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作者：Sriram Narayanan 和 Dave Freeman，德州儀器 (TI) 如果我們周圍的系統能夠自己檢測其環境變化并做出反應，這毫無疑問會徹底改變我們的生活。無線傳感器網絡就是這樣一個系統，系統中的一些分布式傳感器實施（節點）通過無線方式相互通信，共同對物理刺激做出響應。本文概述了節點的一些最新發展情況，幫助您了解系統級的設計方法。 圖 1 顯示了一個實例網絡以及每個節點的子系統。基于易于部署和更低安裝成本方面的考慮，各個節點都要求能夠以無線方式通信。為了降低通信開銷和縮短響應時間，我們希望節點能夠本地處理傳感器數據，并可以控制傳動器。對大量的節點進行日常維護（例如：電池更換等），其成本可能會極其的高。理想的情況是僅依靠存儲/采集能源傳感器便可持續工作數年時間。 
圖 1 傳感器節點通過采集能源供電，自主判斷其環境變化情況，并可利用多種協議進行通信。 傳感器、無線電設備和微控制器 (MCU) 的選擇取決于具體的應用性質。本文重點介紹辦公環境下的傳感器網絡，其面向的應用包括能源管理、安全或者資源規劃等。 能源與存儲 光能通常是室內環境下存在最多的一種環境能源形式。現代的一些太陽能電池（由非晶硅制成），在一個 200 lux 熒光燈光源的照射下，可產生約 5 uW/cm2。表 1列舉出了能源獲取速率的估計值，其表明一塊 10 cm2 太陽能電池可產生 70–120 uW。 表 1 一般室內熒光燈照明環境下的能源獲取速率近似值
微型熱發電機利用一定的溫度梯度來產生電能。但要產生 15 uW/cm3 的功率密度，熱采集器需要約 10oC 的熱梯度。許多應用環境，特別是室內環境，都沒有較大幅度的溫度波動。因此，熱采集器的適用性受限于這些環境。 當今的一些振動能源采集器，需要約 1.75–2.00 g 的加速度（室內環境一般沒有這么大的量級）來產生 60 微瓦的功率。 能量存儲的板上容量非常有限，而采集環境能源的機會也很有限，因此需要傳感器非常節省地使用能源。例如，電池容量為 100 mAh 的一塊太陽能電池獲得 70 uW，便可為 10 年的節點使用壽命提供一半時間的供電。該節點必須讓其各子系統工作，且平均功耗不得高于 39 uW。 節點子系統 MCU、無線電設備、傳感器和傳動器具有極為不同的功耗/性能特性。要想滿足系統功耗預算，要求傳感器節點以最佳的方式管理其子系統。圖 1 顯示了用于實現一個節點的一些子系統。 現代的一些低功耗 MCU 工作在約 1MHz 時鐘頻率下時，其峰值功耗約為 345 uW。假設傳感器數據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。 傳感器節點通常以相對較低的速率，傳送物理現象和相關控制消息等信息。表 2 總結了一些重要低功耗無線通信技術的顯著特性。 表 2 一些低功耗通信架構比較
表 2 列舉的功耗量，僅作為系統設計的一般指導原則。隨著收發器設計的發展，其功耗越來越低。選擇某種收發器構架時，考慮設計的各個方面很重要。無線局域網 (LAN) 收發器比 Zigbee® 收發器消耗更少的能源/比特，但其針對更高的數據速率進行了優化，峰值功耗更高。 與室內應用相關的一些傳感器實例包括：溫度計、溫度傳感器、麥克風和被動式紅外傳感器。現在的一些溫度及濕度傳感器和麥克風，峰值功耗約為 70–80 uW。能夠探測人類活動的一些被動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測緩慢變化的現象，并且工作在低占空比下，而用于探測運動的其它一些傳感器關閉則會降低探測性能。在許多應用中，傳感器需要比數據處理或者無線通信更多的能源。因此，滿足系統功耗預算，要求使用創新的方法來管理傳感器。 結論 盡管在計算、通信和傳感方面都有了巨大的進步，但是缺乏足夠的電源和能源，這仍然是擺在實現無線傳感器網絡面前的一個嚴峻挑戰。能源采集和存儲的一些技術進步在不斷的緩解電源瓶頸，但終端應用的一些需求也在不斷推高其要求。若想拉近這種持續存在的電源-需求差距，要求一種系統級的設計方法，對性能進行最佳的折中處理，以實現節能目的，同時保證最低限度的服務質量。未來的無線傳感器節點，將會自主適應隨時間變化的應用需求和能源供應。 |
