促進信息家電設備更加智能


無線傳感器網絡的逐漸普及，促進了信息家電、網絡技術的快速發(fā)展，家庭網絡的主要設備已由單一機向多種家電設備擴展，基于無線傳感器網絡的智能家居網絡控制節(jié)點為家庭內、外部網絡的連接及內部網絡之間信息家電和設備的連接提供了一個基礎平臺。


在家電中嵌入傳感器節(jié)點，通過無線網絡與互聯(lián)網連接在一起，將為人們提供更加舒適、方便和更人性化的智能家居環(huán)境。利用遠程監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)對家電的遠程遙控，也可以通過圖像傳感設備隨時監(jiān)控家庭安全情況。利用傳感器網絡可以建立智能幼兒園，監(jiān)測兒童的早期教育環(huán)境，以及跟蹤兒童的活動軌跡。


無線傳感器網絡利用現(xiàn)有的互聯(lián)網、移動通信網和電話網將室內環(huán)境參數、家電設備運行狀態(tài)等信息告知住戶，使住戶能夠及時了解家居內部情況，并對家電設備進行遠程監(jiān)控，實現(xiàn)家庭內部和外界的信息傳遞。


無線傳感器網絡使住戶不但可以在任何可以上網的地方，通過瀏覽器監(jiān)控家中的水表、電表、煤氣表、電熱水器、空調、電飯煲等及安防系統(tǒng)、煤氣泄漏報警系統(tǒng)、外人侵入預警系統(tǒng)等，而且可通過瀏覽器設置命令，對家電設備遠程控制。


無線傳感器網絡由多個功能相同或不同的無線傳感器節(jié)點組成，對一種設備進行監(jiān)控，從而形成一個無線傳感器網絡，通過網關接入互聯(lián)網系統(tǒng)，采用一種基于星形結構的混合星形無線傳感器網絡結構系統(tǒng)模型。傳感器節(jié)點在網絡中負責數據采集和數據中轉節(jié)點的數據采集，模塊采集戶內的環(huán)境數據，如溫度、濕度等，由通信路由協(xié)議直接或間接地將數據傳輸給遠方的網關節(jié)點。


目前，國內外主要研究無線傳感器網絡節(jié)點的低功耗硬件平臺設計和拓撲控制、網絡協(xié)議、定位技術等。以檢測光線強度的傳感器為例，實現(xiàn)了一個無線傳感器網絡，根據傳感器所檢測的光線強弱來關閉或開啟指示燈。


在無線傳感器網絡中，普通節(jié)點將它采集的光強度數據發(fā)送給網絡協(xié)調器，網絡協(xié)調器將含有控制變量的數據幀發(fā)送給帶有指示燈節(jié)點的同時，還可以通過串口將光強度數據傳送給計算機。通過安裝在計算機上的后臺軟件，可以看出光強度信號的變化。通過遮蓋光強度傳感器可以改變采集到的光強度數據，當光強度比較低時曲線下降，反之曲線上升。


這種傳感器網絡綜合了嵌入式技術、傳感器技術、短程無線通信技術，有著廣泛的應用。該系統(tǒng)不需要對現(xiàn)場結構進行改動，不需要原先任何固定網絡的支持，能夠快速布置、方便調整，并且具有很好的可維護性和拓展性。
工業(yè)領域的應用


在工業(yè)安全方面，傳感器網絡技術可用于危險的工作環(huán)境，例如在煤礦、石油鉆井、核電廠和組裝線布置傳感器節(jié)點，可以隨時監(jiān)測工作環(huán)境的安全狀況，為工作人員的安全提供**。另外，傳感器節(jié)點還可以代替部分工作人員到危險的環(huán)境中執(zhí)行任務，不僅降低了危險程度，還提高了對險情的反應精度和速度。


由于WSN部署方便、組網靈活，其在倉儲物流管理和智能家居方面也逐漸發(fā)揮作用。


無線傳感器網絡使傳感器形成局部物聯(lián)網，實時地交換和獲得信息，并較終匯聚到物聯(lián)網，形成物聯(lián)網重要的信息來源和基礎應用。
在智能交通中保障安全暢通


智能交通系統(tǒng)（ITS）是在傳統(tǒng)交通體系的基礎上發(fā)展起來的新型交通系統(tǒng)，它將信息、通信、控制和計算機技術以及其他現(xiàn)代通信技術綜合應用于交通領域，并將“人—車—路—環(huán)境”有機地結合在一起。在現(xiàn)有的交通設施中增加一種無線傳感器網絡技術，將能夠從根本上緩解困擾現(xiàn)代交通的安全、通暢、節(jié)能和環(huán)保等問題，同時還可以提高交通工作效率。因此，將無線傳感器網絡技術應用于智能交通系統(tǒng)已經成為近幾年的研究熱點。


智能交通系統(tǒng)主要包括交通信息的采集、交通信息的傳輸、交通控制和誘導等幾個方面。無線傳感器網絡可以為智能交通系統(tǒng)的信息采集和傳輸提供一種有效手段，用來監(jiān)測路面與路口各個方向的車流量、車速等信息。


它主要由信息采集輸入、策略控制、輸出執(zhí)行、各子系統(tǒng)間的數據傳輸與通信等子系統(tǒng)組成。信息采集子系統(tǒng)主要通過傳感器采集車輛和路面信息，然后由策略控制子系統(tǒng)根據設定的目標，并運用計算方法計算出較佳方案，同時輸出控制信號給執(zhí)行子系統(tǒng)，以引導和控制車輛的通行，從而達到預設的目標。


無線傳感器網絡在智能交通中還可以用于交通信息發(fā)布、電子收費、車速測定、停車管理、綜合信息服務平臺、智能公交與軌道交通、交通誘導系統(tǒng)和綜合信息平臺等技術領域。
在醫(yī)療系統(tǒng)大有作為


近年來，無線傳感器網絡在醫(yī)療系統(tǒng)和健康護理方面已有很多應用，例如，監(jiān)測人體的各種生理數據，跟蹤和監(jiān)控醫(yī)院中醫(yī)生和患者的行動，以及醫(yī)院的藥物管理等。如果在住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點，例如心率和血壓監(jiān)測設備，醫(yī)生就可以隨時了解被監(jiān)護病人的病情，在發(fā)現(xiàn)異常情況時能夠迅速搶救。


羅切斯特大學的一項研究表明，這些計算機甚至可以用于醫(yī)療研究。科學家使用無線傳感器創(chuàng)建了一個“智能醫(yī)療之家”，即一個5間房的公寓住宅，在這里利用人類研究項目來測試概念和原型產品。


“智能醫(yī)療之家”使用微塵來測量居住者的重要特征（血壓、脈搏和呼吸）、睡覺姿勢以及每天24小時的活動狀況。所搜集的數據將被用于開展以后的醫(yī)療研究。通過在鞋、家具和家用電器等設備中嵌入網絡傳感器，可以幫助老年人、重病患者以及殘疾人的家庭生活。利用傳感器網絡可高效傳遞必要的信息從而方便接受護理，而且可以減輕護理人員的負擔，提高護理質量。


利用傳感器網絡長時間收集人的生理數據，可以加快研制新藥品的過程，而安裝在被監(jiān)測對象身上的微型傳感器也不會給人的正常生活帶來太多的不便。此外，在藥物管理等諸多方面，它也有新穎而*特的應用。
網絡安全專家郭盛華：無線傳感器網絡的傳輸安全性
中國**網絡安全專家，中國“黑客”教父郭盛華曾說過:“如今，物聯(lián)網傳感器幾乎無處不在，它們可以感知可能影響隱私的信息或泄露泄漏時無意的信息。特別是，無線傳感器網絡（后來稱為WSN）廣泛用于與健康監(jiān)測，環(huán)境監(jiān)測，家庭自動化相關的許多應用中。”
中國**網絡安全專家，中國“黑客”教父郭盛華曾說過:“如今，物聯(lián)網傳感器幾乎無處不在，它們可以感知可能影響隱私的信息或泄露泄漏時無意的信息。特別是，無線傳感器網絡（后來稱為WSN）廣泛用于與健康監(jiān)測，環(huán)境監(jiān)測，家庭自動化相關的許多應用中。”
應用加密機制需要添加額外的位，因此需要額外的處理，額外的存儲器和額外的能量（這是傳感器壽命的重要資源）來傳輸這些位。應用它也會增加延遲和丟包。在應用此類算法時會出現(xiàn)其他問題，例如如何生成，傳播，管理，撤銷或分配密鑰。


物理層安全訪問


還有另一種替代方案，不使用加密技術來保護WSN節(jié)點之間的數據連接和傳輸。可以通過使用頻率跳躍來提供物理層安全訪問。這個想法是動態(tài)地改變一系列參數，如跳躍集（跳躍的可用頻率），停留時間（每個希望的時間間隔）和跳躍模式（使用可用跳躍集的頻率的順序），以避免其他受體監(jiān)聽傳輸的數據。
能量，存儲器和計算機處理的費用可能比使用密碼術小，但這種機制的實現(xiàn)是復雜的，不靈活且安全性較低。


WSN中的安全線程


無線網絡中的安全線程類似于有線網絡中的安全線程，但是由于非制導傳輸介質，無線網絡更容易受到攻擊。當我們談論WSN時，由于架構上的差異，WSN比普通無線網絡更復雜。
?WSN通常具有命令節(jié)點或基站（集中式實體）。這可以使安全性更容易，但主要問題是節(jié)點和這些微小傳感器上真正有限的資源。

基于無線傳感器網絡的海洋水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計


本系統(tǒng)中無線傳感器網絡硬件中的Zigbee通信模塊采用低功耗高性能的無線網絡模塊CC2420來實現(xiàn)，它工作在**通用的2．4GHz頻段。CC2420是一款符合IEEE802．15．4標準的射頻收發(fā)器，性能穩(wěn)定且功耗較低。CC2420的選擇性和靈敏度指數**過IEEE802．15．4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性，利用此芯片開發(fā)的無線通信設備支持數傳速率高達250kb／s，可實現(xiàn)多點對多點的快速組網。??CC2420發(fā)送數據時，使用直接正交上變頻。基帶信號的同相分量和正交分量直接被DAC轉換為模擬信號，通過低頻濾波器，直接變頻到設定的信道上，再由天線發(fā)射出去。
CC2420只需要較少的外圍電路，包括時鐘電路、射頻I／O匹配電路和微控制器接口電路三部分。芯片本振信號既可由外部有源晶體提供，也可以由內部電路提供。由內部電路提供時需要外加晶體振蕩器和兩個負載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數。例如當采用16MHz晶振時，其電容約為22pF。射頻I／O匹配電路主要用來匹配芯片的輸入／輸出阻抗。CC2420與微處理器的連接非常方便，它使用SFD、FIFO、FIFOP、和CCA四個引腳表示收發(fā)數據的狀態(tài)；微處理器通過SPI接口與CC2420交換數據、發(fā)送命令等。
CC2420收到物理幀的SFD字段后，會在SFD引腳輸出高電平，直到接收完該幀。如果啟動了地址辨識，在地址辨識失敗后，SFD引腳立即轉為輸出低電平。FIFO和FIFOP引腳表示接收FIFO的緩存區(qū)狀態(tài)，如果接收FIFO緩存區(qū)有數據，F(xiàn)IFO引腳輸出高電平；當接收FIFO緩存區(qū)為空，F(xiàn)IFO引腳輸出低電平；當FIFO引腳在接收FIFO緩存區(qū)的數據**過某個臨界值時，或在CC2420接收到一個完整的幀以后輸出高電平臨界值時，可以通過CC2420的寄存器設置。CCA引腳在信道上有信號時輸出高電平，它只在接收狀態(tài)下有效，在CC2420進入接收狀態(tài)至少8個符號周期后，才會在CCA引腳上輸出有效的信道狀態(tài)信息。
SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK引腳組成，微處理器通過SPI接口訪問CC2420內部寄存器和存儲器。在訪問過程中，CC2420是SPI接口的從設備，接收來自微處理器的時鐘信號和片選信號并在微處理器的控制下執(zhí)行輸入／輸出操作。SPI接口接收或者發(fā)送數據時，都與時鐘下降沿對齊，CC2420與MSP430F149是通過SPI連接的，其中MSP430F149處于主模式，CC2420處于從模式。MSP430F149還有4個I／O口與CC2420相連，主要起查詢CC2420狀態(tài)的作用。
電源管理模塊為傳感器單元、處理器單元、無線通信模塊提供能源，并對電源進行管理，以提高能量的利用率。

高效的無線傳感器節(jié)點設計
讓我們考慮一下設計無線傳感器節(jié)點所涉及的步驟：
*?1?步：選擇硬件：


在硬件方面，你需要適當的傳感器，一臺較終能用能量收集設備供電的MCU及?PMIC。你可能需要額外的無源組件，此視乎設計而定。


傳感器可以是仿真或數字形式。現(xiàn)今市面上很多傳感器是使用基于集成電路總線（I2C）、串行外設接口?（SPI）或異步收發(fā)傳輸器（UART）界面為標準的數字傳感器。電耗較低的傳感器在市面上亦有售。為了保持設備成本維持低水平，外形小巧，配有綜合BLE的MCU能夠簡化設計，并縮短推出市場的時間。為了進一步加快設計，許多廠商都使用完全綜合，完全通過認證的可編程模塊，例如賽普拉斯EZ-BLE?Modules。模塊由一個主要MCU、兩塊結晶、芯片或跟蹤天線、擴展板及無源組件組成。由于這些模塊已經擁有必須的BLE認證，產品可以快速推出市場。
*?2?步：設計固件和估計功耗


選擇了可編程的MCU?后，下一步就是編寫適當的固件。固件需要具備的基本功能是收集傳感器數據的接口，用無線傳送數據的BLE組件或堆棧，和能夠負責固件處理的CPU。


由于**低耗運作是關鍵，電流消耗總和需要由一開始納入考慮。總計電流消耗是傳感器所消耗的電流及MCU?所消耗的電流總和。由于傳感器通常不會消耗太多的總電流，其重點應該放在如何將MCU所消耗的電流減至較低。在優(yōu)化電流之前，要考慮在MCU內在消耗電流的三個主要的組件：CPU、傳感器接口模塊（如?I2C?、SPI?等）和BLE子系統(tǒng)。這里，當無線電收音機開動（例如BLE?Tx及Rx），電流的主要消費者會是BLE電收音機。


嵌入式?MCU?提供各種低功耗模式，以減少電流消耗。固件設計人員需要考慮這些低功耗模式和設計代碼，這樣，平均電流的消耗就能減至較低。例如，傳感數據并不是瞬速變更的，固件需要間中掃瞄傳感數據（例如每隔?5?至?10?秒鐘，時間間隔視乎傳感器而定）。傳感器的已讀數據通過?BLE，?以無線方式傳輸。


就?BLE?固件而言，傳感器可以連同?BLE?廣播包將數據發(fā)送。我們建議不要連同廣播包轉送太多其他數據，因為這樣會進一步增加電流。在廣播間隔與傳感器掃描間隔之間，?MCU需進入低功耗模式，譬如是「休眠功能?」。低電耗定時器就如看門狗定時器，可以在定時器倒數完畢時，喚醒設備。?為了使用低功耗操作，MCU進行了優(yōu)化，提供一個?BLE?內部定時器，當廣播間隔結束，可喚醒進入了休眠功能的設備。圖?5顯示了操作的固件流程。
*?3?步優(yōu)化固件，較大限度地降低平均電流消耗


情況有可能是，初始計算出的設計功率的太高，太陽能?PMIC?無法支持。如果是這樣，你就需要優(yōu)化固件。這里有幾個有效方法來執(zhí)行此操作：


執(zhí)行優(yōu)化?MCU?的啟動代碼：當MCU?正在啟動，你不需要使用如24MHz晶產時鐘的高頻外部時鐘，以操作BLE。較初就關掉此時鐘，能夠節(jié)約能源。再者，時鐘晶體可以利用這些時間穩(wěn)定下來，而其亦是啟動的其中一個部件。這些時鐘漸漸穩(wěn)定下來，MCU?可以再次調較至低耗模式，內部低頻時鐘可以在時鐘預備好的時候喚醒設備。簡而言之，啟動代碼的執(zhí)行時間可以很長，并且固件設計人員需要盡量減少啟動電流消耗。


a.降低主?CPU?運作頻率


b.在進入低功率模式前，控制驅動模式，以防止MCU引腳泄漏電流。


c.如果MCU支持任何調試接口，要將它們廢除。


這些步驟有助降低平均電流消耗。
*?4?步：設計硬件


有了功耗優(yōu)化的固件，是時候基于PMIC設計硬件?。圖?6?顯示了一個簡單以能量收集基礎的?PMIC?設計。
在?PMIC?首先儲存太陽能到儲存的設備?VSTORE1?(VST1)，此事例為一個300-μF?的陶瓷電容器。當?VST?1?達到?VOUTH?V，能量就可以發(fā)送到?MCU?。但這個簡單的能量收集設計不能全日運作，原因是沒有備份電容器。讓我們來看看，備份電容器如何加配到PMIC設備，和電容器能夠如何幫忙MCU。
操作WSN?所需的能量首先存儲在?VST?1?，剩余的能量用于?VST?2充電?。存儲在?VST?2?的能量可于沒有光線照射的情況下持續(xù)提供予?WSN?。此外，還可以連接一個額外的紐扣電池到?PMIC，以增加可靠性
PMIC?轉換兩種電源來源，以便?WSN?可以在所有條件下（即使沒有燈光的情況）運行。轉換自動產生，使能源在有需要時供應給WSN?。因此，這可能是?WSN的?較適當的硬件設計。


*?5?步：設計用戶界面


連接到無線傳感器節(jié)點的用戶界面設計可以是用WSN傳輸，以接收數據的手機應用，就是這么簡單。由于傳感器的數據可能會在廣播包固定位置出現(xiàn)，BLE應用可以設計到能夠從這些位置提取相關數據，并將數據顯示到你的手機上。這種技術可用于管理多個?WSNs?構成的復雜網絡。

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