中心議題：

• 介紹ISM和WSN頻帶的無線標準
• 無線傳感器網絡概述

解決方案：

• WSN應用的星形網絡拓撲結構
• WSN應用的網狀網絡拓撲結構

近年來，無線技術的爆炸式發展催生了多種工業、科學及醫療(ISM)頻帶無線標準。由於有了這些新標準，各種無線應用滲透到我們日常生活的方方麵麵。毫無疑問，無線傳感器網絡(WSN)便是一種最為受益於這些標準的重要應用。

我們可以設想有一位美國中西部的農民正麵臨著一個這樣的挑戰：如ru何he對dui幾ji千qian頭tou牛niu的de體ti溫wen進jin行xing日ri常chang監jian控kong
，以yi便bian防fang止zhi諸zhu如ru口kou蹄ti疫yi等deng危wei及ji其qi牛niu群qun生sheng存cun的de動dong物wu疾ji病bing發fa生sheng。利li用yong無wu線xian技ji術shu，在zai每mei頭tou牛niu的de身shen上shang安an裝zhuang一yi個ge帶dai有you無wu線xian發fa射she器qi的de溫wen度du傳chuan感gan器qi，將jiang其qi體ti溫wen讀du取qu數shu據ju發fa射she至zhi一yi個ge主zhu端duan子zi便bian可ke以yi輕qing鬆song地di克ke服fu這zhe些xie挑tiao戰zhan。這zhe是shi一yi個geWSN的簡單例子，其表明無線技術的使用可以節省大量的時間和成本。本文將簡單介紹ISM頻帶和WSN
，以及支持它們的一些無線標準。

工業科學及醫療頻帶概況

ISM頻帶是無須授權、任何人均可使用頻譜的一部分。在ISM頻帶開發產品的唯一要求遵守這部分頻譜的一些規定。這些規定因國家不同而各異。在美國，聯邦通信委員會(FCC)負責製定這些規定，而在歐洲“歐洲電信標準研究所(ETSI)”才是監管機構。“FCC條例”第15部分規定了美國的頻帶要求。圖1說明了各種頻率和頻帶，並列出了相應的監管機構。

圖1 工作在ISM頻帶的不同無線標準

2.4GHz頻帶和幾種1GHz以下頻帶是今天最廣泛使用的ISM 頻率空間。由於2.4GHz頻帶如此的紛繁雜亂

，一些產品研發活動正在轉向5GHz頻帶——但由於存在有效通信距離問題這一趨勢仍然非常有限。2.4GHz是一種通用頻帶
，而分配給低功耗無線應用的1GHz以下頻帶在不同國家存在不同的情況。在美國
，最普遍的剩餘頻帶為902～928MHz
，而在歐洲大多數無線通信活動都集中在868MHz頻率範圍內。

當需要與其他係統通用，以及在不同地理空間中工作運行是一個關鍵問題時
，我們推薦使用2.4GHz頻帶。使用2.4GHz頻帶的主要缺點是其擁擠的空間，以及由於2.4GHz頻率較差的傳輸特性所帶來的有限通信距離。

選擇在1GHz以下頻帶設計產品有助於解決在2.4GHz頻帶麵臨的一些問題
；然而
，1GHz以下頻帶也存在一些其自身的局限性：

1 受限占空比

2 無法實現與其他係統的互操作性

3 不同地理空間工作限製（例如，針對美國902～928MHz頻帶設計的無線儀表無法在歐洲正常工作）
根據不同的頻率、目標數據速率
、距離，以及互操作性的理想水平，新出現了幾種工作在ISM頻率空間中的標準。圖1顯示了無線工程師進行產品開發時最常使用的一些標準。
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無線傳感器網絡概況

很明顯，“智能”環境代表了建築
、公共事業、工業、家庭
、交通運輸和農業下一個演變發展階段。因此，人們對WSN的關注度正在穩步上升。一個WSN由許多分布於某個地理區域的傳感器組成。

WSN一般都包括一台主機或者“網關”
，qitongguoyigewuxiandiantongxinlianluyudaliangwuxianchuanganqijinxingtongxin。shujushoujigongzuozaiwuxianchuanganqijiedianwancheng，beiyasuohou，zhijiechuanshugeiwangguan
，huozheruguoyouyaoqiu，yekeyiliyongqitawuxianchuanganqijiedianlaijiangshujuchuandigeiwangguan。zhihou
，wangguanbaozhenggaishujushixitongdeshurushuju。

每(mei)個(ge)無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)都(dou)被(bei)看(kan)作(zuo)一(yi)個(ge)節(jie)點(dian)，擁(yong)有(you)無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)能(neng)力(li)，同(tong)時(shi)還(hai)具(ju)有(you)一(yi)定(ding)的(de)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)與(yu)網(wang)絡(luo)數(shu)據(ju)的(de)智(zhi)能(neng)。根(gen)據(ju)應(ying)用(yong)的(de)類(lei)型(xing)，每(mei)個(ge)節(jie)點(dian)都(dou)可(ke)以(yi)有(you)一(yi)個(ge)指(zhi)定(ding)的(de)地(di)址(zhi)。圖(tu)2顯示了某個節點的通用結構圖。它一般會包括一個傳感裝置、一個數據處理微控製器，以及一個無線連接RF模塊。根據不同的網絡定義，RF模塊可以起到一個簡單發射器或者收發器 (TX/RX)的作用。進行節點設計時，注意電流消耗和處理能力非常的重要。微控製器的內存非常依賴於所使用的軟件棧。

圖2 一個WSN節點的通用結構圖

圖3顯示了家庭環境中應用的一個WSN。在這種網絡中，我們可以觀察到不同類型的傳感器，例如，運動檢測器、散熱器、溫度監控，等等。

WSN針對4種主要目標：

1 讀du取qu給gei定ding位wei置zhi的de一yi些xie參can數shu值zhi，並bing將jiang其qi發fa送song給gei主zhu處chu理li中zhong心xin。在zai農nong業ye應ying用yong環huan境jing中zhong，例li如ru，前qian麵mian介jie紹shao的de牛niu群qun等deng，讀du取qu每mei頭tou牛niu的de體ti溫wen可ke幫bang助zhu確que定ding哪na一yi頭tou牛niu需xu要yao更geng密mi切qie的de監jian控kong。

2 監控某些事件的發生，例如，在醫療應用中
，對血壓和脈搏以及心律峰值進行監控。

3 對具體物體的運動進行跟蹤，廣泛應用於軍事領域中，以跟蹤敵方車輛。

4 幫助分類探測對象
，特別是在交通控製應用環境中。

WSN中使用的兩種主要拓撲結構：

A) 星狀網絡：如圖4所suo示shi，星xing狀zhuang網wang絡luo由you一yi個ge點dian對dui多duo點dian無wu線xian連lian接jie組zu成cheng，其qi一yi台tai單dan主zhu機ji以yi雙shuang向xiang或huo者zhe單dan向xiang方fang式shi連lian接jie至zhi幾ji個ge節jie點dian。如ru果guo低di功gong耗hao和he低di軟ruan件jian開kai銷xiao為wei關guan鍵jian參can數shu，則ze這zhe種zhong拓tuo撲pu結jie構gou非fei常chang值zhi得de關guan注zhu。其qi存cun在zai的de局ju限xian性xing是shi有you效xiao通tong信xin距ju離li，因yin為wei每mei個ge節jie點dian都dou要yao在zai主zhu機ji通tong信xin距ju離li範fan圍wei以yi內nei。有you幾ji種zhong標biao準zhun可ke以yi用yong於yu實shi現xian這zhe種zhong拓tuo撲pu結jie構gou。藍lan牙ya、IEEE 802.15.4或者專有係統為使用最為廣泛的一些標準。注意，由於一些藍牙協議的局限性，藍牙平台並未獲得廣泛的接受。

圖4 WSN 應用的星形網絡拓撲結構

B) 網狀網絡：在網狀網絡拓撲結構中，如圖5所(suo)示(shi)，節(jie)點(dian)與(yu)許(xu)多(duo)冗(rong)餘(yu)互(hu)連(lian)連(lian)接(jie)在(zai)一(yi)起(qi)。如(ru)果(guo)某(mou)個(ge)節(jie)點(dian)故(gu)障(zhang)，有(you)許(xu)多(duo)其(qi)他(ta)方(fang)法(fa)讓(rang)兩(liang)個(ge)節(jie)點(dian)進(jin)行(xing)通(tong)信(xin)。這(zhe)種(zhong)拓(tuo)撲(pu)具(ju)有(you)較(jiao)好(hao)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)，但(dan)在(zai)電(dian)流(liu)消(xiao)耗(hao)和(he)軟(ruan)件(jian)開(kai)銷(xiao)方(fang)麵(mian)付(fu)出(chu)代(dai)價(jia)非(fei)常(chang)大(da)。這(zhe)種(zhong)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)所(suo)有(you)權(quan)或(huo)者(zhe)Zigbee標準來實現。[page]

圖5 WSN應用中所使用的網狀網絡拓撲
 

結論

WSNmeitiandouzaifazhan
，ersuizhichuxiandexinbiaozhunyeyuelaiyueduo。raner，xuyaozhuyideshidaduoshuzhexiebiaozhundouhaimeiyoudadaochengshudeshuiping。xiangfan
，tamendouhaichuzaiganggangqibudejieduan。yiweiyanjinde WSN 設計工程師會在架構以及特定標準的能力方麵深入研究其網絡需求，以便滿足電流消耗、最大允許節點數、電池壽命、數據速率和工作頻率等關鍵要求。