無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)和解決方案

在過去不長的幾十年里，傳感器的尺寸大為縮小，同時價格和功率也有所降低，這部分得益于摩爾定律 (Moore’s Law) 和 MEMS 革命的推動。不幸的是，傳感器的安裝成本卻沒有同步下降。與用于傳輸電力和數(shù)據(jù)的電線布設(shè)成本相比，傳感器本身的成本通常就是“小菜一碟”了。以離我們最近的電燈開關(guān)為例：即使在新的建筑物中，一個價值 1 美元的開關(guān)其電線排布成本也可達(dá)到 50 美元，其中大部分是人工費用。而如果想把這個開關(guān)移到相鄰的墻壁，那么這種翻新改造的代價則高得多了。在工業(yè)過程自動化中，可接受的經(jīng)驗法則是：安裝一個傳感器的成本為 10000 美元，即使只是一個簡單的開關(guān)也不例外。在這種造價昂貴的環(huán)境中，許多傳感器只是將數(shù)據(jù)報告給一個局部控制器 —— 當(dāng)安裝有幾百或幾千個傳感器時，幾乎或根本無法獲知“全局”。人們需要的是一種廉價和可靠的網(wǎng)絡(luò)傳感器方式。

幾乎從馬可尼 (Marconi) 時代起，人們就已經(jīng)開始使用無線方式傳輸來自傳感器的數(shù)據(jù)，獲得了復(fù)雜的結(jié)果。傳統(tǒng)上，此類鏈路采用線路供電并且是點對點型的，常常具有因環(huán)境條件而致的時變可靠性。這雖然適合于某些應(yīng)用，然而對于多數(shù)應(yīng)用而言局限性卻很大。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 的市場包括樓宇自動化、工業(yè)控制、家庭自動化、智能電網(wǎng)和自動化計量基礎(chǔ)設(shè)施 (AMI)、工業(yè)過程自動化、環(huán)境監(jiān)測、泊車與交通基礎(chǔ)設(shè)施、能耗監(jiān)測和庫存管理。

在大多數(shù)場合，這些都是雙向不對稱數(shù)據(jù)收集應(yīng)用，大量的檢測點將數(shù)據(jù)發(fā)送至一個中央主機(jī)，該中央主機(jī)可利用一個過程設(shè)定點或其他配置變更做出響應(yīng)。

從理想的角度來說，客戶當(dāng)然希望擁有這樣一種技術(shù)：成本低、可不受限制地安放傳感器、以低延遲可靠地接收周期性數(shù)據(jù)、并在不更換電池的情況下于設(shè)備的使用期限內(nèi)連續(xù)運行。近期的技術(shù)進(jìn)步使我們能夠在許多市場上提供上述特性。

為擔(dān)負(fù)這項任務(wù)，有多種技術(shù)正在展開競爭，包括衛(wèi)星、蜂窩、Wi-Fi 以及一系列基于 IEEE 802.15.4 無線標(biāo)準(zhǔn)的解決方案。這些技術(shù)可幫助用戶組建用于收集傳感器數(shù)據(jù)的 WSN。

衛(wèi)星和蜂窩技術(shù)是許多應(yīng)用的合適之選，但它們每個數(shù)據(jù)包的能源成本是最高的。而且，數(shù)據(jù)包月費用也令人望而卻步 (雖然這種情況隨著運營商們推出適合相對稀疏數(shù)據(jù)流量的收費模式而有可能得到一定的改觀)。再有，覆蓋范圍也會是一個問題。顯然，衛(wèi)星或蜂窩電話信號很難走出阻礙嚴(yán)重的建筑物，而傳感器通常并不能夠左右移動并詢問“現(xiàn)在您能聽到嗎?”。不過，對于那些具有上佳連通性并以非常低數(shù)據(jù)速率 (例如：每天傳送一個數(shù)據(jù)包) 發(fā)送信息的應(yīng)用而言，衛(wèi)星或蜂窩技術(shù)是十分有用的。

Wi-Fi (IEEE 802.11b, g) 傳感器目前得到了廣泛的使用。Wi-Fi 數(shù)據(jù)包的能源成本遠(yuǎn)低于蜂窩技術(shù)，而且沒有數(shù)據(jù)的經(jīng)常性費用。連通性和覆蓋范圍仍然是重要的問題，因為與移動人性化系統(tǒng)的需要相比，利用一個固定傳感器實現(xiàn)可靠通信所需的接入點密度通常會更高。

在參考 OSI 分層模型的基礎(chǔ)上，802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)定義了一個針對短程、低功率操作的物理層 (PHY) 和媒體接入控制 (MAC) 層，非常適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。該無線標(biāo)準(zhǔn)具有相對較低的數(shù)據(jù)速率 (至 250kbps 以下)；數(shù)據(jù)包簡短 (128 字節(jié)) 且為低能耗。例如：發(fā)送幾個字節(jié)的傳感器數(shù)據(jù)以及路徑、加密、和其他標(biāo)頭所需的時間少于 1ms。這過程采用少于 30µC 的電荷，包括接收一個安全鏈路層確認(rèn)信號 (見圖 1)。傳感器能發(fā)送來自方鄰傳感器的無線數(shù)據(jù)包，從而擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍 (遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了單無線射頻的覆蓋范圍)，并使網(wǎng)絡(luò)擁有了針對任何單無線鏈路故障的免疫力。

各種不同 WSN 解決方案的評估基于兩個問題：“我能否快速地獲得所有的數(shù)據(jù)?”和“成本將達(dá)到多少?”。WSN 必須專為在具有低至約 50% 的鏈路層數(shù)據(jù)包遞交率 (PDR) 的環(huán)境中工作而設(shè)計。

當(dāng)開發(fā)無線數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)時，有幾項性能指標(biāo)是必須滿足的。首先，系統(tǒng)必須滿足一個最小可靠性目標(biāo)。就工業(yè)應(yīng)用而言，目標(biāo)通常是至少接收 99.9% 的生成數(shù)據(jù)，因為丟失的數(shù)據(jù)會觸發(fā)代價高昂的警報條件。其次，系統(tǒng)必須支持一定的吞吐量，即每秒傳送若干個傳感器數(shù)據(jù)包。第三，這些數(shù)據(jù)包僅當(dāng)其在某個最大延遲周期以內(nèi)收到時才有效。許多處理器依靠的是最新數(shù)據(jù)更新 —— 對于控制來說，過期數(shù)據(jù)或許不具備實用性。第四，不少系統(tǒng)必須在嚴(yán)苛的環(huán)境中運作，此類環(huán)境包括寬溫度范圍及本質(zhì)安全限制條件。只有那些滿足了所有上述四項要求的解決方案才被認(rèn)為適合做進(jìn)一步的評估。

當(dāng)研究各種滿足相關(guān)要求的解決方案時，關(guān)鍵的選擇標(biāo)準(zhǔn)變成了“擁有成本”和“靈活性”。擁有成本涵蓋多個方面：產(chǎn)品開發(fā)、安裝、硬件以及設(shè)備使用期限內(nèi)的供電。與有線解決方案相比，無線技術(shù)大幅度地降低了安裝成本，不過，電池供電型無線設(shè)備卻有可能需要在網(wǎng)絡(luò)的使用期限內(nèi)更換電池。另外，還需要在以下兩種選擇方案之間進(jìn)行權(quán)衡，即：構(gòu)建具有少量高功率設(shè)備的網(wǎng)絡(luò) (以降低硬件成本) 抑或構(gòu)筑采用大量低功率設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。對于那些由能量收集單元 (例如：太陽能、熱電) 供電的設(shè)備，大部分的成本或許取決于電容器尺寸。諸如時分多址 (TDMA) 等采用確定性調(diào)度的解決方案可幫助將大電流事件盡可能地分離開來，從而降低電容器尺寸要求。

由于最終的部署情況不可預(yù)知，因此網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計必須具備高度的靈活性。網(wǎng)絡(luò)所安裝的傳感器數(shù)量必須是可調(diào)節(jié)的 (從少到多)，網(wǎng)絡(luò)的密度也須具備從低到高的調(diào)節(jié)范圍。為了在多種多樣的無線環(huán)境中保持堅固性，資源配置應(yīng)確保設(shè)備可在適度干擾的條件下可靠地通信，而且當(dāng)個別設(shè)備丟失時，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能繼續(xù)正常運行。附加的資源 (包括更多的無線鏈路、用于每部設(shè)備的更多相鄰設(shè)備、或更多的信號放大) 可改善可靠性與延遲。所有這些附加資源都將導(dǎo)致功率成本的增加，可利用動態(tài)分配最大限度地減小這種功率成本的上漲。

基于標(biāo)準(zhǔn)的解決方案可避免采用單一供應(yīng)商組件時所遇到供應(yīng)鏈難以預(yù)測的變化，并可保證同意在運作的管理原理 (例如：安全性架構(gòu))。

就實質(zhì)而言，無線通道是不可靠的，而且許多現(xiàn)象都會阻止一個已發(fā)送的數(shù)據(jù)包到達(dá)接收器。此類現(xiàn)象之一就是干擾。假如兩個獨立的發(fā)送器在同一個通道上傳送數(shù)據(jù) (因而其信號重疊)，它們就有可能在接收器的無線電路中損壞彼此的信號。這就要求發(fā)送器進(jìn)行重發(fā)，代價將是時間和能源消耗的增加。

如果基礎(chǔ)媒體接入技術(shù)未排定無爭用通信，則干擾可能來自同一個網(wǎng)絡(luò)。倘若兩個發(fā)送器能夠“聽到”接收器，但相互之間聽不到 (這被稱為“隱藏終端問題”)，那就特別成問題了，它需要退下來并用確認(rèn)機(jī)理來解決沖突。

干擾也可能來自工作于相同無線電空間里的另一個網(wǎng)絡(luò)，或者一種使用同一頻段的不同無線電技術(shù)。后者 (被稱為“外部”干擾) 尤其存在于無需申請許可的頻段，例如：2.400 至 2.485GHz 的儀表、科學(xué)和醫(yī)學(xué) (ISM) 頻段、Wi-Fi、藍(lán)牙和 802.15.4 等都工作在此頻段上。

圖 2 中的曲線是通過以下方法獲得的：在一個辦公環(huán)境中部署 45 個 802.15.4 節(jié)點，讓它們交換 1200 萬個均勻分布在 16 個 802.15.4 通道上的數(shù)據(jù)包。該曲線圖描繪了這些數(shù)據(jù)包的平均數(shù)據(jù)包遞交率與用于傳送它們的通道之間之函數(shù)關(guān)系；在重疊了 Wi-Fi 通道的通道上，該遞交率較低。

第二種現(xiàn)象是圖 3 所示的多徑衰落，它會阻止一個已發(fā)送的數(shù)據(jù)包到達(dá)接收器，而且不僅更具破壞性，量化也更加困難。這通常被描述為“自干擾”，當(dāng)接收器同時接收到發(fā)送器通過視線路徑傳送的信號以及環(huán)境中的物體 (地板、天花板、門、人 … 等等) 所反射的同一信號時，就會發(fā)生此類現(xiàn)象。由于那些“拷貝信號”的傳輸距離不同，因此它們到達(dá)接收器的時間不一樣，從而有可能產(chǎn)生破壞性的干擾。20dB ~ 30dB 的衰落并不是少見。

圖 3 是通過以下方法獲得的：讓一個發(fā)送器將 1000 個數(shù)據(jù)包傳送至一個 5m 之外的接收器，并把該接收器輪流安放在一個 35cm x 20cm 網(wǎng)格的每個點以重復(fù)上述過程。z 軸代表該鏈路上的數(shù)據(jù)包遞交率。雖然鏈路在大多數(shù)位置上均處于良好狀態(tài)，但在某些位置上卻由于多徑衰落的原因而未能成功地接收數(shù)據(jù)包。

多徑衰落取決于環(huán)境中每個物體的位置和性質(zhì)，而且在任何實際設(shè)置中都是不可預(yù)知的。一個優(yōu)良的特性是：圖 3 中描繪的“分布狀況”會隨頻率而變化。即：假如某個數(shù)據(jù)包因多徑衰落之故而未被接收，那么在一個不同的頻率上重新進(jìn)行發(fā)送其獲得成功的概率是很高的。

由于環(huán)境中的物體不是靜態(tài)的 (例如：有車輛從旁邊駛過以及門的開閉等)，因此多徑的影響隨時間而改變。圖 4 示出了兩個工業(yè)傳感器之間單個無線路徑上的數(shù)據(jù)包遞交率 (時間跨度為 26 天，且針對系統(tǒng)所采用的全部 16 個通道)。在圖中我們發(fā)現(xiàn)了周循環(huán)，工作日和周末清晰可見。在任意給定的時間，一些通道工作狀態(tài)良好 (擁有高遞交率)，一些則欠佳，而還會有這么一些通道處于高度易變的狀態(tài)。通道 17 雖然一般都處于良好狀態(tài)，但至少會有一個零遞交周期。從質(zhì)量的角度來看，網(wǎng)絡(luò)中的每個路徑均表現(xiàn)出相似的工作特性，但具有不同的通道性能，而且絕對不會有任何一個通道可在網(wǎng)絡(luò)中的所有位置上都保持良好的工作狀態(tài)。^【1】

由于干擾及多徑衰落的原因，構(gòu)建可靠無線系統(tǒng)的關(guān)鍵在于充分利用通道和路徑分集。

如前文所述，一項非常適合解決 WSN 問題的技術(shù)是 IEEE 802.15.4。802.15.4 無線標(biāo)準(zhǔn)在多個無需申請許可的頻段中提供了低功率、低數(shù)據(jù)速率 PHY，這些頻段包括可在北美地區(qū)使用的 915MHz 頻段和全球可用的 2.4GHz ISM 頻段。2.4GHz 頻段擴(kuò)頻 PHY 可提供噪聲免疫力 —— 對于專為有可能工作于擁擠的免執(zhí)照頻段而設(shè)計的低能耗設(shè)備而言，這是一個特別重要的特性。該標(biāo)準(zhǔn)還定義了一個基于可靠和經(jīng)確認(rèn)數(shù)據(jù)包 (或幀) 的 MAC 層，其具有任選的加密和驗證功能。這種靈活的解決方案構(gòu)成了多個專有和基于標(biāo)準(zhǔn)之協(xié)議的基礎(chǔ)，包括 ZigBee 協(xié)議 (它采用該解決方案以形成非同步化的單通道網(wǎng)絡(luò)) 和 WirelessHART 協(xié)議^{【2】 (其采用此解決方案以組建時間同步的多通道網(wǎng)絡(luò))。}

凌力爾特旗下的 Dust Networks 公司幫助制定的 WirelessHART 協(xié)議具有一個 802.15.4 2.4GHz PHY 和一個基于 802.15.4 的鏈路層，為標(biāo)準(zhǔn)的 802.15.4 MAC 增添了同步、通道跳頻、優(yōu)先級和基于時間的驗證。它具有一個提供了路徑和端到端安全性的網(wǎng)絡(luò)層，以及一個薄的不可靠/ 可靠網(wǎng)格傳輸層。WirelessHART 協(xié)議規(guī)定了時隙定時、設(shè)備保持同步的方法、以及設(shè)備如何通過在重復(fù)的超幀上將時間劃分為分隙式通信機(jī)會 (時隙) 來安排時間 / 通道通信機(jī)會。制定該協(xié)議的目的在于實現(xiàn)無線設(shè)備與工業(yè)過程監(jiān)視和控制應(yīng)用中廣泛使用的現(xiàn)有有線 HART 設(shè)備的無縫集成。WirelessHART 擴(kuò)展了 HART 應(yīng)用層命令集，添加了用于管理無線資源和監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)健康狀況的命令。WirelessHART 網(wǎng)絡(luò)是高度可靠的網(wǎng)格，即使在設(shè)備不具備視線且間隔數(shù)十至數(shù)百米的情況下，每部設(shè)備都擁有多個其可發(fā)送數(shù)據(jù)的相鄰設(shè)備，從而提供了實現(xiàn)高可靠性所需的路徑分集。WirelessHART 網(wǎng)絡(luò)采取中央管理的方式，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)“智能”都存在于一個管理器之中。現(xiàn)場設(shè)備 (無線傳感器) 負(fù)責(zé)報告狀態(tài)信息，管理器利用這些信息來訓(xùn)練和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，而傳感器數(shù)據(jù)則被通報至一個被稱為網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用代理。

今年早些時候發(fā)布了新的 802.15.4e 修正案，其中正式確定了時隙式通道跳頻特性 (與 802.15.4 MAC 層上的 WirelessHART 中的特性相似)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了用于通告同步化信息 (以使設(shè)備能同步至一個網(wǎng)絡(luò)) 的機(jī)理，提供了基于時間的安全性，并規(guī)定了分隙式通信和跳頻序列。它在“信息元素”中大量運用了數(shù)據(jù)封裝，這使得能夠進(jìn)行 MAC 的定制擴(kuò)展，而不必等待標(biāo)準(zhǔn)的更新。其旨在簡化多層協(xié)議的開發(fā)，并專為耦合至一個 6LoWPAN 壓縮型 IPv6 網(wǎng)絡(luò)層 (定義于 IETF RFC 4944 和 6282^【3】) 而特別設(shè)計。

凌力爾特的 Dust Networks SmartMesh™ 產(chǎn)品線兼有符合 WirelessHART 及 6LoWPAN 標(biāo)準(zhǔn)的 IPv6 產(chǎn)品，它們利用 802.15.4 以提供市面上可靠最高和功率最低的 WSN 解決方案。Dust Eterna™ 微塵 (LTC5800 系列) 是單芯片器件，其將一個 Cortex-M3™ 微處理器、存儲器和外設(shè)耦合至目前功率最低的 802.15.4 無線線路 (圖 5)。設(shè)計人員將微塵芯片嵌入在其傳感器組件之中，并可依靠網(wǎng)絡(luò)形成和優(yōu)化，并將傳感器數(shù)據(jù)傳輸至其應(yīng)用。Dust 的管理器可實現(xiàn)從幾十到幾千個設(shè)備的平穩(wěn)調(diào)節(jié)，并提供用于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)及配置接口。兩個產(chǎn)品系列均適合構(gòu)建能提供可按節(jié)點配置之?dāng)?shù)據(jù)速率之高度可靠的多跳網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)。它們適于解決各種各樣的 WSN 問題。采用 Dust 微塵和管理器的部分應(yīng)用實例包括：

泊車 － Streetline 公司【4】是一家智能泊車解決方案供應(yīng)商，其產(chǎn)品可監(jiān)視城市泊車位的實時可用情況。車輛探測器安裝在泊車位的下方，位于鋪砌層的內(nèi)部并與路面齊平。這就帶來了挑戰(zhàn)，因為傳感器件的天線安放在地下，而后當(dāng)車位被占據(jù)時則被金屬車輛所覆蓋。無線路徑分集是必不可少的，因為不同的車輛停放位置會改變器件對之間的路徑質(zhì)量。Streetline 將高架的轉(zhuǎn)發(fā)器件安裝在附近的街燈上，以獲得至停車傳感器的視線。這些轉(zhuǎn)發(fā)器形成了一個多跳網(wǎng)格，用于把所有的車位占用數(shù)據(jù)收集至局部網(wǎng)絡(luò)管理器，并在此匯總到一個覆蓋全城的數(shù)據(jù)庫之中以供客戶和執(zhí)法機(jī)構(gòu)使用。無線技術(shù)對于此類應(yīng)用是至關(guān)緊要的，因為要想用電線將傳感器連接至每個車位操作起來是非常困難的，而低功率無線通信還可降低更換電池的頻度。

煉油廠過程控制 － 雪佛龍 (Chevron) 公司采用無線網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)視石油開采和提煉設(shè)備。這些網(wǎng)絡(luò)常常部署于嚴(yán)酷的環(huán)境 (因為存在危險的極端溫度和化學(xué)品，并存在發(fā)生爆炸的風(fēng)險)，在這里無法為有線傳感器布設(shè)導(dǎo)管。此外，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和移動運營商的監(jiān)視。以一種配置為例 (圖 6)，無線網(wǎng)絡(luò)被安裝在遍布一個大型煉油廠的不同位置。為了把數(shù)據(jù)收集到一個集中式控制中心，采用了一個 Cisco IEEE 802.11a 無線網(wǎng)格，作為每個 IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)管理器的回傳骨干連接。這使得低功率傳感器件能夠向其局部管理器進(jìn)行報告，數(shù)據(jù)在局部管理器上聚集并可靠地往復(fù)傳送。該配置充分體現(xiàn)了兩種標(biāo)準(zhǔn)之間的強(qiáng)大融合。

能耗監(jiān)測 － Vigilent 公司【5】可提供用于室內(nèi)環(huán)境 (例如：環(huán)境控制至關(guān)重要的數(shù)據(jù)中心) 的智能型能耗管理系統(tǒng)。由于數(shù)據(jù)中心里任何位置的溫度上升都可能導(dǎo)致設(shè)備故障，因此空調(diào)常常以滿功率連續(xù)運行，從而造成能源浪費。設(shè)備管理人員不愿意其內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)受到危害，因此 Vigilent 部署了不會影響常規(guī)運作的無線器件。另外，設(shè)備對于安全性也十分敏感，因此需要采用無線協(xié)議對所有的數(shù)據(jù)包進(jìn)行端到端加密，并在網(wǎng)絡(luò)管理器上提供附加的安全性。數(shù)據(jù)中心檢測點通常都很密集，Vigilent 成功地部署了多個重疊網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)所要求的傳感器數(shù)目。

基于 802.15.4 無線標(biāo)準(zhǔn)的多通道時間同步網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)可解決構(gòu)建靈活、可靠、低功率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所涉及的眾多難題。