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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(tǒng)能夠自己檢測(cè)其環(huán)境變化并做出反應(yīng)，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(tǒng)，系統(tǒng)中的一些分布式傳感器實(shí)施（節(jié)點(diǎn)）通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式相互通信，共同對(duì)物理刺激做出響應(yīng)。本文概述了節(jié)點(diǎn)的一些最新發(fā)展情況，幫助您了解系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)方法。 圖 1 顯示了一個(gè)實(shí)例網(wǎng)絡(luò)以及每個(gè)節(jié)點(diǎn)的子系統(tǒng)。基于易于部署和更低安裝成本方面的考慮，各個(gè)節(jié)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(yīng)時(shí)間，我們希望節(jié)點(diǎn)能夠本地處理傳感器數(shù)據(jù)，并可以控制傳動(dòng)器。對(duì)大量的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行日常維護(hù)（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(chǔ)/采集能源傳感器便可持續(xù)工作數(shù)年時(shí)間。 
圖 1 傳感器節(jié)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(shè)備和微控制器 (MCU) 的選擇取決于具體的應(yīng)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(yīng)用包括能源管理、安全或者資源規(guī)劃等。 能源與存儲(chǔ) 光能通常是室內(nèi)環(huán)境下存在最多的一種環(huán)境能源形式。現(xiàn)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(jì)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(nèi)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(jī)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(yīng)用環(huán)境，特別是室內(nèi)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(dāng)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(nèi)環(huán)境一般沒(méi)有這么大的量級(jí)）來(lái)產(chǎn)生 60 微瓦的功率。 能量存儲(chǔ)的板上容量非常有限，而采集環(huán)境能源的機(jī)會(huì)也很有限，因此需要傳感器非常節(jié)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(jié)點(diǎn)使用壽命提供一半時(shí)間的供電。該節(jié)點(diǎn)必須讓其各子系統(tǒng)工作，且平均功耗不得高于 39 uW。 節(jié)點(diǎn)子系統(tǒng) MCU、無(wú)線(xiàn)電設(shè)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(tǒng)功耗預(yù)算，要求傳感器節(jié)點(diǎn)以最佳的方式管理其子系統(tǒng)。圖 1 顯示了用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的一些子系統(tǒng)。 現(xiàn)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(shè)傳感器數(shù)據(jù)處理要求一般為中等，MCU 的占空比可以極小（例如：小于1%），以降低平均功耗。 傳感器節(jié)點(diǎn)通常以相對(duì)較低的速率，傳送物理現(xiàn)象和相關(guān)控制消息等信息。表 2 總結(jié)了一些重要低功耗無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的顯著特性。 表 2 一些低功耗通信架構(gòu)比較
表 2 列舉的功耗量，僅作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般指導(dǎo)原則。隨著收發(fā)器設(shè)計(jì)的發(fā)展，其功耗越來(lái)越低。選擇某種收發(fā)器構(gòu)架時(shí)，考慮設(shè)計(jì)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(duì)更高的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行了優(yōu)化，峰值功耗更高。 與室內(nèi)應(yīng)用相關(guān)的一些傳感器實(shí)例包括：溫度計(jì)、溫度傳感器、麥克風(fēng)和被動(dòng)式紅外傳感器。現(xiàn)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(cè)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(jiān)測(cè)緩慢變化的現(xiàn)象，并且工作在低占空比下，而用于探測(cè)運(yùn)動(dòng)的其它一些傳感器關(guān)閉則會(huì)降低探測(cè)性能。在許多應(yīng)用中，傳感器需要比數(shù)據(jù)處理或者無(wú)線(xiàn)通信更多的能源。因此，滿(mǎn)足系統(tǒng)功耗預(yù)算，要求使用創(chuàng)新的方法來(lái)管理傳感器。 結(jié)論 盡管在計(jì)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(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)面前的一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。能源采集和存儲(chǔ)的一些技術(shù)進(jìn)步在不斷的緩解電源瓶頸，但終端應(yīng)用的一些需求也在不斷推高其要求。若想拉近這種持續(xù)存在的電源-需求差距，要求一種系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)性能進(jìn)行最佳的折中處理，以實(shí)現(xiàn)節(jié)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(jié)點(diǎn)，將會(huì)自主適應(yīng)隨時(shí)間變化的應(yīng)用需求和能源供應(yīng)。 |
