关于传感器应用中使用Wi-Fi的优势

传感器用于测量和数据采集；但是它们需要有效的数据传输机制，以使成熟的应用程序能够利用它们收集的数据。流行的数据传输方法是通过无线方式。在无线机制中，由于多种原因，802.11 Wi-Fi脱颖而出。Redpine关于传感器应用中使用Wi-Fi的内容丰富的论文描述了这些优势。并且还涵盖了此类应用场景的实现。

无线传感器网络架构

如图1所示，在中央设施监视的一组传感器通常称为“传感器网络”，从中得出的传感器网络被组织为相互连接的节点的网格。传感器部署在各种环境中并用于多种用途，包括楼宇自动化，设施管理，环境监控，工业自动化，军事区，资产管理等。传统传感器网络已使用专有的无线传输机制，并且最近使用基于标准的无线传输（例如Zigbee或Bluetooth）。

这些无线机制的特点是运行功率低，成本低，覆盖范围小，并且具有专有的网络和数据传输协议，包括网状网络。传感器有可能充当中继器，并能够适应不断变化的情况。

无线传感器网络

但是，近来，基于802.11'Wi-Fi'的无线网络已经在企业和工业环境中普及，尤其是其中经常部署传感器的环境。完善的标准化无线网络的存在为传感器的部署带来了新的可能性-使用Wi-Fi作为传输机制。802.11当然不是在考虑传感器应用程序的情况下设计的，但是实现方面的创新使802.11的使用成为可能，同时满足了所有传感器要求和更多要求。

典型的Wi-Fi部署将放置一组接入点，以覆盖整个运营区域-可能是大型工厂车间，多个办公室，医院，校园等。在几乎所有情况下，网络都是星形配置，可以提供客户端漫游或切换功能。接入点通过有线连接或部分通过无线分配系统连接到企业网络。这种情况下的优势之一是中央控制器或协调器的位置-它可以位于网络上的任何位置，并具有Internet连接，可能位于世界的任何位置。使用基于IP的标准化传输，无需添加其他网络基础结构即可将传感器信息传输到网络的任何部分。

Wi-Fi还可以用于确定和提供客户端设备的位置。通常，设备的传输由多个接入点或接收器接收，或者设备从多个接入点接收信标。测量的相对信号强度或相对到达时间为定位客户端设备提供了方法。这些场景中的接入点都经过仔细定位，以提供最佳的测距测量，并且在部署场景的信号传播细微差别之前进行了全面的测量。

传感器节点要求

当然，“传感器”本身就是收集数据的设备–用于测量温度，湿度，压力，接近度，位置流量，声音，存在，液体或气体等的传感器。传感器可轻松部署在任何位置。最终的“传感器节点”是一个独立的设备，可收集数据，对其进行处理并将其无线传输至控制单元。传感器节点具有以下特征，可以成功部署具有成本效益的无线传感器网络：

• 极低的功耗，具有多年的电池寿命
• 标准化无线传输
• 良好的无线范围，易于部署
• 与附近的其他无线设备共存的能力
• 易于配置
• 低成本

传感器节点

现在，我们将了解如何在基于Wi-Fi的传感器解决方案中满足所有这些要求。Wi-Fi传感器节点。

图2描绘了传感器节点的典型配置。微控制器是设计中的主要编程元素。它配置传感器和无线子系统；并根据需要处理电池或电源管理以及传感器数据的调节。它也可能是提供超低功耗定时睡眠模式的设备或功能块。Wi-Fi子系统可以根据使用的芯片组以各种方式进行划分，但通常由MAC，基带处理器，RF收发器和RF前端组成。

系统的电池消耗取决于几个因素。它们包括传感器的功耗，微控制器和无线子系统的活动模式功耗以及睡眠模式下的功耗。在典型的工作占空比为几毫秒打开而几分钟关闭的情况下，整个能量消耗可能由睡眠模式功率决定，其他影响因素是唤醒时达到工作点所花费的时间，当然，峰值活动模式消耗。用于关键监视的传感器通常也始终保持活动状态，在这些情况下，传感器的功耗变得很重要。基于Wi-Fi的传感器网络的基本优点是，没有传感器节点会负担从其他节点中继数据的需求。

无线信道上的数据传输可以采用两种模式之一。在第一种模式下，节点在完全传输到Wi-Fi网络协议的情况下，在传输其数据之前被唤醒并关联到接入点或BSS。在第二模式下，传感器节点唤醒并发送数据，而无需执行与BSS的关联过程。在这种情况下，将需要对基础结构系统或控制器进行自定义以接收此数据。普通或现成的接入点将不会处理或响应未关联的客户端发送的数据包，除非它们是特殊类型的数据包，例如探测请求。但是，此模式的优点是传感器节点在较短的时间内处于唤醒状态，从而延长了电池寿命。两种模式下的显着优点是所有传输都可以完全遵守802.11协议的冲突避免机制。并且在拥挤的ISM频段中，所有传输设备都遵循相同的协议是有利的，可确保最大程度地避免冲突。

802.11的功率优势来自使用高传输数据速率以最小化活动时间。借助高达64-QAM的调制方案，Wi-Fi的频谱效率也高于大多数其他协议。例如，总计为1k字节的传感器信息可以802.11g或802.11n格式在短至160毫秒的时间内发送，或者更常见的数据字节可以在大约30μs的时间内发送。因此，通常，准备无线子系统发送数据所花费的时间会消耗大量能量。因此，子系统针对这些应用进行了优化，以尽可能快地开启。

功耗操作说明

一个重要的要求是在部署之前以及部署之后（在某些情况下）易于配置。设备的出厂配置通常包括RF校准，MAC地址和某些配置特定的信息。其他参数（如无线网络配置，IP地址，报告间隔和其他操作参数）通常是通过串行接口配置的。在某些情况下，还可以通过特殊模式通过无线接口本身对其进行配置。这些配置接口还可以用于交付固件升级。

802.11n的优势

IEEE 802.11n标准主要提供高吞吐量，高效率和远程数据连接，并包括使用多个天线和收发链。但是，该标准还包括单流模式，旨在为包括传感器节点的低功耗小型设备提供11n的优势。在这些客户端设备中使用单流802.11n WLAN具有以下好处：

更高的吞吐量和更少的传输时间–通过提高PHY和MAC的效率来实现

范围更广–通过在接入点使用多个天线

保留802.11n网络容量–传统802.11a / b / g客户端的存在迫使11n节点使用保护机制，并导致网络容量整体下降。802.11n有助于避免这种情况。

传感器节点中的RS10002-NBZ-S0M

Redpine Signals RS10002 WiSeMCUTM设备是业界首款具有多协议无线（Wi-Fi + Bluetooth + Zigbee）子系统的无线MCU。它是一个完全集成的模块，具有超低功耗ARM Cortex M4F微控制器作为应用处理器，内置无线子系统，高级安全性，电源管理，频率参考，RF功率放大器，分集式RF前端和被动。RS10002设备非常适合传感器应用，因为它可以使用不同的无线协议（Wi-Fi，BT，BT LE，ZigBee，BT）从多个传感器收集数据，并使用Wi-Fi通过网络传输数据。系统级和配置文件驱动的细粒度电源控制可提供5年以上的电池寿命。它提供了更高的吞吐量，从而导致更少的“清醒”时间，从而大大降低了功耗。RS10002-NBZ-S0M支持IPv6 / IPv4上的TCP / UDP，因此非常容易集成到现有的WLAN中。它支持无线配置，并提供多个数字和模拟接口，可与各种传感器配合使用。

编辑：hfy