作者：Jonathan Simon 和 Thomas Watteyne

　　我們生活在一個(gè)充滿傳感器的世界,。我們工作的建筑物都有傳感器監(jiān)控溫度、占用率,、煙霧和火災(zāi)以及安全性,。我們的汽車包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)傳感器,，監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)性能、制動(dòng)和乘客安全設(shè)備,，僅舉幾例,。制造環(huán)境需要傳感器，因?yàn)槟鸁o法控制無法測(cè)量的東西,。在滿足安全,、質(zhì)量和效率目標(biāo)的同時(shí)制造產(chǎn)品需要大量的傳感器。

　　在過去的幾十年里,，傳感器變得更小,、更便宜、功耗更低,，部分原因是摩爾定律和MEMS革命,。不幸的是，安裝傳感器的成本并沒有跟上,。通過電線傳輸電力和數(shù)據(jù)的成本通常使傳感器本身的成本相形見絀,。以最近的電燈開關(guān)為例：即使在新建筑中,，1美元開關(guān)的布線也可能花費(fèi)50美元，主要是人工,。如果要將該開關(guān)移動(dòng)到相鄰的墻壁上,，則改造的價(jià)格要高得多。在工業(yè)過程自動(dòng)化中,，公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)法則是安裝傳感器（即使是簡(jiǎn)單的開關(guān)）需要 10,，000 美元。在這種成本環(huán)境中,，許多傳感器僅向本地控制器報(bào)告數(shù)據(jù) - 當(dāng)安裝數(shù)百或數(shù)千個(gè)傳感器時(shí),，可能很少或根本沒有“大局”。我們需要的是一種廉價(jià),、可靠的傳感器聯(lián)網(wǎng)方式,。

　　幾乎從馬可尼時(shí)代開始，人們就使用無線技術(shù)來傳輸來自傳感器的數(shù)據(jù),，結(jié)果好壞參半,。傳統(tǒng)上，這些鏈路是線供電和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的,，由于環(huán)境條件，通常具有時(shí)變的可靠性,。這對(duì)于某些應(yīng)用程序來說很好,，但對(duì)大多數(shù)應(yīng)用程序來說限制性太強(qiáng)。

　　市場(chǎng)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的市場(chǎng)包括樓宇自動(dòng)化,、工業(yè)控制,、家庭自動(dòng)化、智能電網(wǎng)和自動(dòng)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施（AMI）,、工業(yè)過程自動(dòng)化,、環(huán)境監(jiān)測(cè)、停車和運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施,、能源監(jiān)控和庫(kù)存控制,。

　　在大多數(shù)情況下，這些是雙向非對(duì)稱數(shù)據(jù)收集應(yīng)用程序 - 大量檢測(cè)點(diǎn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到中央主機(jī),，中央主機(jī)可能會(huì)響應(yīng)過程設(shè)定點(diǎn)或其他配置更改,。

　　技術(shù)選擇

　　理想情況下，客戶需要一種低成本的技術(shù),，允許不受限制的傳感器放置,，以低延遲可靠地接收定期數(shù)據(jù)，并在設(shè)備使用壽命內(nèi)運(yùn)行而無需更換電池,。最近的技術(shù)進(jìn)步使我們能夠在許多市場(chǎng)提供這些功能,。

　　有幾種技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)來填補(bǔ)這一角色,，包括衛(wèi)星，蜂窩,，Wi-Fi和基于IEEE 802.15.4無線電的大量解決方案,。這些技術(shù)允許用戶形成WSN來收集傳感器數(shù)據(jù)。

　　衛(wèi)星和蜂窩在許多應(yīng)用中運(yùn)行良好,，但每包的能源成本最高,。數(shù)據(jù)計(jì)劃費(fèi)用也可能令人望而卻步，盡管隨著運(yùn)營(yíng)商開發(fā)適合相對(duì)稀疏的數(shù)據(jù)流的計(jì)費(fèi)模型,，這種情況可能會(huì)發(fā)生變化,。覆蓋范圍也可能是一個(gè)問題。顯然,，衛(wèi)星或手機(jī)信號(hào)很難從嚴(yán)重阻塞的結(jié)構(gòu)中出來,，而且傳感器通常沒有能力從一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)并詢問“你現(xiàn)在能聽到我的聲音嗎？然而,，對(duì)于以非常低的數(shù)據(jù)速率（例如,，每天一個(gè)數(shù)據(jù)包）發(fā)送且連接良好的應(yīng)用程序，衛(wèi)星或蜂窩可能很有意義,。

　　Wi-Fi（IEEE 802.11b,，g）傳感器現(xiàn)已廣泛使用。Wi-Fi數(shù)據(jù)包的能源成本遠(yuǎn)低于蜂窩網(wǎng)絡(luò),，并且沒有經(jīng)常性的數(shù)據(jù)費(fèi)用,。連接性和覆蓋范圍仍然是重要的問題，因?yàn)榕c固定傳感器進(jìn)行可靠通信所需的接入點(diǎn)密度通常高于使用小工具的移動(dòng)人員所需的密度,。

　　由于干擾和多徑衰落,，構(gòu)建可靠無線系統(tǒng)的關(guān)鍵是利用信道和路徑分集。

　　參考 OSI 層模型,，802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層 （PHY） 和介質(zhì)訪問控制 （MAC） 層,，用于短距離、低功耗操作,，非常適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò),。無線電的數(shù)據(jù)速率相對(duì)較低（高達(dá)250kbps）；數(shù)據(jù)包很短（< 128 字節(jié)）且能耗低,。例如,，使用路由、加密和其他標(biāo)頭發(fā)送幾字節(jié)的傳感器數(shù)據(jù)需要不到1ms的時(shí)間,，消耗的能量不到30μJ（見圖1）,，包括接收安全鏈路層確認(rèn)。傳感器可以轉(zhuǎn)發(fā)來自對(duì)等方的無線電數(shù)據(jù)包,，將網(wǎng)絡(luò)的范圍擴(kuò)展到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出單個(gè)無線電的范圍,，并為網(wǎng)絡(luò)提供對(duì)任何單個(gè)無線電鏈路故障的免疫力,。

　　圖1.傳輸短 802.15.4 數(shù)據(jù)包并接收確認(rèn)的能量。

　　性能指標(biāo)

　　對(duì)各種WSN解決方案的評(píng)估基于兩個(gè)問題,，”我能足夠快地獲得所有數(shù)據(jù)嗎,？“和”要花多少錢？“WSN 必須設(shè)計(jì)為在鏈路層數(shù)據(jù)包交付比率 （PDR） 低至 50% 左右的環(huán)境中工作,。

　　在開發(fā)無線數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)時(shí),，必須滿足一些性能目標(biāo)。首先,，系統(tǒng)必須滿足最低可靠性目標(biāo),。對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，目標(biāo)通常是接收至少99.9%的生成數(shù)據(jù),，因?yàn)閬G失數(shù)據(jù)可能會(huì)觸發(fā)昂貴的警報(bào)條件,。其次，系統(tǒng)必須支持一定的吞吐量,，即每秒多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)包,。第三，這些數(shù)據(jù)包僅在最大延遲期內(nèi)收到時(shí)才有用,。許多流程依賴于新的數(shù)據(jù)更新 — 為了控制,，過時(shí)的數(shù)據(jù)可能沒有用處。第四,，許多系統(tǒng)必須在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中運(yùn)行,，包括寬溫度范圍和本質(zhì)安全限制。只有滿足所有這四個(gè)要求的解決方案才被認(rèn)為適合進(jìn)一步評(píng)估,。

　　在考慮滿足要求的各種解決方案時(shí)，關(guān)鍵的選擇標(biāo)準(zhǔn)是擁有成本和靈活性,。擁有成本包括幾個(gè)方面：產(chǎn)品開發(fā),、安裝、硬件以及在安裝的整個(gè)生命周期內(nèi)供電,。與有線解決方案相比,，無線技術(shù)大大降低了安裝成本，但電池供電的無線設(shè)備可能需要在網(wǎng)絡(luò)的生命周期內(nèi)更換電池,。在構(gòu)建具有少量高功率設(shè)備以降低硬件成本的網(wǎng)絡(luò)與使用大量低功耗設(shè)備之間也存在權(quán)衡,。對(duì)于由能量收集電池供電的設(shè)備（例如，太陽(yáng)能,、熱電）,，電容器尺寸可能決定成本的很大一部分。具有確定性調(diào)度的解決方案,，如時(shí)分多址（TDMA）,，可以幫助盡可能分離大電流事件,，以降低電容尺寸要求。

　　由于最終部署條件是不可預(yù)測(cè)的,，因此網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)必須具有靈活性,。網(wǎng)絡(luò)必須從少量傳感器擴(kuò)展到大量傳感器，從低密度擴(kuò)展到高密度,。為了在各種無線環(huán)境中保持穩(wěn)健,，資源配置應(yīng)確保設(shè)備在中等干擾下可靠地通信，并且網(wǎng)絡(luò)在單個(gè)設(shè)備丟失的情況下幸存下來,。其他資源（包括更多無線鏈路,、每個(gè)設(shè)備的更多鄰居或更多信號(hào)放大）可提高可靠性和延遲。所有這些增加都會(huì)增加電力成本,，這可以通過動(dòng)態(tài)分配來最小化,。

　　基于標(biāo)準(zhǔn)的解決方案可以不受單個(gè)供應(yīng)商組件的供應(yīng)鏈變幻莫測(cè)的影響，并保證社區(qū)已就運(yùn)營(yíng)指導(dǎo)原則（例如安全架構(gòu)）達(dá)成一致,。

　　挑戰(zhàn)

　　無線信道本質(zhì)上是不可靠的,，許多現(xiàn)象會(huì)阻止傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包到達(dá)接收器。干擾就是其中一種現(xiàn)象,。如果兩個(gè)獨(dú)立的發(fā)射器在同一信道上傳輸,，使得它們的信號(hào)重疊，則它們可能會(huì)在接收器的無線電上破壞彼此的信號(hào),。這需要發(fā)射器重新傳輸,，但代價(jià)是額外的時(shí)間和精力。

　　如果底層介質(zhì)訪問技術(shù)未安排無爭(zhēng)用通信,，則干擾可能來自同一網(wǎng)絡(luò),。如果兩個(gè)發(fā)射器可以聽到接收器的聲音，但彼此聽不到對(duì)方的聲音,，這尤其成問題——這被稱為”隱藏終端問題“,，它需要退避和確認(rèn)機(jī)制來解決沖突。

　　干擾也可能來自在同一無線電空間中運(yùn)行的另一個(gè)網(wǎng)絡(luò),，或者來自使用相同頻段的不同無線電技術(shù),。后者被稱為”外部“干擾，尤其存在于未經(jīng)許可的頻段中,，例如 2.400GHz 至 2.485GHz 儀器儀表,、科學(xué)和醫(yī)療 （ISM） 頻段，這些頻段擠滿了 Wi-Fi,、藍(lán)牙和 802.15.4,。

　　圖 2 是通過在辦公環(huán)境中部署 45 個(gè) 802.15.4 節(jié)點(diǎn)并讓它們交換 1200 萬個(gè)數(shù)據(jù)包，平均分布在 16 個(gè) 802.15.4 通道上得到的。它將這些數(shù)據(jù)包的平均數(shù)據(jù)包傳輸比率繪制為它們傳輸?shù)耐ǖ赖暮瘮?shù),；在與 Wi-Fi 信道重疊的信道上,，此交付比率較低。

　　圖2.2.400GHz至2.485GHz頻段的Wi-Fi和802.15.4之間的干擾,。

　　第二種現(xiàn)象是多徑衰落,，如圖3所示，可能會(huì)阻止傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包到達(dá)接收器,，并且更具破壞性且更難量化,。通常被描述為”自我干擾“，當(dāng)接收者接收到來自發(fā)射器的視線路徑上的信號(hào),，以及從環(huán)境中的物體（地板,、天花板、門,、人等）反彈的相同信號(hào)的”回波“時(shí),，就會(huì)發(fā)生這種情況。由于這些副本傳播的距離不同,，因此它們?cè)诓煌臅r(shí)間到達(dá)接收器,，可能會(huì)產(chǎn)生破壞性干擾。20dB至30dB的淡入淡出并不少見,。

　　圖3.多徑衰落會(huì)導(dǎo)致鏈路質(zhì)量發(fā)生巨大變化,，即使僅將接收器移動(dòng)幾厘米也是如此。

　　圖3是通過將發(fā)射器向5m外的接收器發(fā)送1000個(gè)數(shù)據(jù)包,，并在接收器位于35cm×20cm網(wǎng)格中的每個(gè)點(diǎn)上重復(fù)此操作而獲得的,。z 軸表示該鏈路上的數(shù)據(jù)包傳遞比率。雖然鏈路在大多數(shù)位置都很好,，但在某些位置,，由于多路徑衰落，沒有成功接收數(shù)據(jù)包,。

　　多徑衰落取決于環(huán)境中每個(gè)對(duì)象的位置和性質(zhì),，在任何實(shí)際設(shè)置中都是不可預(yù)測(cè)的。一個(gè)很好的特性是圖3中描繪的地形隨頻率變化,。也就是說，如果由于多路徑衰落而未收到數(shù)據(jù)包,，則以不同頻率重新傳輸成功的可能性很高,。

　　由于環(huán)境中的對(duì)象不是靜態(tài)的，例如,，汽車駛過,，門被打開和關(guān)閉，因此多路徑的影響會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化。圖4顯示了26天內(nèi)兩個(gè)工業(yè)傳感器之間單個(gè)無線路徑上的數(shù)據(jù)包傳輸率,，以及系統(tǒng)使用的16個(gè)通道中每個(gè)通道的數(shù)據(jù)包傳輸率,。每周都有工作日和周末清晰可見的周期。在任何給定時(shí)間,，有些渠道是好的（高交付）,，有些是壞的，還有一些是高度變化的,。渠道 17 雖然總體上不錯(cuò),，但至少有一個(gè)零交付期。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)路徑都表現(xiàn)出質(zhì)相似的行為,，但具有不同的信道性能,，并且網(wǎng)絡(luò)中從來沒有任何一個(gè)信道是好的。1

　　圖4.無線鏈路的數(shù)據(jù)包傳送比率隨時(shí)間而變化,。

　　由于干擾和多徑衰落,，構(gòu)建可靠無線系統(tǒng)的關(guān)鍵是利用信道和路徑分集。

　　解決 方案

　　如前所述,，IEEE 802.15.4–802.15.4 無線電非常適合解決 WSN 問題的一種技術(shù),，它在多個(gè)免許可頻段（包括北美可用的 915MHz 頻段和全球可用的 2.4GHz ISM 頻段）中提供低功耗、低數(shù)據(jù)速率 PHY,。2.4GHz 頻段擴(kuò)頻 PHY 提供抗噪聲能力,，這對(duì)于設(shè)計(jì)用于在潛在擁擠、未經(jīng)許可的頻段中運(yùn)行的低功耗設(shè)備來說,，這是一個(gè)特別重要的特性,。該標(biāo)準(zhǔn)還定義了具有可選加密和身份驗(yàn)證的可靠、確認(rèn),、基于數(shù)據(jù)包（或幀）的 MAC 層,。這種靈活的解決方案構(gòu)成了幾種專有和基于標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議的基礎(chǔ)，包括ZigBee協(xié)議（使用它來形成不同步的單通道網(wǎng)絡(luò)）和WirelessHART協(xié)議,，2使用它來形成時(shí)間同步的多通道網(wǎng)絡(luò),。

　　Dust Networks幫助開發(fā)的WirelessHART協(xié)議具有802.15.4 2.4GHz PHY和基于802.15.4的鏈路層，該協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)802.15.4 MAC增加了同步,，信道跳頻,，優(yōu)先級(jí)和基于時(shí)間的身份驗(yàn)證。它有一個(gè)提供路由和端到端安全性的網(wǎng)絡(luò)層,，以及一個(gè)薄的不可靠/可靠的網(wǎng)狀傳輸層,。WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了時(shí)隙時(shí)序，設(shè)備如何保持同步,，以及設(shè)備如何通過將時(shí)間劃分為重復(fù)超幀上的時(shí)隙通信機(jī)會(huì)（時(shí)隙）來安排時(shí)間/通道通信機(jī)會(huì),。該協(xié)議旨在允許無線設(shè)備無縫集成到現(xiàn)有的有線HART裝置中,，廣泛用于工業(yè)過程監(jiān)測(cè)和控制應(yīng)用。WirelessHART擴(kuò)展了HART應(yīng)用層命令集,，增加了用于管理無線資源和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況的命令,。WirelessHART網(wǎng)絡(luò)是高度可靠的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，即使對(duì)于沒有視線的設(shè)備,，并且間隔數(shù)十到數(shù)百米,，每個(gè)設(shè)備都有多個(gè)可以向其發(fā)送數(shù)據(jù)的鄰居，從而提供了可靠性所需的路徑多樣性,。無線HART網(wǎng)絡(luò)是集中管理的,，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)智能駐留在管理器中。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（無線傳感器）報(bào)告管理器用于整理和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息,，并將傳感器數(shù)據(jù)報(bào)告給稱為網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用程序代理,。

　　應(yīng)用

　　凌力爾特的粉塵網(wǎng)絡(luò)智能網(wǎng)格？產(chǎn)品線包含符合 WirelessHART 和 6LoWPAN 標(biāo)準(zhǔn)的 IPv6 產(chǎn)品,，這些產(chǎn)品利用 802.15.4 提供市場(chǎng)上最可靠,、功耗最低的 WSN 解決方案。塵埃網(wǎng)絡(luò)永恒,？微塵（LTC5800 系列）是單芯片器件,，可將 Cortex-M3 微處理器、存儲(chǔ)器和外設(shè)耦合到目前功耗最低的 802.15.4 無線電（圖 5）,。設(shè)計(jì)人員在其傳感器封裝中嵌入微塵,，并可以依靠網(wǎng)絡(luò)來形成、優(yōu)化傳感器數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)狡鋺?yīng)用中,。Dust Networks 管理器允許從數(shù)十臺(tái)設(shè)備優(yōu)雅地?cái)U(kuò)展到數(shù)千臺(tái)設(shè)備,，為網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)和配置接口。這兩個(gè)產(chǎn)品系列均構(gòu)建了高度可靠的多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò),，能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的可配置數(shù)據(jù)速率,。它們適用于解決各種 WSN 問題。使用灰塵的一些應(yīng)用程序示例,？,？微塵和管理器包括：

　　停車：街線4是一家智能停車提供商，監(jiān)控城市停車位的實(shí)時(shí)可用性,。車輛探測(cè)器安裝在停車位下方,、人行道一側(cè)并與道路齊平。這帶來了挑戰(zhàn),，因?yàn)閭鞲衅髟O(shè)備的天線位于地下,，然后在空間被占用時(shí)被金屬車輛覆蓋。無線路徑多樣性至關(guān)重要,，因?yàn)椴煌能囕v位置會(huì)改變?cè)O(shè)備對(duì)之間的路徑質(zhì)量,。Streetline在附近的路燈上安裝高架中繼器設(shè)備，以獲得失速傳感器的視線,。這些中繼器形成一個(gè)多跳網(wǎng)格,，將所有占用數(shù)據(jù)收集到本地網(wǎng)絡(luò)管理器，在那里它被聚合到一個(gè)可供客戶和執(zhí)法機(jī)構(gòu)使用的全市數(shù)據(jù)庫(kù)中,。無線技術(shù)對(duì)于此應(yīng)用至關(guān)重要,，因?yàn)樗茈y將傳感器連接到每個(gè)空間，而低功耗無線降低了電池更換的頻率,。

　　煉油廠過程控制：雪佛龍使用無線網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)控石油開采和精煉設(shè)施,。這些網(wǎng)絡(luò)通常部署在惡劣的環(huán)境中（由于危險(xiǎn)的溫度、化學(xué)品或爆炸風(fēng)險(xiǎn)）,，在這些環(huán)境中,，有線傳感器無法運(yùn)行導(dǎo)管。此外,，無線功能還可以監(jiān)控旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商,。對(duì)于一次部署（圖 6），無線網(wǎng)絡(luò)安裝在大型煉油設(shè)施周圍的不同位置,。為了將數(shù)據(jù)收集到集中控制中心,，使用思科 IEEE 802.11a 無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)作為每個(gè) IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)管理器的回程連接。這允許低功耗傳感器設(shè)備向其本地管理器報(bào)告,，在那里數(shù)據(jù)被聚合并可靠地穿梭,。此部署代表了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之間的強(qiáng)大融合。

　　能源監(jiān)控：保持警惕5為室內(nèi)環(huán)境（如環(huán)境控制至關(guān)重要的數(shù)據(jù)中心）提供智能能源管理系統(tǒng),。由于數(shù)據(jù)中心任何位置的溫度升高都可能導(dǎo)致設(shè)備故障,，因此空調(diào)經(jīng)常以全功率連續(xù)運(yùn)行，從而浪費(fèi)能源,。設(shè)施管理人員不愿意危及其內(nèi)部網(wǎng)絡(luò),，因此 Vigilent 部署了不會(huì)干擾正常運(yùn)行的無線設(shè)備。這些設(shè)施對(duì)安全性也很敏感,，因此無線協(xié)議需要對(duì)所有數(shù)據(jù)包進(jìn)行端到端加密,，并在網(wǎng)絡(luò)管理器上提供額外的安全性。數(shù)據(jù)中心的檢測(cè)點(diǎn)通常很密集,，Vigilent 已經(jīng)成功地部署了多個(gè)重疊網(wǎng)絡(luò),，以實(shí)現(xiàn)所需數(shù)量的傳感器。

　　圖5.LTC5800 粉塵永恒的框圖

　　圖6.用于煉油廠過程控制的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　結(jié)論

　　基于 802.15.4 無線電的多通道時(shí)間同步網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)解決了構(gòu)建靈活,、可靠,、低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所涉及的許多挑戰(zhàn)。

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