低功耗無線檢測

與傳統(tǒng)有線檢測系統(tǒng)相比，低功耗無線技術(shù)正在使傳感器網(wǎng)絡(luò)的成本大幅降低，并為采用有線方法根本不可能實(shí)現(xiàn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了實(shí)現(xiàn)的可能性。低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 標(biāo)準(zhǔn)，尤其是采用時(shí)間同步通道跳頻 (TSCH) 技術(shù)的網(wǎng)格架構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都能靠電池或收集的能量工作，而不會(huì)犧牲可靠性或數(shù)據(jù)吞吐率。這使應(yīng)用開發(fā)人員能自由地將傳感器放置在任何地方，而不僅是有電源可用的地方，但是無論在哪里，應(yīng)用都需要傳感器數(shù)據(jù)。在高度可靠的低功耗 TSCH WSN 和能量收集領(lǐng)域，凌力爾特 (包括Dust Networks產(chǎn)品部) 已經(jīng)走在了技術(shù)創(chuàng)新的前列。這些技術(shù)齊頭并進(jìn)，可為那些部署電池更換需求量極少 (如果有的話) 之系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)人員提供更多的機(jī)會(huì)，從而進(jìn)一步降低部署無線傳感器的壽命成本并刺激物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的發(fā)展。

ON World 2012年進(jìn)行的一項(xiàng)研究顯示，WSN 的兩個(gè)屬性對(duì)工業(yè)客戶最重要：可靠性和低功耗 (圖 1)。成本在研究結(jié)果中排在第三位。如果不解決可靠性和功耗問題，成本就不會(huì)是客戶優(yōu)先考慮的問題。

圖 1：被認(rèn)為重要的 WSN 屬性

Satisfaction：滿意度

Importance：重要性

Data reliability：數(shù)據(jù)可靠性

Cost/affordability：成本 / 可負(fù)擔(dān)能力

Battery lifetime：電池壽命

Source：數(shù)據(jù)來源

Dust Networks多年來一直研發(fā) TSCH，客戶已采用了數(shù)千個(gè) Dust產(chǎn)品，根據(jù) Dust Networks 的豐富經(jīng)驗(yàn)，很顯然，精確同步的時(shí)隙、通道跳頻和超低功耗無線電相結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)功耗最低、最可靠的 WSN。由于這種對(duì)低功耗的專注，所以所有節(jié)點(diǎn)都能靠低成本電池工作很多年，也為使用各種能源提供了可行性，其中包括能量收集電源。

低功耗無線電

IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)為 WSN 提供了卓越的無線電平臺(tái)。IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè) 2.4GHz、16 通道擴(kuò)頻低功率物理 (PHY) 層，許多 IoT 技術(shù)就是以該物理層為基礎(chǔ)構(gòu)建的，包括 ZigBee 和 WirelessHART。另外，該標(biāo)準(zhǔn)還定義了一個(gè)媒體接入控制 (MAC) 層，其為 ZigBee 的基礎(chǔ)。然而，這個(gè) MAC 的單通道本質(zhì)使其可靠性不可預(yù)測。為了改善可靠性，WirelessHART 協(xié)議 (又稱為 IEC62591) 基于 15.4 MAC 定義了多通道鏈路層，以實(shí)現(xiàn)高可靠性 (>99.9%)，工業(yè) WSN 應(yīng)用就是需要這樣的可靠性。在 2012 年初，稱為 802.15.4e 的新版 802.15.4 MAC 獲得批準(zhǔn)，這個(gè) MAC 包括多通道網(wǎng)格和時(shí)隙。符合 802.15.4 的無線電之典型功率輸出大約為 0dBm，同時(shí)發(fā)送和接收電流范圍為 15mA 至 30mA。0dBm 時(shí)同類最佳發(fā)送電流為 5.4mA，同類最佳接收電流為 4.5mA (基于凌力爾特的 LTC5800)。

時(shí)間同步使節(jié)省功率和通道跳頻得以實(shí)現(xiàn)

最初的 802.15.4 MAC 要求在網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送來自相鄰節(jié)點(diǎn)信息的節(jié)點(diǎn)始終保持接通，而僅發(fā)送 / 接收自己數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn) (常稱為“精簡功能節(jié)點(diǎn)”) 可以在發(fā)送之間休眠。為了使網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都成為低功率節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間的通信必須排定時(shí)間，而且在網(wǎng)絡(luò)中必要擁有一個(gè)共同的時(shí)間感。同步越嚴(yán)格，路由節(jié)點(diǎn)無線電必須處于“接通”狀態(tài)的時(shí)間就越短，這最大限度地降低了功耗。在多跳網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中，同類最佳的 TSCH 系統(tǒng)在幾十微秒時(shí)間內(nèi)同步所有節(jié)點(diǎn)。一旦網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)共同和準(zhǔn)確的時(shí)間感，而且針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的兩兩傳送有一個(gè)時(shí)隙安排表，那么通道分配就可以納入該時(shí)間以實(shí)現(xiàn)通道跳頻。

通道跳頻減輕了干擾和多徑衰落

無線通道本質(zhì)上是不可靠的，很多現(xiàn)象可能使所發(fā)送的數(shù)據(jù)包無法到達(dá)接收器，隨著無線電功耗降低，這種情況可能惡化。多個(gè)發(fā)送器同時(shí)通過同一頻率發(fā)送信息時(shí)就會(huì)發(fā)生干擾。如果這些發(fā)送器相互之間接收不到對(duì)方的信息，但是接收器能接收到所有發(fā)送器的信息 (“隱藏終端問題”)，那么這種干擾尤其成問題。人們需要延時(shí)、重發(fā)和確認(rèn)機(jī)制來解決沖突問題。干擾可能來自網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部、工作在相同無線電空間中的另一個(gè)類似的網(wǎng)絡(luò)、或者來自于某種同頻段工作的不同無線電技術(shù)，這在 Wi-Fi、Bluetooth 和 802.15.4 技術(shù)共用的 2.4GHz 頻段中是一種常見現(xiàn)象。

第二種不可預(yù)知的現(xiàn)象被稱為“多徑衰落”，即使在預(yù)計(jì)的視線鏈路裕量充足的情況下，這種現(xiàn)象也可能妨礙成功發(fā)送。當(dāng)傳輸信號(hào)的多個(gè)副本被環(huán)境中的物體 (天花板、門、人等等) 反彈、而各反射副本的傳播距離不同時(shí)就會(huì)出現(xiàn)這種狀況。當(dāng)發(fā)生相消干涉時(shí)，20dB 至 30dB 的衰落是很常見的。多徑衰落取決于傳輸頻率、設(shè)備位置以及每一個(gè)鄰近的物體;對(duì)其進(jìn)行預(yù)測幾乎是不可能的。圖 2 顯示了在 26 天時(shí)間內(nèi)，在兩個(gè)工業(yè)傳感器之間的單條無線通路上的數(shù)據(jù)包投送率，該系統(tǒng)采用 16 個(gè)通道，圖中顯示了每一個(gè)通道的情況。在任何給定時(shí)間，一些通道很好 (高投送率)，而另一些很差，還有一些處于高度變化之中。重要的是，沒有任何一段時(shí)間能看到在網(wǎng)絡(luò)各處所有通路的通道狀態(tài)處于良好情況。