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...

LoRa技术的LPWAN网络用于物联网无线传感器网络

低功耗广域网 (LPWAN) 已出现很长时间,但对物联网 (IoT) 低成本连接及功耗和成本改进的需求正引发对 LPWAN 越来越多的关注。 硅技术的改进已极大降低了功耗,可用于电池供电型无线传感器节...


可穿戴医疗设备的安全性研究以及策略分析

随着全球人口老龄化加剧,空巢话趋势明显,慢病管理带来的巨大挑战,大众对自我运动量化的需求,以及近年来网...


基于PIC32上实现TCP/IP网络协议和zigbee无线传感器网络的智能家居系统

项目背景 随着物联网的热潮的到来,2010年国内许多省市纷纷发布的《物联网发展规划》,物联网附属领域智能家居的发展也得到了非常大程度的推进。由于物联网的核心和基础仍然是互联网...


用于物联网无线传感器网络的低功耗长距离无线技术

低功耗广域网 (LPWAN) 已出现很长时间,但对物联网 (IoT) 低成本连接及功耗和成本改进的需求正引发对 LPWAN 越来越多的关注。 硅技术的改进已极大降低了功耗,可用于电池供电型无线传感器节...


Freescale Kinetis KW0x无线MCU开发方案

Freescale公司的Kinetis KW0x系列产品是低于1GHz的无线MCU,集成了支持FSK, GFSK, MSK或OOK调制的收发器和低功耗ARM Cortex M0+ CPU...


TI RF430F5978低功耗RF MCU开发方案

TI公司的RF430F5978是基于CC430产品系列的低功耗RF MCU,是一种高度集成的RF解决方案.它提升了读取区和电池的性能,适合...


[原创] Linear LTC 5800-WHM SmartMesh无线传感器网络开发方案

Linear公司的LTC 5800-WHM系统级芯片(SoC)是IEEE 802.15.4 SoC解决方案的Eterna系列产品,片上集成了功率放大器(PA)和收发器和运...


[原创] Linear LTP5901-IPM高精度无线温度传感器解决方案

Linear公司的LTP5901-IPM/LTP5902-IPM是具片式天线的SmartMesh PCB微尘模块,是IEEE 802.15.4e PCB模块解决方案Eterna系列产品的IP微尘...


用于物联网无线传感器网络的低功耗长距离无线技术

低功耗广域网 (LPWAN) 已出现很长时间,但对物联网 (IoT) 低成本连接及功耗和成本改进的需求正引发对 LPWAN 越来越多的关注。 硅技术的改进已极大降低了功耗,可用于电池供电型无线传感器节...


[原创] TI CC1310小于1GHz超低功耗无线MCU开发方案

TI公司的CC1310是小于1GHz超低功耗无线MCU,采用ARM Cortex-M3内核,工作频率48MHz,主要用在315-, 433-, 470-, 500-, 779-, 868-, 915-和...