可靠、低功耗無線傳感器網(wǎng)絡適用于物聯(lián)網(wǎng): 使無線傳感器像網(wǎng)絡服務器一樣易于使用

物聯(lián)網(wǎng)革命近在咫尺，到 2020 年，全世界將有超過 300  億個互聯(lián)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(lián)有望提供真實世界的數(shù)據(jù)，以促進效率提高，簡化業(yè)務實踐。

隨著互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 得到廣泛采用，處理數(shù)據(jù)和充分利用信息變得越來越容易了。《財富》500  強公司為數(shù)據(jù)存儲提供企業(yè)及數(shù)據(jù)庫解決方案，并提供軟件工具，以簡化資產(chǎn)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(jīng)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(shù)據(jù)。

圖 1：可靠、低功耗 IP 無線傳感器網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)格網(wǎng)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(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡帶來的挑戰(zhàn)

無線從本質(zhì)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(wǎng)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(xiàn)象是設備位置、所用頻率以及周圍環(huán)境的函數(shù)。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(nèi)，任一  RF 頻道都會遇到問題。不過，多經(jīng)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(xiàn)通道和路徑多樣化。Dust Networks  (現(xiàn)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(wǎng)格網(wǎng)絡技術。

時間同步、通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡

在時間同步化通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡中，多跳網(wǎng)絡上的所有無線節(jié)點都同步至幾十微秒時間之內(nèi)，而且時間被分成時隙。通信通過一個時間表來協(xié)調(diào)，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(wǎng)絡始終可供應用使用，不像其他“休眠”網(wǎng)絡架構(gòu)，需要徹底關斷網(wǎng)絡很長時間。兩個節(jié)點之間發(fā)送的所有數(shù)據(jù)包都在以偽隨機跳頻方式計算出來的頻率上傳送。所產(chǎn)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(wǎng)格網(wǎng)絡可實現(xiàn)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(wǎng)格網(wǎng)絡取得了成功

近幾年，時間同步化通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡已經(jīng)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(shù)據(jù)完整性又有最為嚴格的要求，如果能保證這么高的數(shù)據(jù)完整性，就能極大地提高工業(yè)設備的效率、生產(chǎn)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(wǎng)格網(wǎng)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(xiàn)實。低功耗無線系統(tǒng)通過工業(yè)標準  IEC62591 (也稱為 WirelessHART) 實現(xiàn)了標準化，使工業(yè)過程市場上的設備實現(xiàn)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(chǎn)品。如今，SmartMesh 網(wǎng)絡已經(jīng)得到廣泛使用，在全球 120 多個國家部署了 3  萬多個網(wǎng)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)。

除工業(yè)過程領域，SmartMesh 系統(tǒng)也成功地部署在數(shù)據(jù)中心和商用寫字樓中，用以優(yōu)化空調(diào)費用 (注2)。Streetline Networks (注3)  是一家智能停車服務供應商，實時監(jiān)視城區(qū)停車位的可用情況 (參見圖  2)。車輛檢測器安裝在停車位下方、車道的路面內(nèi)。這帶來了挑戰(zhàn)，因為傳感器設備的天線位于地下，而且當停車位被占用時，又被金屬車體覆蓋著。這樣的應用以前被認為是不可能或不實際的，現(xiàn)在則可用時間同步化通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡來實現(xiàn)。

圖 2：Streetline Networks部署了時間同步化通道跳頻網(wǎng)絡以改善類似美國加州好萊塢城區(qū)的停車條件。

基于標準的環(huán)境

在網(wǎng)絡技術中，標準發(fā)揮著重要作用，因為最終用戶擁護基于標準開發(fā)的解決方案。一項技術如果由重要標準化組織開發(fā)并核準，用戶就有信心使用。WirelessHART  / IEC62591 是工業(yè)過程領域的標準，在這個市場以外，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 是通信標準。

連接到互聯(lián)網(wǎng)上的所有設備都利用 IP 相互通信。每個設備都獲得一個 IP 地址，該地址在互聯(lián)網(wǎng)上明白無誤地代表該設備。所交換的數(shù)據(jù)包包含一個 IP  頭標以及一系列字節(jié) (建立該數(shù)據(jù)包的設備之地址編碼和目的設備的地址編碼)。形成一個協(xié)議棧還需要其他許多協(xié)議 (TCP、HTTP … 等)，但 IP  協(xié)議是共同點。用 IP 協(xié)議將低功耗網(wǎng)格網(wǎng)絡設備連接至互聯(lián)網(wǎng)，為促進物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展做出了一大貢獻。

若干標準化組織為物聯(lián)網(wǎng) (參見圖 3)  制定了標準。挑戰(zhàn)是要與互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)全面集成，同時納入公認的時間同步化通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡的技術。今天的互聯(lián)網(wǎng)使用之大多數(shù)協(xié)議都是由互聯(lián)網(wǎng)工程任務組 (IETF)  制定的，該標準化組織的 CoRE 工作組已經(jīng)制定了應用層協(xié)議 CoAP (Constrained Application Protocol)。CoAP 在  UDP 協(xié)議之上運行，而且非常容易轉(zhuǎn)換到 HTTP，以使無線傳感器節(jié)點實現(xiàn)類似網(wǎng)絡的互動。6LoWPAN 工作組制定了一個 IP 適配層協(xié)議，該協(xié)議將 IP  數(shù)據(jù)包的大型頭標壓縮成小型無線幀或數(shù)據(jù)包，使傳感器節(jié)點能夠通過 IP  地址單獨尋址。盡管這些上層協(xié)議實現(xiàn)了類似網(wǎng)絡的互動以及與互聯(lián)網(wǎng)的集成，但是決定無線傳感器網(wǎng)絡通信質(zhì)量的是這些上層協(xié)議之下的那些協(xié)議層。

圖 3：用于低功耗、可靠無線傳感器網(wǎng)絡的 IP 協(xié)議棧

IETF 制定的標準一般運行在遵循 IEEE802.15.4 標準的無線芯片上。IEEE802.15.4 在數(shù)據(jù)傳送速率 (250kbps)、范圍 (10  至 100 米)、功耗 (發(fā)送或接收時為 5mA 至 20mA ) 和數(shù)據(jù)包大小 (高達 127 字節(jié)) 之間進行了健康的權衡。這種權衡使  IEEE802.15.4 非常適用于低功耗網(wǎng)格網(wǎng)絡技術，因此該標準已經(jīng)成為這類網(wǎng)絡鏈接技術的事實標準。

2012 年，IEEE 公布了可運行在 IEEE802.15.4 兼容型無線電上之新介質(zhì)訪問標準 IEEE802.15.4e。其時隙通道跳頻 (TSCH)  模式納入了 Dust Networks 的時間同步化網(wǎng)格協(xié)議，以實現(xiàn)精確的時隙同步和 RF 通道跳頻。

盡管 IEEE802.15.4e 定義了兩個節(jié)點實現(xiàn)同步數(shù)據(jù)包傳送的機制，但是它沒有定義怎樣給每個節(jié)點分配時間表。該通信時間表使 TSCH  網(wǎng)絡能夠靈活匹配網(wǎng)絡節(jié)點之間的通信需求 (參見圖  4)。例如，一個網(wǎng)絡可以配置為低數(shù)據(jù)傳送速率和極低功耗的小型網(wǎng)絡，就像遠程環(huán)境監(jiān)視應用中常見的那樣。同樣的網(wǎng)絡還可以配置為大型網(wǎng)絡，為更快的數(shù)據(jù)傳送速率而優(yōu)化。此外，自動分配但靈活的時間表使  TSCH 網(wǎng)絡能夠適應周圍環(huán)境。尤其是，通過調(diào)度可以實現(xiàn)自愈、路由優(yōu)化和負載均衡等網(wǎng)絡功能，這些網(wǎng)絡功能對于在網(wǎng)絡壽命期內(nèi)提供高性能是至關重要的。建立和分配  TSCH 時間表的解決方案可以開發(fā)出來，但是在標準出臺之前，這類解決方案不可能實現(xiàn)無線傳送的互操作性。

圖 4：諸如凌力爾特公司的 LTP5901-IPM 等基于 TSCH 的小型無線節(jié)點以 >99.999% 的數(shù)據(jù)可靠性提供 5 至 10  年的電池壽命。

不過，上述情況隨著在 IETF 的新標準化工作之開展而發(fā)生了變化，該標準又稱為 6TSCH (Deterministic IPv6 over  IEEE802.15.4e Time Slotted Channel Hopping -  注4)。這項標準化工作由凌力爾特和思科系統(tǒng)公司聯(lián)合領導，將制定目前缺少的通信協(xié)議，以使 TSCH 時間表能夠通過調(diào)度實體加以管理。

6TSCH 可填補 IP 協(xié)議棧中尚存的空白，將實現(xiàn)完全標準化、可互操作、基于 IP  的無線傳感器網(wǎng)絡，提供通常僅有線傳感器網(wǎng)絡才能提供的高可靠性。網(wǎng)絡開發(fā)人員通過向傳感器的 IP  地址發(fā)送網(wǎng)絡請求，將能夠?qū)崟r獲得傳感器數(shù)據(jù)，而且下層的無線傳感器網(wǎng)絡將以 >99.999%  的數(shù)據(jù)可靠性支持這類通信。通過使傳感器像網(wǎng)絡服務器一樣易于訪問，無線傳感器網(wǎng)絡將能夠向物聯(lián)網(wǎng)饋送真實世界的信息。