close
当前位置: 物联网在线 > 传感器 > 无线传感网络 >

WSN 每天都在发展,而随之出现的新标准也越来越多

WSN 每天都在发展,而随之出现的新标准也越来越多。然而,需要注意的是大多数这些标准都还没有达到成熟的水平。相反,它们都还处在刚刚起步的阶段。

近年来,无线技术的爆炸式发展催生了多种工业、科学及医疗 (ISM) 频带无线标准。由于有了这些新标准,各种无线应用渗透到我们日常生活的方方面面。毫无疑问,无线传感器网络 (WSN) 便是一种最为受益于这些标准的重要应用。

我们可以设想有一位美国中西部的农民正面临着一个这样的挑战:如何对几千头牛的体温进行日常监控,以便防止诸如口蹄疫等危及其牛群生存的动物疾病发生。利用无线技术,在每头牛的身上安装一个带有无线发射器的温度传感器,将其体温读取数据发射至一个主端子便可以轻松地克服这些挑战。这是一个 WSN 的简单例子,其表明无线技术的使用可以节省大量的时间和成本。本文将简单介绍 ISM 频带和 WSN,以及支持它们的一些无线标准。

工业科学及医疗频带概况

ISM 频带是无需授权、任何人均可使用频谱的一部分。在 ISM 频带开发产品的唯一要求是遵守这部分频谱的一些规定。这些规定因国家不同而各异。在美国,联邦通信委员会 (FCC) 负责制定这些规定,而在欧洲“欧洲电信标准研究所 (ETSI)”才是监管机构。“FCC 条例”第 15 部分规定了美国的频带要求。图 1 说明了各种频率和频带,并列出了相应的监管机构。

图 1 工作在 ISM 频带的不同无线标准

2.4 GHz 频带和几种 1GHz 以下频带是今天最广泛使用的ISM 频率空间。由于 2.4 GHz 频带如此的纷繁杂乱,一些产品研发活动正在转向 5 GHz 频带——但由于存在有效通信距离问题这一趋势仍然非常有限。2.4 GHz 是一种通用频带,而分配给低功耗无线应用的 1GHz 以下频带在不同国家存在不同的情况。在美国,最普遍的剩余频带为 902-928 MHz,而在欧洲大多数无线通信活动都集中在 868 MHz 频率范围。

当需要与其他系统通用,以及在不同地理空间中工作运行是一个关键问题时,我们推荐使用 2.4 GHz 频带。使用 2.4 GHz 频带的主要缺点是其拥挤的空间,以及由于 2.4 GHz 频率较差的传输特性所带来的有限通信距离。

选择在1 GHz 以下频带设计产品有助于解决在 2.4 GHz 频带面临的一些问题;然而,1 GHz 以下频带也存在一些其自身的局限性:

a. 受限占空比

b. 无法实现与其他系统的互操作性

c. 不同地理空间工作限制(例如:针对美国 902-928 MHz 频带设计的无线仪表无法在欧洲正常工作。)

根据不同的频率、目标数据速率、距离,以及互操作性的理想水平,新出现了几种工作在 ISM 频率空间中的标准。图 1 显示了无线工程师进行产品开发时最常使用的一些标准。

无线传感器网络概况


很明显,“智能”环境代表了建筑、公共事业、工业、家庭、交通运输和农业下一个演变发展阶段。因此,人们对WSN 的关注度正在稳步上升。一个 WSN 由许多分布于某个地理区域的传感器组成。

图 2 一个 WSN 节点的通用结构图

WSN 一般都包括一台主机或者“网关”,其通过一个无线电通信链路与大量无线传感器进行通信。数据收集工作在无线传感器节点完成,被压缩后,直接传输给网关,或者如果有要求,也可以利用其他无线传感器节点来将数据传递给网关。之后,网关保证该数据是系统的输入数据。

每个无线传感器都被看作是一个节点,拥有无线通信能力,同时还具有一定的信号处理与网络数据的智能。根据应用的类型,每个节点都可以有一个指定的地址。图 2 显示了某个节点的通用结构图。它一般会包括一个传感装置、一个数据处理微控制器,以及一个无线连接 RF 模块。根据不同的网络定义,RF 模块可以起到一个简单发射器或者收发器 (TX/RX) 的作用。进行节点设计时,注意电流消耗和处理能力非常的重要。微控制器的内存非常依赖于所使用的软件栈。

图 3 家庭环境中使用的 WSN

图3显示了家庭环境中应用的一个 WSN。在这种网络中,我们可以观察到不同类型的传感器,例如:运动检测器、散热器、温度监控等等。

WSN 针对四种主要目标:

  1. 读取给定位置的一些参数值,并将其发送给主处理中心。在农业应用环境中,例如:前面介绍的牛群等,读取每头牛的体温可帮助确定哪一头牛需要更密切的监控。
  2. 监控某些事件的发生,例如,在医疗应用中,对血压和脉搏以及心律峰值进行监控。
  3. 对具体物体的运动进行跟踪,广泛应用于军事领域中,以跟踪敌方车辆。
  4. 帮助分类探测对象,特别是在交通控制应用环境中。

WSN 中使用的两种主要拓扑结构:

图 4 WSN 应用的星形网络拓扑结构

A) 星形网络:如图 4 所示,星形网络由一个点对多点无线连接组成,其一台单主机以双向或者单向方式连接至几个节点。如果低功耗和低软件开销为关键参数,则这种拓扑结构非常值得关注。其存在的局限性是有效通信距离,因为每个节点都要在主机通信距离范围以内。有几种标准可以用于实现这种拓扑结构。蓝牙®、IEEE 802.15.4 或者专有系统为使用最为广泛的一些标准。注意,由于一些蓝牙协议的局限性,蓝牙平台并未获得广泛的接受。

B)网状网络:在网状网络拓扑结构中,如图 5 所示,节点与许多冗余互连连接在一起。如果某个节点故障,有许多其他方法让两个节点进行通信。这种拓扑具有较好的可靠性,但在电流消耗和软件开销方面付出代价非常大。这种拓扑结构可以通过所有权或者Zigbee®标准来实现。

图 4 WSN 应用的星形网络拓扑结构

结论


毫无疑问,WSN 每天都在发展,而随之出现的新标准也越来越多。然而,需要注意的是大多数这些标准都还没有达到成熟的水平。相反,它们都还处在刚刚起步的阶段。一位严谨的 WSN 设计工程师会在架构以及特定标准的能力方面深入研究其网络需求,以便满足电流消耗、最大允许节点数、电池寿命、数据速率和工作频率等关键要求。这些重要因素就是我们选择某一种标准的指导原则。


(责任编辑:ioter)

用户喜欢...

无线传感器网络逐渐深入到人类生活

随着无线传感器网络的深入研究和广泛应用,无线传感器网络逐渐深入到人类生活的各个领域而受到业内人士的重视。...


工业用无线传感器网络所使用的通讯技术比较与介绍

随着无线通信、电源效率、极度微型化(如透过MEMS传感器达到的迷你规格设计)以及嵌入式运算技术的不断演进,发展出越来越多适用于严苛工业环境的无线传感器网络(WSN)。预估在未来五年,工业...


MicroGen振动能量收集器实现Linear无线传感器网络

凌力尔特公司波士顿设计中心总监 Sam Nork 表示:“在MicroGen的演示中,将其压电式采集芯片与凌力尔特的 LTC3588 压电转换器整合在一起,这是可为WSN 应用有效地产生DC 电流的完美搭配。”...


超低功耗的能量采集PMIC

富士通指出,采用这两款新产品不仅能加速无电池(battery-free)技术导入家庭与建筑物中的能源管理,更可有助农场无线传感器网络的发展,同时还可延长便携式设备的电池寿命。...


无线传感器网络 商业成熟

无线传感器网络(WSN)的变化,及新的技术成果越加成熟。我们相信,这将刺激市场的增长,因为它们使一个更大的客户得到更好的服务。最近发生的事件,有助于说明这些发展如何改变(而且将继...


基于无线传感器网络的山体滑坡监测方案

在本文中,我们将介绍一个部署在中国某南部沿海城市的无线传感器网络案例,供读者参考。该系统经过少量修改后可以适用于许多工业测量的需求...


工业无线传感器网络技术成为当前测控领域新热点

WSN是一种跨学科的技术,随着现代传感器技术、微机电系统(MEMS)、微电子技术、无线通信技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和人工智能技术发展到一定程度,为实现WSN奠定了技术基础。为WSN的快速发展创造条件....


WSN:未来新兴科技最重要关键性技术

无线传感器网络这个新兴技术发展潜力无穷,可应用在军事、环境、健康、居住环境等领域,若能结合无线感应技术与创新想法,尝试各种应用,有可能对未来生活产生革命性的影响!...


WSN将是全球未来四大技术产业之一 将掀起新的产业浪潮

WSN将是全球未来四大技术产业之一,将掀起新的产业浪潮。一项工业界企业调查表明,40%的受访企业计划采用无线解决方案,监控机器品质。世界市场无线传感器网络(WSN)系统与服务将飞速发展。无线传感器网络才刚刚开始发展,国内企业应该抓住商机,加大投入力度,推动整个行业的发展。...


无线传感网络将给人们的生活方式带来革命性的变化

传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化,正经历着一个从传统传感器(Dumb Sensor)→智能传感器(Smart Sensor)→嵌入式Web传感器(Embedded Web Sensor)的内涵不断丰富的发展过程。...