傳感器用于測量和數據采集；但是它們需要有效的數據傳輸機制，以使成熟的應用程序能夠利用它們收集的數據。流行的數據傳輸方法是通過無線方式。在無線機制中，由于多種原因，802.11 Wi-Fi脫穎而出。Redpine關于傳感器應用中使用Wi-Fi的內容豐富的論文描述了這些優勢。并且還涵蓋了此類應用場景的實現。

無線傳感器網絡架構

如圖1所示，在中央設施監視的一組傳感器通常稱為“傳感器網絡”，從中得出的傳感器網絡被組織為相互連接的節點的網格。傳感器部署在各種環境中并用于多種用途，包括樓宇自動化，設施管理，環境監控，工業自動化，軍事區，資產管理等。傳統傳感器網絡已使用專有的無線傳輸機制，并且最近使用基于標準的無線傳輸（例如Zigbee或Bluetooth）。

這些無線機制的特點是運行功率低，成本低，覆蓋范圍小，并且具有專有的網絡和數據傳輸協議，包括網狀網絡。傳感器有可能充當中繼器，并能夠適應不斷變化的情況。

無線傳感器網絡

但是，近來，基于802.11'Wi-Fi'的無線網絡已經在企業和工業環境中普及，尤其是其中經常部署傳感器的環境。完善的標準化無線網絡的存在為傳感器的部署帶來了新的可能性-使用Wi-Fi作為傳輸機制。802.11當然不是在考慮傳感器應用程序的情況下設計的，但是實現方面的創新使802.11的使用成為可能，同時滿足了所有傳感器要求和更多要求。

典型的Wi-Fi部署將放置一組接入點，以覆蓋整個運營區域-可能是大型工廠車間，多個辦公室，醫院，校園等。在幾乎所有情況下，網絡都是星形配置，可以提供客戶端漫游或切換功能。接入點通過有線連接或部分通過無線分配系統連接到企業網絡。這種情況下的優勢之一是中央控制器或協調器的位置-它可以位于網絡上的任何位置，并具有Internet連接，可能位于世界的任何位置。使用基于IP的標準化傳輸，無需添加其他網絡基礎結構即可將傳感器信息傳輸到網絡的任何部分。

Wi-Fi還可以用于確定和提供客戶端設備的位置。通常，設備的傳輸由多個接入點或接收器接收，或者設備從多個接入點接收信標。測量的相對信號強度或相對到達時間為定位客戶端設備提供了方法。這些場景中的接入點都經過仔細定位，以提供最佳的測距測量，并且在部署場景的信號傳播細微差別之前進行了全面的測量。

傳感器節點要求

當然，“傳感器”本身就是收集數據的設備–用于測量溫度，濕度，壓力，接近度，位置流量，聲音，存在，液體或氣體等的傳感器。傳感器可輕松部署在任何位置。最終的“傳感器節點”是一個獨立的設備，可收集數據，對其進行處理并將其無線傳輸至控制單元。傳感器節點具有以下特征，可以成功部署具有成本效益的無線傳感器網絡：

• 極低的功耗，具有多年的電池壽命
• 標準化無線傳輸
• 良好的無線范圍，易于部署
• 與附近的其他無線設備共存的能力
• 易于配置
• 低成本

傳感器節點

現在，我們將了解如何在基于Wi-Fi的傳感器解決方案中滿足所有這些要求。Wi-Fi傳感器節點。

圖2描繪了傳感器節點的典型配置。微控制器是設計中的主要編程元素。它配置傳感器和無線子系統；并根據需要處理電池或電源管理以及傳感器數據的調節。它也可能是提供超低功耗定時睡眠模式的設備或功能塊。Wi-Fi子系統可以根據使用的芯片組以各種方式進行劃分，但通常由MAC，基帶處理器，RF收發器和RF前端組成。

系統的電池消耗取決于幾個因素。它們包括傳感器的功耗，微控制器和無線子系統的活動模式功耗以及睡眠模式下的功耗。在典型的工作占空比為幾毫秒打開而幾分鐘關閉的情況下，整個能量消耗可能由睡眠模式功率決定，其他影響因素是喚醒時達到工作點所花費的時間，當然，峰值活動模式消耗。用于關鍵監視的傳感器通常也始終保持活動狀態，在這些情況下，傳感器的功耗變得很重要。基于Wi-Fi的傳感器網絡的基本優點是，沒有傳感器節點會負擔從其他節點中繼數據的需求。

無線信道上的數據傳輸可以采用兩種模式之一。在第一種模式下，節點在完全傳輸到Wi-Fi網絡協議的情況下，在傳輸其數據之前被喚醒并關聯到接入點或BSS。在第二模式下，傳感器節點喚醒并發送數據，而無需執行與BSS的關聯過程。在這種情況下，將需要對基礎結構系統或控制器進行自定義以接收此數據。普通或現成的接入點將不會處理或響應未關聯的客戶端發送的數據包，除非它們是特殊類型的數據包，例如探測請求。但是，此模式的優點是傳感器節點在較短的時間內處于喚醒狀態，從而延長了電池壽命。兩種模式下的顯著優點是所有傳輸都可以完全遵守802.11協議的沖突避免機制。并且在擁擠的ISM頻段中，所有傳輸設備都遵循相同的協議是有利的，可確保最大程度地避免沖突。

802.11的功率優勢來自使用高傳輸數據速率以最小化活動時間。借助高達64-QAM的調制方案，Wi-Fi的頻譜效率也高于大多數其他協議。例如，總計為1k字節的傳感器信息可以802.11g或802.11n格式在短至160毫秒的時間內發送，或者更常見的數據字節可以在大約30μs的時間內發送。因此，通常，準備無線子系統發送數據所花費的時間會消耗大量能量。因此，子系統針對這些應用進行了優化，以盡可能快地開啟。

功耗操作說明

一個重要的要求是在部署之前以及部署之后（在某些情況下）易于配置。設備的出廠配置通常包括RF校準，MAC地址和某些配置特定的信息。其他參數（如無線網絡配置，IP地址，報告間隔和其他操作參數）通常是通過串行接口配置的。在某些情況下，還可以通過特殊模式通過無線接口本身對其進行配置。這些配置接口還可以用于交付固件升級。

802.11n的優勢

IEEE 802.11n標準主要提供高吞吐量，高效率和遠程數據連接，并包括使用多個天線和收發鏈。但是，該標準還包括單流模式，旨在為包括傳感器節點的低功耗小型設備提供11n的優勢。在這些客戶端設備中使用單流802.11n WLAN具有以下好處：

更高的吞吐量和更少的傳輸時間–通過提高PHY和MAC的效率來實現

范圍更廣–通過在接入點使用多個天線

保留802.11n網絡容量–傳統802.11a / b / g客戶端的存在迫使11n節點使用保護機制，并導致網絡容量整體下降。802.11n有助于避免這種情況。

傳感器節點中的RS10002-NBZ-S0M

Redpine Signals RS10002 WiSeMCUTM設備是業界首款具有多協議無線（Wi-Fi + Bluetooth + Zigbee）子系統的無線MCU。它是一個完全集成的模塊，具有超低功耗ARM Cortex M4F微控制器作為應用處理器，內置無線子系統，高級安全性，電源管理，頻率參考，RF功率放大器，分集式RF前端和被動。RS10002設備非常適合傳感器應用，因為它可以使用不同的無線協議（Wi-Fi，BT，BT LE，ZigBee，BT）從多個傳感器收集數據，并使用Wi-Fi通過網絡傳輸數據。系統級和配置文件驅動的細粒度電源控制可提供5年以上的電池壽命。它提供了更高的吞吐量，從而導致更少的“清醒”時間，從而大大降低了功耗。RS10002-NBZ-S0M支持IPv6 / IPv4上的TCP / UDP，因此非常容易集成到現有的WLAN中。它支持無線配置，并提供多個數字和模擬接口，可與各種傳感器配合使用。

編輯：hfy