可靠、低功耗無線傳感器網絡適用于物聯網: 使無線傳感器像網絡服務器一樣易于使用
物聯網革命近在咫尺，到 2020 年，全世界將有超過 300 億個互聯物體。在世界人口不斷增加、資源變得越來越寶貴之際，這種互聯有望提供真實世界的數據，以促進效率提高，簡化業(yè)務實踐。
隨著互聯網協(xié)議 (IP) 得到廣泛采用，處理數據和充分利用信息變得越來越容易了�！敦敻弧�500 強公司為數據存儲提供企業(yè)及數據庫解決方案，并提供軟件工具，以簡化資產跟蹤、過程控制系統(tǒng)和樓宇管理系統(tǒng) (參見圖 1) 等業(yè)務流程。智能手機和平板電腦為人們提供了非常有用的信息，例如提供實時停車信息，或者實時提供有關機器健康狀況的監(jiān)視信息，以制定維修計劃。迄今為止已經部署了許多無線傳感器，但是為了測量和優(yōu)化以前未曾涉及的流程，仍然急需更多的傳感器來提供數據。
圖 1：可靠、低功耗 IP 無線傳感器網絡將得到廣泛使用
為了進一步擴大傳感器部署規(guī)模，正在進行有關 IP 標準的制定工作，目標是使小型無線傳感器像網絡服務器一樣易于使用。在標準制定工作的背后有兩股推動力：其一是，公認的低功耗、時間同步化網格網絡的高度可靠性能;其二是，正在進行的 IP 標準制定工作可實現無線傳感器網絡與互聯網的無縫集成。這兩股力量合二為一，將有效促進小型、低功耗傳感器的可靠通信，并使這類傳感器最終能夠支持 IP。
無線傳感器網絡帶來的挑戰(zhàn)
無線從本質上來說是不可靠的，因此重要的是了解不可靠性的來源，以在通信系統(tǒng)中解決不可靠性問題。在低功耗無線網絡中，不可靠性的主要來源是外部干擾和多徑衰落。當外部信號 (例如 WiFi 信號) 暫時妨礙兩個無線電系統(tǒng)通信時，就會發(fā)生干擾。這就需要它們重新發(fā)送信號，因此會消耗更多功率。當無線信號遇到鄰近發(fā)送器中的物體而彈回時，就會發(fā)生多徑衰落，而且各種回波都會對接收器天線造成破壞性干擾。這現象是設備位置、所用頻率以及周圍環(huán)境的函數。因為任何無線系統(tǒng)周圍的環(huán)境都隨時間而變化，所以在無線系統(tǒng)運行壽命期內，任一 RF 頻道都會遇到問題。不過，多經衰落是受頻率影響。因此，盡管某個頻率可能遇到了問題，但是仍然會有其他 RF 頻道在正常工作。由于干擾和多徑衰落，因此建立可靠無線系統(tǒng)的關鍵是，在不犧牲低功耗工作這一優(yōu)點的同時，實現通道和路徑多樣化。Dust Networks (現在是凌力爾特公司的一個業(yè)務部) 率先提供了這樣的系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用時間同步、通道跳頻網格網絡技術。
時間同步、通道跳頻網格網絡
在時間同步化通道跳頻網格網絡中，多跳網絡上的所有無線節(jié)點都同步至幾十微秒時間之內，而且時間被分成時隙。通信通過一個時間表來協(xié)調，該時間表指示每個節(jié)點在每個時隙中該做什么 (發(fā)送、接收、休眠)。因為它們都是同步的，所以僅當通信時，這些節(jié)點才接通其無線電，從而極大地降低了無線電占空比 (常見占空比 <1%)，并延長了電池的壽命。此外，因為該時間表可以靈活設定，所以網絡始終可供應用使用，不像其他“休眠”網絡架構，需要徹底關斷網絡很長時間。兩個節(jié)點之間發(fā)送的所有數據包都在以偽隨機跳頻方式計算出來的頻率上傳送。所產生的頻率多樣化是一種有效抵抗干擾和多徑衰落的方式。時間同步化網格網絡可實現長達 10 年的電池壽命和 >99.999% 的端到端可靠性。
時間同步化網格網絡取得了成功
近幾年，時間同步化通道跳頻網格網絡已經得到了廣泛應用。2004 年，Dust Networks 首次推出了 SmartMesh® 系統(tǒng)，工業(yè)過程是最早采用該系統(tǒng)的領域之一。
有些工業(yè)應用的運行環(huán)境堪稱最為嚴酷，同時對數據完整性又有最為嚴格的要求，如果能保證這么高的數據完整性，就能極大地提高工業(yè)設備的效率、生產率和安全性。因為傳統(tǒng)的有線工業(yè)傳感器安裝費用高昂，所以在工廠中一般僅對少量可能的測量點進行測量。盡管這為無線傳感器在工業(yè)應用中的使用創(chuàng)造了極大的需求，但是傳統(tǒng)點到點無線系統(tǒng)缺乏所需的可靠性，而且難以安裝，從而限制了無線系統(tǒng)在小型和隔離應用中的使用。
隨著時間同步化網格網絡的推出，無線系統(tǒng)可提供通常僅有線系統(tǒng)才能提供的可靠性，因此低功耗無線系統(tǒng)的應用變成了現實。低功耗無線系統(tǒng)通過工業(yè)標準 IEC62591 (也稱為 WirelessHART) 實現了標準化，使工業(yè)過程市場上的設備實現了互操作性。大部分大型工業(yè)制造商 (例如 Emerson Process、西門子、ABB、Endress & Hauser、Pepperl & Fuchs 和 Phoenix Contact) 都在交付 Wireless HART 產品。如今，SmartMesh 網絡已經得到廣泛使用，在全球 120 多個國家部署了 3 萬多個網絡，提高了各種場所的安全性和效率，包括鋼鐵廠和煉油廠、偏遠的油田和海上鉆井平臺、以及食品和飲料廠 (注1)。
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