无线传感器网络的挑战和解决方案

IntersilIntersilIntersilIntersil社区：://intersil.eefocus.com/://intersil.eefocus.com/无线传感器网络的挑战和解决方案背景我们生活在一个布满传感器的世界里。在我们工作的大厦中，安放了用于监视温度、占用情况、烟雾和火、以及安全的传感器。我们的座驾所包含的传感器即使没有几百个，至少也有数十个，它们负责监测引擎性能、制动和乘客安全设备…等等。制造环境也需要传感器，因为您无法控制自己所不能测量的参数。在制造产品的同时要满足安全、质量和效率目标必须使用大量的传感器。在过去不长的几十年里，传感器的尺寸大为缩小，同时价格和功率也有所降低，这部分得益于摩尔定律(Moore’sLaw)和MEMS革命的推动。不幸的是，传感器的安装成本却没有同步下降。与用于传输电力和数据的电线布设成本相比，传感器本身的成本通常就是“小菜一碟”了。以离我们最近的电灯开关为例：即使在新的建筑物中，一个价值1美元的开关其电线排布成本也可达到50美元，其中大部分是人工费用。而如果想把这个开关移到相邻的墙壁，那么这种翻新改造的代价则高得多了。在工业过程自动化中，可接受的经验法则是：安装一个传感器的成本为10000美元，即使只是一个简单的开关也不例外。在这种造价昂贵的环境中，许多传感器只是将数据报告给一个局部控制器——当安装有几百或几千个传感器时，几乎或根本无法获知“全局”。人们需要的是一种廉价和可靠的网络传感器方式。几乎从马可尼(Marconi)时代起，人们就已经开始使用无线方式传输来自IntersilIntersilIntersilIntersil社区：://intersil.eefocus.com/://intersil.eefocus.com/传感器的数据，获得了复杂的结果。传统上，此类链路采用线路供电并且是点对点型的，常常具有因环境条件而致的时变可靠性。这虽然适合于某些应用，然而对于多数应用而言局限性却很大。市场无线传感器网络(WSN)的市场包括楼宇自动化、工业控制、家庭自动化、智能电网和自动化计量基础设施(AMI)、工业过程自动化、环境监测、泊车与交通基础设施、能耗监测和库存管理。在大多数场合，这些都是双向不对称数据收集应用，大量的检测点将数据发送至一个中央主机，该中央主机可利用一个过程设定点或其他配置变更做出响应。技术选择从理想的角度来说，客户当然希望拥有这样一种技术：成本低、可不受限制地安放传感器、以低延迟可靠地接收周期性数据、并在不更换电池的情况下于设备的使用期限内连续运行。近期的技术进步使我们能够在许多市场上提供上述特性。为担负这项任务，有多种技术正在展开竞争，包括卫星、蜂窝、Wi-Fi以及一系列基于IEEE802.15.4无线标准的解决方案。这些技术可帮助用户组建用于收集传感器数据的WSN。IntersilIntersilIntersilIntersil社区：://intersil.eefocus.com/://intersil.eefocus.com/卫星和蜂窝技术是许多应用的合适之选，但它们每个数据包的能源成本是最高的。而且，数据包月费用也令人望而却步(虽然这种情况随着运营商们推出适合相对稀疏数据流量的收费模式而有可能得到一定的改观)。再有，覆盖范围也会是一个问题。显然，卫星或蜂窝电话信号很难走出阻碍严重的建筑物，而传感器通常并不能够左右移动并询问“现在您能听到吗?”。不过，对于那些具有上佳连通性并以非常低数据速率(例如：每天传送一个数据包)发送信息的应用而言，卫星或蜂窝技术是十分有用的。Wi-Fi(IEEE802.11b,g)传感器目前得到了广泛的使用。Wi-Fi数据包的能源成本远低于蜂窝技术，而且没有数据的经常性费用。连通性和覆盖范围仍然是重要的问题，因为与移动人性化系统的需要相比，利用一个固定传感器实现可靠通信所需的接入点密度通常会更高。在参考OSI分层模型的基础上，802.15.4标准定义了一个针对短程、低功率操作的物理层(PHY)和媒体接入控制(MAC)层，非常适用于无线传感器网络。该无线标准具有相对较低的数据速率(至250kbps以下)；数据包简短(128字节)且为低能耗。例如：发送几个字节的传感器数据以及路径、加密、和其他标头所需的时间少于1ms。这过程采用少于30µC的电荷，包括接收一个安全链路层确认信号(见图1)。传感器能发送来自方邻传感器的无线数据包，从而扩展了网络的覆盖范围(远远超出了单无线射频的覆盖范围)，并使网络拥有了针对任何单无线链路故障的免疫力。IntersilIntersilIntersilIntersil社区：://intersil.eefocus.com/://intersil.eefocus.com/图1：发送一个简短802.15.4数据包和接收一个确认信号所需的能量性能度量指标各种不同WSN解决方案的评估基于两个问题：“我能否快速地获得所有的数据?”和“成本将达到多少?”。WSN必须专为在具有低至约50%的链路层数据包递交率(PDR)的环境中工作而设计。当开发无线数据收集系统时，有几项性能指标是必须满足的。首先，系统必须满足一个最小可靠性目标。就工业应用而言，目标通常是至少接收99.9%的生成数据，因为丢失的数据会触发代价高昂的警报条件。其次，系统必须支持一定的吞吐量，即每秒传送若干个传感器数据包。第三，这些数据包仅当其在某个最大延迟周期以内收到时才有效。许多处理器依靠的是最新数据更新——对于控制来说，过期数据或许不具备实用性。第四，不少系统必须在严苛的环境中运作，此类环境包括宽温度范围及本质安全限制条件。只有那些满足了所有上述四IntersilIntersilIntersilIntersil社区：://intersil.eefocus.com/://intersil.eefocus.com/项要求的解决方案才被认为适合做进一步的评估。当研究各种满足相关要求的解决方案时，关键的选择标准变成了“拥有成本”和“灵活性”。拥有成本涵盖多个方面：产品开发、安装、硬件以及设备使用期限内的供电。与有线解决方案相比，无线技术大幅度地降低了安装成本，不过，电池供电型无线设备却有可能需要在网络的使用期限内更换电池。另外，还需要在以下两种选择方案之间进行权衡，即：构建具有少量高功率设备的网络(以降低硬件成本)抑或构筑采用大量低功率设备的网络。对于那些由能量收集单元(例如：太阳能、热电)供电的设备，大部分的成本或许取决于电容器尺寸。诸如时分多址(TDMA)等采用确定性调度的解决方案可帮助将大电流事件尽可能地分离开来，从而降低电容器尺寸要求。由于最终的部署情况不可预知，因此网络的设计必须具备高度的灵活性。网络所安装的传感器数量必须是可调节的(从少到多)，网络的密度也须具备从低到高的调节范围。为了在多种多样的无线环境中保持坚固性，资源配置应确保设备可在适度干扰的条件下可靠地通信，而且当个别设备丢失时，网络应能继续正常运行。附加的资源(包括更多的无线链路、用于每部设备的更多相邻设备、或更多的信号放大)可改善可靠性与延迟。所有这些附加资源都将导致功率成本的增加，可利用动态分配最大限度地减小这种功率成本的上涨。基于标准的解决方案可避免采用单一供应商组件时所遇到供应链难以预测的变化，并可保证同意在运作的管理原理(例如：安全性架构)。IntersilIntersilIntersilIntersil社区：://intersil.eefocus.com/://intersil.eefocus.com/挑战就实质而言，无线通道是不可靠的，而且许多现象都会阻止一个已发送的数据包到达接收器。此类现象之一就是干扰。假如两个独立的发送器在同一个通道上传送数据(因而其信号重叠)，它们就有可能在接收器的无线电路中损坏彼此的信号。这就要求发送器进行重发，代价将是时间和能源消耗的增加。如果基础媒体接入技术未排定无争用通信，则干扰可能来自同一个网络。倘若两个发送器能够“听到”接收器，但相互之间听不到(这被称为“隐藏终端问题”)，那就特别成问题了，它需要退下来并用确认机理来解决冲突。干扰也可能来自工作于相同无线电空间里的另一个网络，或者一种使用同一频段的不同无线电技术。后者(被称为“外部”干扰)尤其存在于无需申请许可的频段，例如：2.400至2.485GHz的仪表、科学和医学(ISM)频段、Wi-Fi、蓝牙和802.15.4等都工作在此频段上。图2中的曲线是通过以下方法获得的：在一个办公环境中部署45个802.15.4节点，让它们交换1200万个均匀分布在16个802.15.4通道上的数据包。该曲线图描绘了这些数据包的平均数据包递交率与用于传送它们的通道之间之函数关系；在重叠了Wi-Fi通道的通道上，该递交率较低。IntersilIntersilIntersilIntersil社区：://intersil.eefocus.com/://intersil.eefocus.com/图2：在2.400至2.485GHz频段中Wi-Fi和802.15.4之间的干扰。第二种现象是图3所示的多径衰落，它会阻止一个已发送的数据包到达接收器，而且不仅更具破坏性，量化也更加困难。这通常被描述为“自干扰”，当接收器同时接收到发送器通过视线路径传送的信号以及环境中的物体(地板、天花板、门、人…等等)所反射的同一信号时，就会发生此类现象。由于那些“拷贝信号”的传输距离不同，因此它们到达接收器的时间不一样，从而有可能产生破坏性的干扰。20dB~30dB的衰落并不是少见。IntersilIntersilIntersilIntersil社区：://intersil.eefocus.com/://intersil.eefocus.com/图3：多径衰落导致链路质量发生显着变化，即使在接收器仅仅移动了几厘米时也不例外图3是通过以下方法获得的：让一个发送器将1000个数据包传送至一个5m之外的接收器，并把该接收器轮流安放在一个35cmx20cm网格的每个点以重复上述过程。z轴代表该链路上的数据包递交率。虽然链路在大多数位置上均处于良好状态，但在某些位置上却由于多径衰落的原因而未能成功地接收数据包。多径衰落取决于环境中每个物体的位置和性质，而且在任何实际设置中都是不可预知的。一个优良的特性是：图3中描绘的“分布状况”会随频率而变化。即：假如某个数据包因多径衰落之故而未被接收，那么在一个不同的频率上重新进行发送其获得成功的概率是很高的。由于环境中的物体不是静态的(例如：有车辆从旁边驶过以及门的开闭等)，IntersilIntersilIntersilIntersil社区：://intersil.eefocus.com/