低功耗無線檢測技術(shù)進(jìn)一步刺激物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展

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br>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。

圖2：26天內(nèi)16個(gè)通道上的數(shù)據(jù)包投送
channel：通道
Time (days)：時(shí)間(天)

出于這些原因，WSN采用多個(gè)通道是至關(guān)重要的。通過時(shí)間同步和調(diào)度將網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)時(shí)隙，即可在特定的已知通道上對傳輸進(jìn)行精準(zhǔn)的調(diào)度，而且通道的選擇能隨著每一次傳輸而變更。此外，對網(wǎng)絡(luò)傳輸進(jìn)行調(diào)度還可解決“隱性終端問題”，并實(shí)際消除網(wǎng)絡(luò)中的沖突。這樣一種機(jī)制在超過10,000個(gè)WirelessHART網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)地驗(yàn)證，通常可實(shí)現(xiàn)多年的電池使用壽命和高于99.9%的可靠性。

在能量收集方面須考慮的問題

一旦WSN的功耗要求適當(dāng)?shù)刈钚』院?，電源的選擇范圍就變寬了。環(huán)境能源到處都有：光、振動(dòng)和熱量僅僅是這類能源的幾個(gè)例子，這類能源可以不受限制地得到，并可轉(zhuǎn)換成充足的電能，以運(yùn)行低功耗TSCH WSN。以下例子說明了一些實(shí)際的能量收集技術(shù)，這些技術(shù)產(chǎn)生超過150μW的功率，這在802.15.4e網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行一個(gè)典型的IPv6路由節(jié)點(diǎn)是富富有余了(例如，Dust Networks的SmartMesh IP產(chǎn)品)。

照明──在一個(gè)典型的辦公樓中，大多數(shù)區(qū)域都有充足的室內(nèi)光線，可運(yùn)行低功耗TSCH WSN。根據(jù)美國General Services Administration(其負(fù)責(zé)制定美國公共建筑的指引)提供的數(shù)據(jù)，更明亮的區(qū)域(例如：工作站區(qū)域和閱讀面)具有500lux的照度。即使在那些被認(rèn)為是“一般照明”的區(qū)域(比如：大廳、樓梯間以及機(jī)械室和通信間)中，照度至少也達(dá)到了200lux，而對于大多數(shù)會(huì)議室來說300lux則是十分普遍的。就200至300lux的光照強(qiáng)度而言，有很多室內(nèi)小型光伏電池可供使用(例如：G24i 4100低照度太陽能電池板或Sanyo AM-1815室內(nèi)太陽能電池)，其能為運(yùn)作802.15.4e TSCH網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)IPv6路由器提供足夠的功率。

熱能──熱電發(fā)生器(TEG)靠發(fā)熱表面的熱量產(chǎn)生功率，例如通常認(rèn)為非常熱的常見設(shè)備(例如:電腦監(jiān)視器或大電流電動(dòng)機(jī))產(chǎn)生的廢熱。由于無線解決方案變得越來越節(jié)能，所以從普遍存在和低至10℃的溫差所產(chǎn)生的能量就可作為能源使用了。以下數(shù)據(jù)可供參考：身體內(nèi)部的溫度和室溫之間的典型溫差約為15℃。

很多能量收集傳感器僅產(chǎn)生幾百毫伏的輸出，因此常常需要升壓型DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器，以將這類輸出轉(zhuǎn)換至可用的電源電壓范圍。凌力爾特的LTC3105等IC提供最大功率點(diǎn)控制，以便傳感器以峰值效率工作。LTC3105還允許給電路增加備份電池。因?yàn)檫@些電路的電池僅在環(huán)境能源不足或不存在時(shí)使用，所以電池壽命可以顯著延長，從而降低了與更換電池有關(guān)的費(fèi)用。反過來，如果能源出現(xiàn)間歇(例如，如果周末照明燈或機(jī)器關(guān)閉)，那么在能量收集電路中包括備份電池，可以提供更強(qiáng)的保證和電源連續(xù)性。