织需求等。不过较低的数据速率一般即可满足传感器网络要求，因为大多传感器产生的数据量并不大，而且一般并非连续输出。

对无线传感器收发器而言，IEEE 802.15.4规范可能是主要且可能唯一的实用标准。2003年批准了该规范的第一版，2006年进行了升级。目前有多家公司提供这方面的收发器芯片。其中一些芯片仅实现了该标准的很少部分。另一些芯片提供对某些应用来说有用的附加功能。例如，GreenPeak公司的GP-2000收发器就具有许多特别适用于钮扣电池和低电能应用的低功耗特性。

表1列举了IEEE 802.15.4标准的一些主要参数，并与蓝牙进行了比较。一直有人尝试着把Wi-Fi和蓝牙应用于传感器应用。在这两种场合，蓝牙和Wi-Fi都以非标准方式加以利用，从而过迂回实现了IEEE 802.15.4的基本原理。人们普遍承认，IEEE 802.15.4能为无线传感器应用提供最佳方案。

表1: IEEE 802.15.4标准及蓝牙的一些主要参数比较。

并非所有技术供应商都遵循IEEE 802.15.4标准。一些公司出于降低复杂性和成本的考虑，自己研制专用收发器。但这些专用方案是否能达到足以真正降低成本的批量尚待观察。另外，降低复杂性一般以牺牲性能为代价，因此限制了这些方案的使用范围。

网络堆栈

网络堆栈有两个职责。首先，它构成并维持该网络。特别是无线网络堆栈必须要能应对节点间的无线链接通信质量的频繁变化。例如，在建筑自动化应用中，走来走去的人(即一个人站在两个节点之间)会对链接质量带来很大影响。因此，网络堆栈必须考虑到链接随时都可能消失进而造成一个节点甚至整个网络分支被隔绝的情况。

图2：最主要的传感器网络堆栈标准示意图。

为防范干扰，网络堆栈必须能重新路由通信路径并建立新连接，以便为网络内所有部分提供不被打扰的连通性。网络堆栈的第二个职能是确保讯息可靠高效地从源节点发送到目标节点。高效意味着延时要求—消息的传输时间—应被满足，而且应避免在信息的路由行程中出现瓶颈。

无线传感器应用的范围很广，要求差异也很大，因此通信技术要有一定的灵活性。单靠硬件无法提供这种灵活性。它需要一个可编程堆栈，借此来减少前期投入并支持供应商以较低批量获得可观回报。目前，已出现了一些标准网络堆栈，另有一些在开发中，它们全都以IEEE 802.15.4为基础。