无线传感器网络的应用市场和解决方案

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’s Law) 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。

应用市场

无线传感器网络的应用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 、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 IEEE 802.15.4 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。

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 (IEEE 802.11b, 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。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 ，并使网络拥有了针对任何单无线链路故障的免疫力。