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作者：Sriram Narayanan 和 Dave Freeman，德州儀器 (TI) 如果我們周?chē)南到y能夠自己檢測其環(huán)境變化并做出反應，這毫無(wú)疑問(wèn)會(huì )徹底改變我們的生活。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )就是這樣一個(gè)系統，系統中的一些分布式傳感器實(shí)施（節點(diǎn)）通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式相互通信，共同對物理刺激做出響應。本文概述了節點(diǎn)的一些最新發(fā)展情況，幫助您了解系統級的設計方法。 圖 1 顯示了一個(gè)實(shí)例網(wǎng)絡(luò )以及每個(gè)節點(diǎn)的子系統�；谝子诓渴鸷透桶惭b成本方面的考慮，各個(gè)節點(diǎn)都要求能夠以無(wú)線(xiàn)方式通信。為了降低通信開(kāi)銷(xiāo)和縮短響應時(shí)間，我們希望節點(diǎn)能夠本地處理傳感器數據，并可以控制傳動(dòng)器。對大量的節點(diǎn)進(jìn)行日常維護（例如：電池更換等），其成本可能會(huì )極其的高。理想的情況是僅依靠存儲/采集能源傳感器便可持續工作數年時(shí)間。 
圖 1 傳感器節點(diǎn)通過(guò)采集能源供電，自主判斷其環(huán)境變化情況，并可利用多種協(xié)議進(jìn)行通信。 傳感器、無(wú)線(xiàn)電設備和微控制器 (MCU) 的選擇取決于具體的應用性質(zhì)。本文重點(diǎn)介紹辦公環(huán)境下的傳感器網(wǎng)絡(luò )，其面向的應用包括能源管理、安全或者資源規劃等。 能源與存儲 光能通常是室內環(huán)境下存在最多的一種環(huán)境能源形式�，F代的一些太陽(yáng)能電池（由非晶硅制成），在一個(gè) 200 lux 熒光燈光源的照射下，可產(chǎn)生約 5 uW/cm2。表 1列舉出了能源獲取速率的估計值，其表明一塊 10 cm2 太陽(yáng)能電池可產(chǎn)生 70–120 uW。 表 1 一般室內熒光燈照明環(huán)境下的能源獲取速率近似值
微型熱發(fā)電機利用一定的溫度梯度來(lái)產(chǎn)生電能。但要產(chǎn)生 15 uW/cm3 的功率密度，熱采集器需要約 10oC 的熱梯度。許多應用環(huán)境，特別是室內環(huán)境，都沒(méi)有較大幅度的溫度波動(dòng)。因此，熱采集器的適用性受限于這些環(huán)境。 當今的一些振動(dòng)能源采集器，需要約 1.75–2.00 g 的加速度（室內環(huán)境一般沒(méi)有這么大的量級）來(lái)產(chǎn)生 60 微瓦的功率。 能量存儲的板上容量非常有限，而采集環(huán)境能源的機會(huì )也很有限，因此需要傳感器非常節省地使用能源。例如，電池容量為 100 mAh 的一塊太陽(yáng)能電池獲得 70 uW，便可為 10 年的節點(diǎn)使用壽命提供一半時(shí)間的供電。該節點(diǎn)必須讓其各子系統工作，且平均功耗不得高于 39 uW。 節點(diǎn)子系統 MCU、無(wú)線(xiàn)電設備、傳感器和傳動(dòng)器具有極為不同的功耗/性能特性。要想滿(mǎn)足系統功耗預算，要求傳感器節點(diǎn)以最佳的方式管理其子系統。圖 1 顯示了用于實(shí)現一個(gè)節點(diǎn)的一些子系統。 現代的一些低功耗 MCU 工作在約 1MHz 時(shí)鐘頻率下時(shí)，其峰值功耗約為 345 uW。假設傳感器數據處理要求一般為中等，MCU 的占空比可以極�。ɡ纾盒∮�1%），以降低平均功耗。 傳感器節點(diǎn)通常以相對較低的速率，傳送物理現象和相關(guān)控制消息等信息。表 2 總結了一些重要低功耗無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的顯著(zhù)特性。 表 2 一些低功耗通信架構比較
表 2 列舉的功耗量，僅作為系統設計的一般指導原則。隨著(zhù)收發(fā)器設計的發(fā)展，其功耗越來(lái)越低。選擇某種收發(fā)器構架時(shí)，考慮設計的各個(gè)方面很重要。無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng) (LAN) 收發(fā)器比 Zigbee® 收發(fā)器消耗更少的能源/比特，但其針對更高的數據速率進(jìn)行了優(yōu)化，峰值功耗更高。 與室內應用相關(guān)的一些傳感器實(shí)例包括：溫度計、溫度傳感器、麥克風(fēng)和被動(dòng)式紅外傳感器�，F在的一些溫度及濕度傳感器和麥克風(fēng)，峰值功耗約為 70–80 uW。能夠探測人類(lèi)活動(dòng)的一些被動(dòng)式紅外傳感器的峰值功耗一般為 100–500 uW。溫度及濕度傳感器監測緩慢變化的現象，并且工作在低占空比下，而用于探測運動(dòng)的其它一些傳感器關(guān)閉則會(huì )降低探測性能。在許多應用中，傳感器需要比數據處理或者無(wú)線(xiàn)通信更多的能源。因此，滿(mǎn)足系統功耗預算，要求使用創(chuàng )新的方法來(lái)管理傳感器。 結論 盡管在計算、通信和傳感方面都有了巨大的進(jìn)步，但是缺乏足夠的電源和能源，這仍然是擺在實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )面前的一個(gè)嚴峻挑戰。能源采集和存儲的一些技術(shù)進(jìn)步在不斷的緩解電源瓶頸，但終端應用的一些需求也在不斷推高其要求。若想拉近這種持續存在的電源-需求差距，要求一種系統級的設計方法，對性能進(jìn)行最佳的折中處理，以實(shí)現節能目的，同時(shí)保證最低限度的服務(wù)質(zhì)量。未來(lái)的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)，將會(huì )自主適應隨時(shí)間變化的應用需求和能源供應。 |
