组成无线传感器的重要组件以及一些重要的设计考虑因素

作者：Joe Tillison, Technology Director

Avnet Electronics Marketing

“智能”能源管理应用和大量基于标准的低价无线MCU的普及刺激了市场上的无线传感器/致动器网络(WSAN)快速增长，这些市场包括家庭与楼宇自动化、远程医疗和照明等。据市场研究公司IDTechEx预测，到2019年WSAN市场将有近10倍的增长，规模达18亿美元。

WSAN为分布式监视与控制设备的部署提供了一种简单经济的方法，避免了有线系统所必需的昂贵改进。但对应用开发人员来说，射频设计经验的缺乏和对众多无线协议的困惑将会是他们面临最大的挑战。本文讨论了无线传感器网络和协议的一些基本概念、组成无线传感器的重要元件以及在使用方面的一些重要设计考虑因素。

无线传感器与致动器网络(图1)是随机散布的一些小型设备的集合，主要提供三大功能：监视物理与环境条件，如温度、压力、光线和温度，而且通常是实时的；操作开关、电机或致动器等调控这些条件的设备；通过无线网络提供高效可靠的通信。


图1：无线传感器/致动器网络。

最后一种功能的实现对WSAN来说是最独特的。由于WSAN是为低流量监视与控制应用设计的，因此没有必要支持像Wi-Fi数据网络那么高的数据吞吐量要求。典型的WSAN空中数据速率范围从20kbps至1Mbps。因此WSAN节点设备可以工作在低得多的功耗下，允许节点采用电池供电，并且物理尺寸可以很小。

WSAN通常具有自组织和自愈特性。自组织网络允许新节点自动加入网络，不需要人工干预。自愈网络允许节点重新配置其链路关联性，寻找绕道故障或断电节点的替代路径。这些功能的实现方式具体取决于网络管理协议和网络拓扑，最终也决定了网络的灵活性、可扩展性、成本和性能。

无线传感器网络使用三种基本的网络拓扑：点到点、星形(点到多点)或网状(图2)。点到点只是两个点之间的一条专用链路，实际上根本算不上网络。星形网络是点到点链路的汇聚，中心主节点管理固定数量的从节点，并用作所有上行通信的管道。


图2：基本的无线网络拓扑。

主节点也可以链接其它主节点，从而将星形网络扩展为各种不同的配置，有时这样的配置被称为群集或群集树网络(图3)。


图3：群集树式的扩展星形网络。

星形拓扑的缺点之一是主节点是单个故障点。如果主节点发生故障，整个子网络都将瘫痪。在网状拓扑中，每个节点都有多条路径到达其它节点，因此可以提供最大的弹性和灵活性。大多数实用的网状网络使用伪网格类型，采用的是支持路由的对等通信链路。消息利用多跳路由算法在网络中传输，而且这种算法专门针对最低时延或最低功耗作了优化。由于网状网中的每个节点必须通过路由表了解网络中的其它节点，因此网状网中每个节点要求的内存和处理开销比较高。

不同协议间的差异

网络管理协议将决定支持哪种拓扑，当节点加入或离开时网络如何进行重新配置。用于网络组建、自动配置、路由等的详细过程与具体协议有关。虽然像ZigBee和WirelessHART等一些WSAN协议已被广泛采纳，但其前景不是很明朗。因为有数十种竞争性且没有互操作性的协议存在，而且每种协议都有各自的优缺点，其中的许多协议是私有协议。虽然采用流行工业标准支持的协议可以保证多供应商的互操作性，但一些私有协议可以提供满足特定性能参数的解决方案，如简单性、网络弹性或安全性。另一方面，私有协议可能限制在未来网络扩展时只能用一家供应商的产品。

与用于数据通信的Wi-Fi不同，WSAN不可能有一种普遍适用的标准。相反，在特殊应用领域中某些协议已经成为事实上的标准，因为它们是最适合的。例如ZigBee，凭借对联盟成员来说有近5亿美元的美国智能电网市场，无疑将成为智能能源和家庭/楼宇自动化应用的主导标准。

WirelessHART是工业自动化应用中使用的已有(有线)高速可寻址远程传感(HART)协议的扩展，由HART联盟提供支持。与WirelessHART有关的ISA100.11a同样用于工业应用，另外它还能传送Modbus、Profibus和Fieldbus协议。也许6LoWPAN是最有吸引力的一种协议，该协议由小对象IP(IPSO)联盟推荐，可将小型嵌入式设备适配进IPv6网络。6LoWPAN协议定义了特殊的IP适配层，非常适合资源受限制的小内存设备使用，使这些设备具有互联网访问功能。

2010年5月，ZigBee联盟和IPv6论坛与IPSO联盟建立了战略性的合作伙伴关系，旨在加速IP联网型智能对象的普及，这是向物联网发展方面迈出的一大步。由于传感器节点需要靠近被监视或控制的环境变量附近，因此节点设计一般都要针对小型物理尺寸和低功耗进行优化。传感器节点中的基本设计元件包括微控制器、内存、射频通信、传感器/致动器接口、电源以及包含网络协议堆栈的固件(图4)。


图4：传感器节点框图。

堆栈是在MCU上执行的软件模块的一个集合，用于实现某种特定的协议。基于上述理由，堆栈是传感器设计中的一个重要组成部分。由于传感器节点中使用的MCU类型一般是低功耗、资源受限制的器件，因此协议堆栈必须小巧高效，并且通常挤在与传感器应用节点共享的64KB至128KB的MCU内部存储器中。

可以围绕各种性能需求对堆栈进行优化，如标准兼容性、功效、执行速度、内存容量等。折衷方案的数量似乎无穷无尽，这正是有这么多协议堆栈选项可供选择的原因。这些堆栈也可以针对特定的MCU架构进行优化，但是针对特定MCU的特定堆栈的可用性，可能会限制器件的选择。MCU供应商一般都向使用他们器件的客户免费提供经过测试和认证的堆栈，包括像ZigBee和6LoWPAN这样与标准兼容的堆栈，以及他们自己(通常是更简单)的私有堆栈。

在典型无线传感器/致动器节点的中心是小型超低功耗的微控制器(MCU)。由于传感器节点通常采用电池供电，因此必须仔细管理MCU功耗。大多数WSAN协议都能将节点配置为较短的活动工作占比。每隔几分钟，睡眠节点会苏醒以执行仅数十毫秒的任务。由于MCU在工作寿命内有99.9%的时间处于最低功耗(睡眠)模式，因此睡眠模式下使用的微小电流是一个关键参数。

目前市场上的许多MCU都提供1?A以下的睡眠电流。虽然睡眠模式电流很重要，但在活动模式下的低功耗以及处理速度也同样重要。MCU必须能够快速苏醒，能够快速执行目标任务，其中包括通信协议处理，然后在尽可能短的时间内返回睡眠模式，最大限度地减少活动模式下花的时间。

如图5所示，传感器的总平均功耗及最终电池寿命将取决于本身功耗指标以及活动/睡眠占比的贡献。


图5：平均功耗与睡眠/活动占比的关系。

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。