深入介绍无线通信模块在传感器中的应用

对于无线通信模块可能从字面上来理解大家就会认为是在网络构架中的通信相关作用的模块，但是本文介绍的无线通信模块是在传感器网络中的，包括各个层面的应用和协议  。

无线通信模块应用于传感器网络的数据通信协议包括物理层、链路层、网络层和应用层  。鉴于传感器网络节点的资源和运算能力，一般不定义传输层  。确实需要的话，可以在应用层中做适当的补充  。目前各层次协议还没有标准化  。

事实上，传感器网络与应用的联系非常紧密，不同的应用往往对通信指标有不同的要求，所以即使要对各个层次的协议进行标准化，也不太可能为所有的应用统一使用相同的协议  。一种比较合适的做法是，针对各种应用定义一组可行的通信协议  。

1．物理层协议物理层需要考虑编码调制技术、通信速率和通信频段等问题  。

编码调制技术影响占用频率带宽、通信速率、收发功率等一系列技术参数  。比较常见的编码调制技术包括开关键控、幅移键控、频移键控、相移键控和各种扩频技术，如跳频、直接序列扩频等  。不同的无线应用技术往往会选择几种作为其基本文持的调制方法，在后面的技术介绍中会有简单的例子  。

一般传感器网络定义为低功耗、低数据量传输、长期工作的无线网络，所以本身对于数据传输速率的要求并不高  。不过提高速率可以减少数据收发的时间，对于节能有一定好处，只是需要同时考虑提高网络速度对收发功率的影响  。一般用单个字节的收发能耗来定义数据传输对能量的效率，单字节能耗越小越好  。

无线通信特有的空间独占性决定在实际应用中必须要符合一定的规范  。各个国家对无线电子类产品都有指定部门进行监督和管理  。任何无线电产品在应用之前都要经过管理机构审批  。

无线频谱是一种不可再生的资源  。为了有效利用无线频谱资源，各个国家和地区都对无线电设备使用的频段、特定应用环境下的发射功率等作了严格的规定  。所以在传感器网络使用频段的选择上，也需要慎重考虑  。

2．4GH2频段在大多数国家都无需申请许可证，应该是传感器网络优先选择的传输频段  。另外，无线通信模块消耗的能量在传感器节点中占主要部分，所以考虑无线通信模块的工作模式和收发能耗很关键  。与手机、PDA等使用电池方式工作的设备一样，无线传感器节点的无线通信模块必须是能量可控的，并且收发数据的功耗要非常低，对于支持低功耗待机监听模式的技术要优先考虑  。

2．链路层协议传感器网络的链路层和其他网络的链路层一样，需要提供流量可控、传输可靠的点到点通信服务  。在某些特殊应用中往往还需要提供必要的安全机制，如秘密信息的加密传输和关键信息的认证机制  。
与其他网络不同，传感器网络本身对数据传输速率要求并不高，而对能否长期稳定工作要求很高  。在这种情况下，节点在大部分的时间里是休眠的，所以要求链路层协议能够解决通信同步问题，即通信节点双方需要在通信时同时唤醒  。另外，与无线集中交换式网络不同，传感器网络是一个分布式网络，所有节点在通信上地位都是对等的，也就是说没有优先级可言  。所以要让整个网络能够工作在有效状态，往往需要做到全网或者一定范围内所有节点的同步，而不是通信双方的简单同步  。

目前广泛应用的无线通信技术非常多，GSM(G10balSystem for Mobile CommMnication)和CDMA(Code DMsion MultiPle Access)等技术更适合移动性很强的集中交换式的网络(节点和基站之间只有一跳)  。在传感器网络中，这些技术主要用于汇聚节点与Intemet之间的互通  。

IEEE 802．门标准描述的无线局域网协议速率超过10Mbps，最大输出功率为20dB，传输距离长和穿透力较强，而且有优先级发送机制  。但其MAC协议复杂，运行功耗大，外围电路复杂，不适合在传感器网络中使用  。

1EEE 802．15系列标准由lEEE协会的无线个人区域网络(W此1ess PersonalArea Net—work，WPAN)工作组主导制定  。该系列标准主要应用于小范围的无线网络，例如应用在便携和移动计算设备中  。蓝牙(1EEE 802．15．1)是为固定、便携以及移动的设备在个人工作区范围内或进入个人工作区建立无线连接而制定的标准，同时为各种业务类型，包括话音和数据，增加了QoS方面的支持；IEBE 802．15．2标准主要解决蓝牙和wLAN共存的问题；802．15．3考虑高速的WPAN物理层和链路层，以支持多媒体方面的应用；802．15．4协议(即ZixBee协议)则是定义250kbps的低复杂度、超低功耗和超低价格的无线数据通信协议的物理层和MAC层，同时支持无线安全通信  。蓝牙协议的复杂度比乙gB“协议大，芯片的价格也比较高  。不过随着各种应用的普及，支持蓝牙技术的芯片的价格还有很大的下降空间  。蓝牙技术的传输速率能够达到1Mbps，ZigBee技术目前支持的最高速率为250kbps  。zigBee技术标准在设计过程中专门考虑了传感器网络的应用要求，在功耗方面、同步技术上以及安全问题方面都作了充分的考虑  。另外，除了2．4GH2的载波频段，zigBee还定义了700MHz和866MHz两个频段，同时支持多种数据通信速率的选择  。

zigB“很可能成为传感器网络使用的无线通信标准协议之一  。超宽带(UwB)技术最早研究短距离高速无线连接问题，旨在实现个人局域内的多媒体应用，距离在10m以内  。802．15．3a工作组的任务就是设计基于UWB的高数据传输率的物理层协议  。有两个技术联盟为高速UWB提供技术标准：MBOA(MultiBand oFDM A11iance)和wiMediaAlIiance  。MBOA以Intel公司和德州仪器公司为代表，提出了基于正交频分多路复用(0rthogonalFrequency—Division MMltiPlexing，oFDM)的无线技术方案；WiMedia A11iance以Freescale公司为代表，提出基于DS—CDMA的单频带技术方案  。2003年7月，802．15．4a工作组成立，其主要工作是定义支持低速率的UwB系统的标准  。这种标准主要针对速率在1kbPs—lMbps的应用系统，并且把更长的通信距离、低功耗、小于1m精度定位作为主要研究目标  。2004年7月，工作组开始为这种技术征集技术基础理论  。2005年1月，在美国加州Monterey举行的IEEE 802．15无线个人区域网络(WPAN)中期会议中，共有26项提案被正式公开发表在802．15．4a wPAN(低速率)标准化会议上  。工作组主席Pat Kinney建议眷进行融合(Merge)，3月份在美国亚特兰大市召开802*15全体会议时，将26个提案融合成最多6个共同提案；然后进行淘汰投票  。这种速率可调、有精确定位机制的为低功耗应用设计的通信协议，如果再加入必要的安全机制，一定会成为传感器网络最理想的通信协议之一  。

如前所述，无线传感器技术本身还是一个开放的研究领域，其无线网络协议还没有明确的标准，很多大学、研究机构还在不断研究各种新的MAC协议  。所以对于研究机构来说，无线通信模块可以不包括任何MAC层协议，而只提供物理层的收发数传功能的无线通信模块  。链路层和网络层都使用白定义协议  。为了研究各种网络层协议的方便，在Mote系列节点的大部分版本中使用这样的无线数传模块，如RFM公司的TRl000、ChiPcon公司的CCl000数传模块等  。