低功率無線感測促進(jìn)了 IoT 的發(fā)展

低功率無線技術(shù)正在大幅降低傳統(tǒng)有線感測系統(tǒng)的成本，并為傳感器網(wǎng)絡(luò)提供采用導(dǎo)線完全無法實現(xiàn)的全新可能性。低功率無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 標(biāo)準(zhǔn)，特別是采用時間同步通道跳頻 (TSCH) 的網(wǎng)格架構(gòu)，可使網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點依靠電池或收集能量來運(yùn)行，并不會犧牲可靠性或數(shù)據(jù)吞吐量。這使得應(yīng)用開發(fā)人員能夠自由地安放傳感器，并不僅僅局限在可提供電源的地方，而是應(yīng)用需要傳感器數(shù)據(jù)的任何地方。凌力爾特公司 (其包括了 Dust Networks 產(chǎn)品組) 一直身處基于 TSCH 之高可靠、低功率 WSN 和能量收集技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新的最前沿。這些技術(shù)緊密關(guān)聯(lián)，旨在為應(yīng)用開發(fā)人員部署那些要求盡量少 (如果有的話) 更換電池的系統(tǒng)提供更多的機(jī)會，從而進(jìn)一步降低了部署無線傳感器的生命周期成本并刺激了物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的發(fā)展。

ON World 最近所做的一項研究表明：對于工業(yè)客戶而言，WSN 最至關(guān)重要的兩個特性是可靠性和低功率 (圖 1)。成本則排在第三位：如果不能解決可靠性和功率問題，那么成本還不是客戶需要優(yōu)先考慮的因素。

圖 1：WSN 特性的感知重要度

顯然，精確同步的分時隙 (time slotting)、通道跳頻與超低功率無線電電路的組合實現(xiàn)了功率最低、可靠性最高的 WSN。這種對于低功率的關(guān)注使得所有的節(jié)點均可依靠低成本電池運(yùn)行多年，而且為使用多種能量源 (包括能量收集電源) 開啟了可能性。

低功率無線電

IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的推出為 WSN 創(chuàng)立了一種卓越的無線電平臺。IEEE 802.15.4 定義了一個 2.4GHz、16 通道擴(kuò)頻低功率物理 (PHY) 層，很多 IoT 技術(shù)均基于該物理層而構(gòu)建，包括 ZigBee 和 WirelessHART。另外，該標(biāo)準(zhǔn)還定義了一個媒體接入控制 (MAC) 層，其一直是 ZigBee 技術(shù)的基礎(chǔ)。然而，該 MAC 的單通道性質(zhì)使其可靠性變得不可預(yù)知。為了提高可靠性，WirelessHART 協(xié)議 (也被稱為 IEC62591) 定義了一個基于 15.4 MAC 的多通道鏈路層以實現(xiàn)高可靠性 (>99.9%)，這是工業(yè) WSN 應(yīng)用所要求的。2012 年初，802.15.4 MAC 的一種新版本 (稱為 802.15.4e) 正式獲批，該 MAC 體現(xiàn)了多通道網(wǎng)格和分時隙。符合 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)之無線電裝置的典型功率輸出大約為 0dBm，發(fā)送和接收電流在 15mA 至 30mA 范圍內(nèi)。在 0dBm 時的同類最佳發(fā)送電流為 5.4mA，而同類最佳之接收電流為 4.5mA (基于凌力爾特的 LTC5800)。

時間同步可實現(xiàn)節(jié)能和通道跳頻

原始 802.15.4 MAC 要求網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中負(fù)責(zé)傳送來自相鄰節(jié)點之信息的節(jié)點始終保持接通，而那些僅發(fā)送 / 接收其自身數(shù)據(jù)的節(jié)點 (常被稱為 “精簡功能設(shè)備”) 則可在傳輸操作之間處于睡眠狀態(tài)。為了使網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點均為低功率，必須安排節(jié)點之間的通信，而且在網(wǎng)絡(luò)中必需具有一種時間的共享感。同步越嚴(yán)密，路由節(jié)點無線電裝置必須處于 “導(dǎo)通” 狀態(tài)的時間就越短，從而最大限度地降低功耗。業(yè)界最佳的 TSCH 系統(tǒng)能夠把一個多跳網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點同步至幾十微秒之內(nèi)。一旦在網(wǎng)絡(luò)中擁有了準(zhǔn)確時間的共享感，以及用于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間成對傳輸?shù)臅r隙明細(xì)表，即可將通道分配納入該明細(xì)表，由此啟用通道跳頻。

通道跳頻減輕了干擾和多徑衰落

無線通道在本質(zhì)上就是不可靠的，而且諸多現(xiàn)象會阻止已傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包到達(dá)接收器;而當(dāng)無線電功率下降時此類狀況會進(jìn)一步惡化。當(dāng)多個發(fā)送器通過相同的頻率同時傳送數(shù)據(jù)時，將出現(xiàn)干擾。假如它們彼此聽不見，然而接收器卻能夠聽見所有的發(fā)送器，這就特別成問題了 (“隱性終端問題”)。后退、重傳和確認(rèn)機(jī)理是解決沖突所必需的。干擾可能來自網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部、或者另一個工作在相同無線電空間中的類似網(wǎng)絡(luò)、抑或是某種工作于同頻段的不同無線電技術(shù) (這在 WiFi、Bluetooth 和 802.15.4 共用的 2.4GHz 頻段中是常見的現(xiàn)象)。

第二種不可預(yù)知的現(xiàn)象 (被稱為 “多徑衰落”) 會阻止傳輸?shù)某晒ν瓿?，即使在預(yù)期視線鏈路余量充足的情況下也不例外。當(dāng)傳輸信號的多個 “副本” 被環(huán)境中的物體 (天花板、門、人 … 等等) 反彈，且每個反射副本傳播的距離不同時，將發(fā)生這種現(xiàn)象。當(dāng)產(chǎn)生破壞性的干擾時，20dB 至 30dB 的衰落是司空見慣的。多徑衰落取決于傳輸頻率、設(shè)備位置、以及每一個鄰近的物體;要想預(yù)知它幾乎是不可能的。圖 2 示出了 26 天時間里在介于兩個工業(yè)傳感器之間的單個無線通路上的數(shù)據(jù)包遞交率 (針對系統(tǒng)所使用的 16 個通道中的每一個)。

圖 2：在 26 天時間里于 16 個通道上的數(shù)據(jù)包遞交率

通過實施時間同步和把網(wǎng)絡(luò)劃分為時隙的時間安排，可在特定的已知通道上精確地編排傳輸?shù)臅r間表，而且通道的選擇可以隨著每個傳輸而改變。此外，安排網(wǎng)絡(luò)傳輸還解決了 “隱性終端問題”，并幾乎消除了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的沖突。這樣一種機(jī)理在超過 10,000 個 WirelessHART 網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了現(xiàn)場實地驗證，通?？蓪崿F(xiàn)持續(xù)多年的電池使用壽命和 >99.9% 的可靠性。

能量收集考慮

一旦適當(dāng)?shù)乇M量降低了 WSN 的功率要求，那么電源的選擇面就變寬了。環(huán)境能量無處不在：光、振動和熱量只不過是幾個例子而已，它們可以大量地免費(fèi)供應(yīng)并被轉(zhuǎn)換為充足的電能以運(yùn)行一個低功率 TSCH WSN。下面的例子說明了一些可產(chǎn)生超過 150μW 功率的實用型能量收集技術(shù)，這種功率級別完全足以運(yùn)行 802.15.4e 網(wǎng)絡(luò) (例如：Dust Networks 的 SmartMesh IP™) 中一個典型的 IPv6 路由節(jié)點。

照明

標(biāo)準(zhǔn)辦公大樓的大多數(shù)區(qū)域都具備可運(yùn)行一個低功率 TSCH WSN 的充足室內(nèi)照明。根據(jù)美國聯(lián)邦事務(wù)服務(wù)管理總局 (其負(fù)責(zé)制定美國公共建筑的指導(dǎo)準(zhǔn)則) 提供的信息，諸如工作站和閱讀區(qū)等亮度較高的區(qū)域擁有 500 lux 的照度。即使在如大堂、樓梯間以及機(jī)械和通信室等被認(rèn)為是 “正常照明” 的區(qū)域中，照度至少也有 200 lux，而大部分會議室的照度則普遍達(dá)到了 300 lux。憑借 200 lux 至 300 lux 的照度，有許多室內(nèi)小型光伏電池可用來提供充足的功率以運(yùn)作 802.15.4e TSCH 網(wǎng)絡(luò)中的一個 IPv6 路由器。

熱能

熱電發(fā)生器 (TEG) 利用來自熾熱表面的熱耗散來產(chǎn)生電能，比如：來自一般被認(rèn)為熱哄哄的常用設(shè)備 (例如：計算機(jī)監(jiān)視器或大電流電機(jī)) 的廢熱。隨著無線解決方案電源效率的日益提高，利用小到 10°C 的常見溫差所產(chǎn)生的能量變得可用作一種能量源。供您參考：體內(nèi)溫度與室溫之間的典型差異約為 15°C。

許多能量收集換能器只產(chǎn)生幾百毫伏輸出，因此常常需要采用升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器將之轉(zhuǎn)換至一個可用的電源電壓范圍。由凌力爾特提供的 LTC3105 等 IC 整合了最大功率點控制功能，于是換能器以峰值效率運(yùn)作。另外，LTC3105 還在電路中增添了電池后備功能。由于這些電路中的電池僅在環(huán)境能量源不足或缺失時使用，因此能夠大幅度地延長電池壽命。

結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)是通過使其具有實用性并可不受地域限制地易于部署傳感器而得以加速發(fā)展。對于客戶和開發(fā)人員之類的群體而言，低功率的可靠無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將轉(zhuǎn)化為無導(dǎo)線和無擔(dān)憂的設(shè)計。時間同步的分時隙多通道系統(tǒng)把對客戶至關(guān)緊要的好處賦予了 WSN：可靠性及網(wǎng)絡(luò)的低功率運(yùn)作。WirelessHART 和 802.15.4e 標(biāo)準(zhǔn)是這種網(wǎng)絡(luò)方案的絕佳體現(xiàn)。低功率運(yùn)作可確保電源選擇的極大靈活性，并提供了實現(xiàn)永久供電的可能性。所有這些因素累加起來將使 IoT 更加簡易和實用。