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無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)分析與分層設(shè)計(jì)方法

: 問(wèn) 提問(wèn)者：網(wǎng)友 | 2018-07-13

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自組無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在周期性采樣、事件驅(qū)動(dòng)和“存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)”中得到很多應(yīng)用，為了滿足這些應(yīng)用對(duì)功耗、傳輸距離及數(shù)據(jù)率的要求，工程師必須對(duì)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和功耗等性能特點(diǎn)全面深入了解。本文介紹了支持這種標(biāo)準(zhǔn)的三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，并說(shuō)明了在進(jìn)行協(xié)議堆棧各層設(shè)計(jì)及不同應(yīng)用時(shí)的注意事項(xiàng)。自組無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)、醫(yī)療、消費(fèi)及軍事中有直接的應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用對(duì)功耗、傳輸距離和數(shù)據(jù)率的要求，業(yè)界提出了一種無(wú)線新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)-IEEE802.15.4。該技術(shù)的功耗和數(shù)據(jù)率均低于藍(lán)牙技術(shù)，在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)將面臨一些困難，例如電池的使用和設(shè)備大小等。此外，這種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在包括延時(shí)、節(jié)點(diǎn)搜尋時(shí)間、傳輸路徑查找以及消息確認(rèn)等方面還存在挑戰(zhàn)。為了正確運(yùn)用這種技術(shù)，我們有必要全面了解它的物理及數(shù)據(jù)鏈路層參數(shù)。與存在很多不同規(guī)格的藍(lán)牙設(shè)備不同，自組無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通常只有三種應(yīng)用，即周期性采樣、事件驅(qū)動(dòng)和“存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)”。實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也有三種：星狀網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)及混合網(wǎng)(星狀網(wǎng)+網(wǎng)狀網(wǎng))。每種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都有自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，用戶必須充分了解這些網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)以滿足不同無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用要求。微電機(jī)系統(tǒng)、低功耗無(wú)線電路和數(shù)字電路設(shè)計(jì)的飛速發(fā)展在很大程度上促成了這種低功耗自組網(wǎng)的產(chǎn)生和應(yīng)用。目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功耗可降低到毫安級(jí)以下，因此傳感器節(jié)點(diǎn)可使用一顆3V直流紐扣式電池來(lái)供電，根據(jù)不同的采樣率，其工作時(shí)間可以達(dá)五年或以上。采用紐扣式電池的此類(lèi)傳感器節(jié)點(diǎn)外型小巧，便于攜帶且易于設(shè)計(jì)到小型設(shè)備中。這些低功耗、低數(shù)據(jù)率的應(yīng)用包括工廠中各種精密數(shù)字輔助測(cè)量?jī)x器，如水表和煤氣抄表、供應(yīng)鏈出貨量監(jiān)測(cè)和個(gè)人標(biāo)記佩戴報(bào)告等。這些應(yīng)用有三個(gè)共同要求：外型小、電池壽命長(zhǎng)以及具有魯棒特性，滿足這些要求的前提條件是選擇適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 基本的星狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)單跳(single-hop)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中所有無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)都與基站和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行雙向通信(圖1a)?；究梢允且慌_(tái)PC、PDA、專(zhuān)用控制設(shè)備、嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，或其它與高數(shù)據(jù)率設(shè)備通信的網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)基本相同。除了向各節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)和命令外，基站還與因特網(wǎng)等更高層系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)。各節(jié)點(diǎn)將基站作為一個(gè)中間點(diǎn)，相互之間并不傳輸數(shù)據(jù)或命令。在各種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，星狀網(wǎng)整體功耗最低，但節(jié)點(diǎn)與基站間的傳輸距離有限(圖2)，通常ISM頻段的傳輸距離為10-30米。網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是多跳(hop，即一次: 回答者：網(wǎng)友

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