背景

盡管低功率傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)如今均已十分普遍，但是在低功率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)市場上的成功案例卻仍然乏善可陳。這并非因為人們對其缺乏興趣，無線傳感器有望大幅削減安裝成本，并可訪問以前不能使用或者由于成本過于昂貴而無法獲得的數(shù)據(jù)。雖然傳感器的尺寸縮小，同時價格和功率也有所降低，但安裝成本卻并未同步下降。與在新建大廈里進行布線所需的人工成本相比，傳感器本身的成本通常就是“小菜一碟”了。當(dāng)在一座現(xiàn)有建筑物或某種工業(yè)過程控制環(huán)境中進行翻新改造時，每個傳感器的安裝成本就可達數(shù)百或數(shù)千美元。

面對如此強勁的成本動因，為什么無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 尚未達到主宰市場的地步呢? 這有兩個因素 (無線功率和網(wǎng)絡(luò)可靠性) 使得 WSN 在很大程度上成為一種“小眾”產(chǎn)品。

技術(shù)選擇

客戶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、可靠和快速地完成數(shù)據(jù)報告、并在不更換電池的情況下連續(xù)運行多年。低功率無線電和通信協(xié)議近期取得的技術(shù)進步使我們能夠在許多市場上提供上述特性。

數(shù)據(jù)收集應(yīng)用通常需由大量的檢測點將數(shù)據(jù)發(fā)送至一個中央主機，該中央主機可利用一個過程設(shè)定點或其他配置變更做出響應(yīng)。為擔(dān)負這項任務(wù)，有多種技術(shù)正在展開競爭，包括衛(wèi)星、蜂窩、Wi-Fi 和基于 IEEE 802.15.4 無線標(biāo)準(zhǔn)的解決方案。

就衛(wèi)星和蜂窩技術(shù)而言，其每個數(shù)據(jù)包的能源成本是最高的，通常不適合電池供電型應(yīng)用。此類解決方案僅對那些具有已知良好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)用體現(xiàn)出意義。

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)包的能源成本遠低于蜂窩技術(shù)，但對于電池供電型操作來說仍然偏高。連通性和覆蓋范圍仍然是重要的問題，因為利用一個固定傳感器來實現(xiàn)可靠通信所需的接入點密度通常是很高的。

IEEE 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) (WSN)。IEEE 802.15.4 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 異步化單通道網(wǎng)絡(luò)和 WirelessHART1 時間同步化多通道網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)采用凌力爾特公司的 LTC5800-IPM802.15.4 片內(nèi)微塵 (Mote-on-Chip™) 時，發(fā)送幾個字節(jié)的傳感器數(shù)據(jù)以及路由、加密和其他標(biāo)頭所使用的電荷量低于 30μC，其中包括接收一個安全鏈路層確認信號 (見圖 1)。

圖 1：發(fā)送一個簡短 802.15.4 數(shù)據(jù)包和接收一個確認信號所需的能量

網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)過渡到無線系統(tǒng)時，可靠性是個需要關(guān)注的問題。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)包到達接收器，隨著無線功率的減低這種情況會進一步加劇。

當(dāng)多個發(fā)送器在相同的時間和頻率發(fā)送信號時，將出現(xiàn)干擾現(xiàn)象。倘若它們相互之間聽不到 (“隱藏終端問題”)，這就特別成問題了。需要回退、重新發(fā)送并采用確認機理來解決沖突。干擾可能來自網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部、工作于相同無線空間里的另一個相似網(wǎng)絡(luò)、或者某種使用同一頻段的不同無線電技術(shù) (Wi-Fi、藍牙和 802.15.4 等通常也工作在此頻段)。

第二種高度易變的現(xiàn)象被稱為多徑衰落，即使在預(yù)計視線鏈路裕度十分充足的情況下其也會阻礙傳輸?shù)某晒ν瓿�。�?dāng)環(huán)境中的傳輸反彈物體 (天花板、門、人 … 等) 的多個“拷貝信號”傳輸距離各不相同時，就會發(fā)生這種現(xiàn)象。當(dāng)產(chǎn)生破壞性的干擾時，20dB~30dB 的衰落并不是少見。多徑衰落取決于發(fā)送頻率、設(shè)備位置以及環(huán)境中每個鄰近的物體，想要預(yù)知實際上是不可能的。

由于環(huán)境中的物體是移動的，因此多徑的影響隨時間而改變，而且，指望設(shè)備之間的任何特定連接 (即：路徑) 永遠可用是不安全的。圖 2 示出了兩個工業(yè)傳感器之間的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)。重要的是: 從未有時段可觀測到有一條通道在網(wǎng)絡(luò)任何地方的所有路徑處于良好工作狀態(tài)。2

圖 2：無線鏈路的數(shù)據(jù)包遞交率隨時間而改變

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。在網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中，傳感器能夠依靠用戶群發(fā)送無線數(shù)據(jù)包，從而使網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍遠遠超過了單個無線線路的作用范圍，并為網(wǎng)絡(luò)提供了針對任何單一無線鏈路故障的抗干擾能力。采用時分多址 (TDMA) 方案可緩解自沖突現(xiàn)象并實現(xiàn)可預(yù)知的網(wǎng)絡(luò)擴展。

可用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)格協(xié)議有幾種：用于 Wi-Fi 的 802.11、各種特別的路由協(xié)議 (比如 ZigBee 中使用的那些協(xié)議)、以及凌力爾特的時間同步化網(wǎng)格協(xié)議 (其構(gòu)成了 WirelessHART 和 802.15.4e 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ))。

解決方案

WSN 技術(shù)的主要選擇標(biāo)準(zhǔn)是擁有成本和靈活性。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，為實現(xiàn)終身服務(wù)目標(biāo)而需進行電池更換則增加了總的擁有成本。協(xié)議的設(shè)計必須具備密度和傳感器總數(shù)的擴展能力，以耐受干擾并在個別設(shè)備缺失的情況下繼續(xù)使用。

WSN 必須以能夠在具有寬溫度變化范圍以及鏈路層數(shù)據(jù)包遞交率 (PDR) 低至約 50% 的環(huán)境中可靠工作為目標(biāo)進行設(shè)計。對于工業(yè)應(yīng)用，可靠性目標(biāo)通常為接收至少 99.9% 的生成數(shù)據(jù)，因為丟失的數(shù)據(jù)會觸發(fā)代價高昂的告警狀況。系統(tǒng)必須支持某一最小的每秒傳感器數(shù)據(jù)包傳輸數(shù)量和有限的延遲，“過期的”數(shù)據(jù)包通常被舍棄，其不利于可靠性。

應(yīng)用

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 以提供市面上可靠性最高和功率最低的安全 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。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)建高度可靠的多跳網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò) (能按節(jié)點配置數(shù)據(jù)速率)。采用 Dust 微塵和管理器的部分應(yīng)用實例包括：

泊車 - Streetline 公司3 是一家智能泊車解決方案供應(yīng)商，其產(chǎn)品可利用安裝在泊車位下方的車輛探測器來監(jiān)視泊車位的實時可用情況，并將相關(guān)信息匯總到一個覆蓋全城的數(shù)據(jù)庫之中。低功率無線技術(shù)對于此類應(yīng)用是至關(guān)緊要的，因為用電線將傳感器連接至每個車位操作起來是非常困難的，而且，由于不同的車輛停放位置會改變器件對之間的路徑質(zhì)量，因此無線路徑分集是必不可少的。

能耗監(jiān)測 - Vigilent 公司4 可提供用于數(shù)據(jù)中心的智能型能耗管理系統(tǒng)。由于數(shù)據(jù)中心里的空調(diào)常常以滿功率連續(xù)運行，因而造成了能源的浪費。Vigilent 部署了不會影響數(shù)據(jù)中心常規(guī)運作的密集、安全無線器件，并且常規(guī)性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。

結(jié)論

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。

參考文獻

1. http://www.hartcomm.org/hcf/documents/documents_spec_list.html

2. L. Doherty, W. Lindsay, J. Simon, K. Pister, “Channel-Specific Wireless Sensor Network Path Analysis,” Proc. ICCCN ’07, Honolulu, HI, 2007.

3. http://www.streetline.com/

4. http://www.vigilent.com/