傳感器用于測量和數(shù)據(jù)采集；但是它們需要有效的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，以使成熟的應(yīng)用程序能夠利用它們收集的數(shù)據(jù)。流行的數(shù)據(jù)傳輸方法是通過無線方式。在無線機(jī)制中，由于多種原因，802.11 Wi-Fi脫穎而出。Redpine關(guān)于傳感器應(yīng)用中使用Wi-Fi的內(nèi)容豐富的論文描述了這些優(yōu)勢。并且還涵蓋了此類應(yīng)用場景的實(shí)現(xiàn)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

如圖1所示，在中央設(shè)施監(jiān)視的一組傳感器通常稱為“傳感器網(wǎng)絡(luò)”，從中得出的傳感器網(wǎng)絡(luò)被組織為相互連接的節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格。傳感器部署在各種環(huán)境中并用于多種用途，包括樓宇自動(dòng)化，設(shè)施管理，環(huán)境監(jiān)控，工業(yè)自動(dòng)化，軍事區(qū)，資產(chǎn)管理等。傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)已使用專有的無線傳輸機(jī)制，并且最近使用基于標(biāo)準(zhǔn)的無線傳輸（例如Zigbee或Bluetooth）。

這些無線機(jī)制的特點(diǎn)是運(yùn)行功率低，成本低，覆蓋范圍小，并且具有專有的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，包括網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。傳感器有可能充當(dāng)中繼器，并能夠適應(yīng)不斷變化的情況。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

但是，近來，基于802.11'Wi-Fi'的無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在企業(yè)和工業(yè)環(huán)境中普及，尤其是其中經(jīng)常部署傳感器的環(huán)境。完善的標(biāo)準(zhǔn)化無線網(wǎng)絡(luò)的存在為傳感器的部署帶來了新的可能性-使用Wi-Fi作為傳輸機(jī)制。802.11當(dāng)然不是在考慮傳感器應(yīng)用程序的情況下設(shè)計(jì)的，但是實(shí)現(xiàn)方面的創(chuàng)新使802.11的使用成為可能，同時(shí)滿足了所有傳感器要求和更多要求。

典型的Wi-Fi部署將放置一組接入點(diǎn)，以覆蓋整個(gè)運(yùn)營區(qū)域-可能是大型工廠車間，多個(gè)辦公室，醫(yī)院，校園等。在幾乎所有情況下，網(wǎng)絡(luò)都是星形配置，可以提供客戶端漫游或切換功能。接入點(diǎn)通過有線連接或部分通過無線分配系統(tǒng)連接到企業(yè)網(wǎng)絡(luò)。這種情況下的優(yōu)勢之一是中央控制器或協(xié)調(diào)器的位置-它可以位于網(wǎng)絡(luò)上的任何位置，并具有Internet連接，可能位于世界的任何位置。使用基于IP的標(biāo)準(zhǔn)化傳輸，無需添加其他網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)即可將傳感器信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)的任何部分。

Wi-Fi還可以用于確定和提供客戶端設(shè)備的位置。通常，設(shè)備的傳輸由多個(gè)接入點(diǎn)或接收器接收，或者設(shè)備從多個(gè)接入點(diǎn)接收信標(biāo)。測量的相對信號強(qiáng)度或相對到達(dá)時(shí)間為定位客戶端設(shè)備提供了方法。這些場景中的接入點(diǎn)都經(jīng)過仔細(xì)定位，以提供最佳的測距測量，并且在部署場景的信號傳播細(xì)微差別之前進(jìn)行了全面的測量。

傳感器節(jié)點(diǎn)要求

當(dāng)然，“傳感器”本身就是收集數(shù)據(jù)的設(shè)備–用于測量溫度，濕度，壓力，接近度，位置流量，聲音，存在，液體或氣體等的傳感器。傳感器可輕松部署在任何位置。最終的“傳感器節(jié)點(diǎn)”是一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備，可收集數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行處理并將其無線傳輸至控制單元。傳感器節(jié)點(diǎn)具有以下特征，可以成功部署具有成本效益的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：

• 極低的功耗，具有多年的電池壽命
• 標(biāo)準(zhǔn)化無線傳輸
• 良好的無線范圍，易于部署
• 與附近的其他無線設(shè)備共存的能力
• 易于配置
• 低成本

傳感器節(jié)點(diǎn)

現(xiàn)在，我們將了解如何在基于Wi-Fi的傳感器解決方案中滿足所有這些要求。Wi-Fi傳感器節(jié)點(diǎn)。

圖2描繪了傳感器節(jié)點(diǎn)的典型配置。微控制器是設(shè)計(jì)中的主要編程元素。它配置傳感器和無線子系統(tǒng)；并根據(jù)需要處理電池或電源管理以及傳感器數(shù)據(jù)的調(diào)節(jié)。它也可能是提供超低功耗定時(shí)睡眠模式的設(shè)備或功能塊。Wi-Fi子系統(tǒng)可以根據(jù)使用的芯片組以各種方式進(jìn)行劃分，但通常由MAC，基帶處理器，RF收發(fā)器和RF前端組成。

系統(tǒng)的電池消耗取決于幾個(gè)因素。它們包括傳感器的功耗，微控制器和無線子系統(tǒng)的活動(dòng)模式功耗以及睡眠模式下的功耗。在典型的工作占空比為幾毫秒打開而幾分鐘關(guān)閉的情況下，整個(gè)能量消耗可能由睡眠模式功率決定，其他影響因素是喚醒時(shí)達(dá)到工作點(diǎn)所花費(fèi)的時(shí)間，當(dāng)然，峰值活動(dòng)模式消耗。用于關(guān)鍵監(jiān)視的傳感器通常也始終保持活動(dòng)狀態(tài)，在這些情況下，傳感器的功耗變得很重要。基于Wi-Fi的傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本優(yōu)點(diǎn)是，沒有傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)負(fù)擔(dān)從其他節(jié)點(diǎn)中繼數(shù)據(jù)的需求。

無線信道上的數(shù)據(jù)傳輸可以采用兩種模式之一。在第一種模式下，節(jié)點(diǎn)在完全傳輸?shù)絎i-Fi網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的情況下，在傳輸其數(shù)據(jù)之前被喚醒并關(guān)聯(lián)到接入點(diǎn)或BSS。在第二模式下，傳感器節(jié)點(diǎn)喚醒并發(fā)送數(shù)據(jù)，而無需執(zhí)行與BSS的關(guān)聯(lián)過程。在這種情況下，將需要對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)或控制器進(jìn)行自定義以接收此數(shù)據(jù)。普通或現(xiàn)成的接入點(diǎn)將不會(huì)處理或響應(yīng)未關(guān)聯(lián)的客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)包，除非它們是特殊類型的數(shù)據(jù)包，例如探測請求。但是，此模式的優(yōu)點(diǎn)是傳感器節(jié)點(diǎn)在較短的時(shí)間內(nèi)處于喚醒狀態(tài)，從而延長了電池壽命。兩種模式下的顯著優(yōu)點(diǎn)是所有傳輸都可以完全遵守802.11協(xié)議的沖突避免機(jī)制。并且在擁擠的ISM頻段中，所有傳輸設(shè)備都遵循相同的協(xié)議是有利的，可確保最大程度地避免沖突。

802.11的功率優(yōu)勢來自使用高傳輸數(shù)據(jù)速率以最小化活動(dòng)時(shí)間。借助高達(dá)64-QAM的調(diào)制方案，Wi-Fi的頻譜效率也高于大多數(shù)其他協(xié)議。例如，總計(jì)為1k字節(jié)的傳感器信息可以802.11g或802.11n格式在短至160毫秒的時(shí)間內(nèi)發(fā)送，或者更常見的數(shù)據(jù)字節(jié)可以在大約30μs的時(shí)間內(nèi)發(fā)送。因此，通常，準(zhǔn)備無線子系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)所花費(fèi)的時(shí)間會(huì)消耗大量能量。因此，子系統(tǒng)針對這些應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，以盡可能快地開啟。

功耗操作說明

一個(gè)重要的要求是在部署之前以及部署之后（在某些情況下）易于配置。設(shè)備的出廠配置通常包括RF校準(zhǔn)，MAC地址和某些配置特定的信息。其他參數(shù)（如無線網(wǎng)絡(luò)配置，IP地址，報(bào)告間隔和其他操作參數(shù)）通常是通過串行接口配置的。在某些情況下，還可以通過特殊模式通過無線接口本身對其進(jìn)行配置。這些配置接口還可以用于交付固件升級。

802.11n的優(yōu)勢

IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)主要提供高吞吐量，高效率和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)連接，并包括使用多個(gè)天線和收發(fā)鏈。但是，該標(biāo)準(zhǔn)還包括單流模式，旨在為包括傳感器節(jié)點(diǎn)的低功耗小型設(shè)備提供11n的優(yōu)勢。在這些客戶端設(shè)備中使用單流802.11n WLAN具有以下好處：

更高的吞吐量和更少的傳輸時(shí)間–通過提高PHY和MAC的效率來實(shí)現(xiàn)

范圍更廣–通過在接入點(diǎn)使用多個(gè)天線

保留802.11n網(wǎng)絡(luò)容量–傳統(tǒng)802.11a / b / g客戶端的存在迫使11n節(jié)點(diǎn)使用保護(hù)機(jī)制，并導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)容量整體下降。802.11n有助于避免這種情況。

傳感器節(jié)點(diǎn)中的RS10002-NBZ-S0M

Redpine Signals RS10002 WiSeMCUTM設(shè)備是業(yè)界首款具有多協(xié)議無線（Wi-Fi + Bluetooth + Zigbee）子系統(tǒng)的無線MCU。它是一個(gè)完全集成的模塊，具有超低功耗ARM Cortex M4F微控制器作為應(yīng)用處理器，內(nèi)置無線子系統(tǒng)，高級安全性，電源管理，頻率參考，RF功率放大器，分集式RF前端和被動(dòng)。RS10002設(shè)備非常適合傳感器應(yīng)用，因?yàn)樗梢允褂貌煌臒o線協(xié)議（Wi-Fi，BT，BT LE，ZigBee，BT）從多個(gè)傳感器收集數(shù)據(jù)，并使用Wi-Fi通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)級和配置文件驅(qū)動(dòng)的細(xì)粒度電源控制可提供5年以上的電池壽命。它提供了更高的吞吐量，從而導(dǎo)致更少的“清醒”時(shí)間，從而大大降低了功耗。RS10002-NBZ-S0M支持IPv6 / IPv4上的TCP / UDP，因此非常容易集成到現(xiàn)有的WLAN中。它支持無線配置，并提供多個(gè)數(shù)字和模擬接口，可與各種傳感器配合使用。

編輯：hfy