可靠、低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)適用于物聯(lián)網(wǎng): 使無線傳感器像網(wǎng)絡(luò)服務(wù)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(gè)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(shí)世界的數(shù)據(jù)，以促進(jìn)效率提高，簡(jiǎn)化業(yè)務(wù)實(shí)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?！敦?cái)富》500 強(qiáng)公司為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供企業(yè)及數(shù)據(jù)庫解決方案，并提供軟件工具，以簡(jiǎn)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(wù)流程。智能手機(jī)和平板電腦為人們提供了非常有用的信息，例如提供實(shí)時(shí)停車信息，或者實(shí)時(shí)提供有關(guān)機(jī)器健康狀況的監(jiān)視信息，以制定維修計(jì)劃。迄今為止已經(jīng)部署了許多無線傳感器，但是為了測(cè)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(luò)將得到廣泛使用

為了進(jìn)一步擴(kuò)大傳感器部署規(guī)模，正在進(jìn)行有關(guān) IP 標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，目標(biāo)是使小型無線傳感器像網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器一樣易于使用。在標(biāo)準(zhǔn)制定工作的背后有兩股推動(dòng)力：其一是，公認(rèn)的低功耗、時(shí)間同步化網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的高度可靠性能;其二是，正在進(jìn)行的 IP 標(biāo)準(zhǔn)制定工作可實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(luò)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(luò)中，不可靠性的主要來源是外部干擾和多徑衰落。當(dāng)外部信號(hào) (例如 WiFi 信號(hào)) 暫時(shí)妨礙兩個(gè)無線電系統(tǒng)通信時(shí)，就會(huì)發(fā)生干擾。這就需要它們重新發(fā)送信號(hào)，因此會(huì)消耗更多功率。當(dāng)無線信號(hào)遇到鄰近發(fā)送器中的物體而彈回時(shí)，就會(huì)發(fā)生多徑衰落，而且各種回波都會(huì)對(duì)接收器天線造成破壞性干擾。這現(xiàn)象是設(shè)備位置、所用頻率以及周圍環(huán)境的函數(shù)。因?yàn)槿魏螣o線系統(tǒng)周圍的環(huán)境都隨時(shí)間而變化，所以在無線系統(tǒng)運(yùn)行壽命期內(nèi)，任一 RF 頻道都會(huì)遇到問題。不過，多經(jīng)衰落是受頻率影響。因此，盡管某個(gè)頻率可能遇到了問題，但是仍然會(huì)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(guān)鍵是，在不犧牲低功耗工作這一優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，實(shí)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(gè)業(yè)務(wù)部) 率先提供了這樣的系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用時(shí)間同步、通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

時(shí)間同步、通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)

在時(shí)間同步化通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中，多跳網(wǎng)絡(luò)上的所有無線節(jié)點(diǎn)都同步至幾十微秒時(shí)間之內(nèi)，而且時(shí)間被分成時(shí)隙。通信通過一個(gè)時(shí)間表來協(xié)調(diào)，該時(shí)間表指示每個(gè)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)隙中該做什么 (發(fā)送、接收、休眠)。因?yàn)樗鼈兌际峭降模詢H當(dāng)通信時(shí)，這些節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)了電池的壽命。此外，因?yàn)樵摃r(shí)間表可以靈活設(shè)定，所以網(wǎng)絡(luò)始終可供應(yīng)用使用，不像其他“休眠”網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，需要徹底關(guān)斷網(wǎng)絡(luò)很長(zhǎng)時(shí)間。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送的所有數(shù)據(jù)包都在以偽隨機(jī)跳頻方式計(jì)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(shí)間同步化網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá) 10 年的電池壽命和 >99.999% 的端到端可靠性。

時(shí)間同步化網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)取得了成功

近幾年，時(shí)間同步化通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)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(lǐng)域之一。

有些工業(yè)應(yīng)用的運(yùn)行環(huán)境堪稱最為嚴(yán)酷，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)完整性又有最為嚴(yán)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(shè)備的效率、生產(chǎn)率和安全性。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的有線工業(yè)傳感器安裝費(fèi)用高昂，所以在工廠中一般僅對(duì)少量可能的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。盡管這為無線傳感器在工業(yè)應(yīng)用中的使用創(chuàng)造了極大的需求，但是傳統(tǒng)點(diǎn)到點(diǎn)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(yīng)用中的使用。

隨著時(shí)間同步化網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用變成了現(xiàn)實(shí)。低功耗無線系統(tǒng)通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) IEC62591 (也稱為 WirelessHART) 實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，使工業(yè)過程市場(chǎng)上的設(shè)備實(shí)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(luò)已經(jīng)得到廣泛使用，在全球 120 多個(gè)國(guó)家部署了 3 萬多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，提高了各種場(chǎng)所的安全性和效率，包括鋼鐵廠和煉油廠、偏遠(yuǎn)的油田和海上鉆井平臺(tái)、以及食品和飲料廠 (注1)。

除工業(yè)過程領(lǐng)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(fèi)用 (注2)。Streetline Networks (注3) 是一家智能停車服務(wù)供應(yīng)商，實(shí)時(shí)監(jiān)視城區(qū)停車位的可用情況 (參見圖 2)。車輛檢測(cè)器安裝在停車位下方、車道的路面內(nèi)。這帶來了挑戰(zhàn)，因?yàn)閭鞲衅髟O(shè)備的天線位于地下，而且當(dāng)停車位被占用時(shí)，又被金屬車體覆蓋著。這樣的應(yīng)用以前被認(rèn)為是不可能或不實(shí)際的，現(xiàn)在則可用時(shí)間同步化通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。

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

基于標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，標(biāo)準(zhǔn)發(fā)揮著重要作用，因?yàn)樽罱K用戶擁護(hù)基于標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的解決方案。一項(xiàng)技術(shù)如果由重要標(biāo)準(zhǔn)化組織開發(fā)并核準(zhǔn)，用戶就有信心使用。WirelessHART / IEC62591 是工業(yè)過程領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)，在這個(gè)市場(chǎng)以外，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 是通信標(biāo)準(zhǔn)。

連接到互聯(lián)網(wǎng)上的所有設(shè)備都利用 IP 相互通信。每個(gè)設(shè)備都獲得一個(gè) IP 地址，該地址在互聯(lián)網(wǎng)上明白無誤地代表該設(shè)備。所交換的數(shù)據(jù)包包含一個(gè) IP 頭標(biāo)以及一系列字節(jié) (建立該數(shù)據(jù)包的設(shè)備之地址編碼和目的設(shè)備的地址編碼)。形成一個(gè)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(diǎn)。用 IP 協(xié)議將低功耗網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接至互聯(lián)網(wǎng)，為促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展做出了一大貢獻(xiàn)。

若干標(biāo)準(zhǔn)化組織為物聯(lián)網(wǎng) (參見圖 3) 制定了標(biāo)準(zhǔn)。挑戰(zhàn)是要與互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全面集成，同時(shí)納入公認(rèn)的時(shí)間同步化通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)。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(wù)組 (IETF) 制定的，該標(biāo)準(zhǔn)化組織的 CoRE 工作組已經(jīng)制定了應(yīng)用層協(xié)議 CoAP (Constrained Application Protocol)。CoAP 在 UDP 協(xié)議之上運(yùn)行，而且非常容易轉(zhuǎn)換到 HTTP，以使無線傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)類似網(wǎng)絡(luò)的互動(dòng)。6LoWPAN 工作組制定了一個(gè) IP 適配層協(xié)議，該協(xié)議將 IP 數(shù)據(jù)包的大型頭標(biāo)壓縮成小型無線幀或數(shù)據(jù)包，使傳感器節(jié)點(diǎn)能夠通過 IP 地址單獨(dú)尋址。盡管這些上層協(xié)議實(shí)現(xiàn)了類似網(wǎng)絡(luò)的互動(dòng)以及與互聯(lián)網(wǎng)的集成，但是決定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)的 IP 協(xié)議棧

IETF 制定的標(biāo)準(zhǔn)一般運(yùn)行在遵循 IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)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(shí)為 5mA 至 20mA ) 和數(shù)據(jù)包大小 (高達(dá) 127 字節(jié)) 之間進(jìn)行了健康的權(quán)衡。這種權(quán)衡使 IEEE802.15.4 非常適用于低功耗網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，因此該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為這類網(wǎng)絡(luò)鏈接技術(shù)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

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

盡管 IEEE802.15.4e 定義了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)包傳送的機(jī)制，但是它沒有定義怎樣給每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配時(shí)間表。該通信時(shí)間表使 TSCH 網(wǎng)絡(luò)能夠靈活匹配網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通信需求 (參見圖 4)。例如，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(luò)，就像遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)視應(yīng)用中常見的那樣。同樣的網(wǎng)絡(luò)還可以配置為大型網(wǎng)絡(luò)，為更快的數(shù)據(jù)傳送速率而優(yōu)化。此外，自動(dòng)分配但靈活的時(shí)間表使 TSCH 網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)周圍環(huán)境。尤其是，通過調(diào)度可以實(shí)現(xiàn)自愈、路由優(yōu)化和負(fù)載均衡等網(wǎng)絡(luò)功能，這些網(wǎng)絡(luò)功能對(duì)于在網(wǎng)絡(luò)壽命期內(nèi)提供高性能是至關(guān)重要的。建立和分配 TSCH 時(shí)間表的解決方案可以開發(fā)出來，但是在標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)之前，這類解決方案不可能實(shí)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(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)化工作之開展而發(fā)生了變化，該標(biāo)準(zhǔn)又稱為 6TSCH (Deterministic IPv6 over IEEE802.15.4e Time Slotted Channel Hopping - 注4)。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化工作由凌力爾特和思科系統(tǒng)公司聯(lián)合領(lǐng)導(dǎo)，將制定目前缺少的通信協(xié)議，以使 TSCH 時(shí)間表能夠通過調(diào)度實(shí)體加以管理。

6TSCH 可填補(bǔ) IP 協(xié)議棧中尚存的空白，將實(shí)現(xiàn)完全標(biāo)準(zhǔn)化、可互操作、基于 IP 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，提供通常僅有線傳感器網(wǎng)絡(luò)才能提供的高可靠性。網(wǎng)絡(luò)開發(fā)人員通過向傳感器的 IP 地址發(fā)送網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，將能夠?qū)崟r(shí)獲得傳感器數(shù)據(jù)，而且下層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)服務(wù)器一樣易于訪問，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將能夠向物聯(lián)網(wǎng)饋送真實(shí)世界的信息。

注:

1. www2.emersonprocess.com/en-US/plantweb/wireless/applications/Pages/Wireless-Applications.aspx

2. Vigilent - www.linear.com/docs/41384

3. www.streetline.com

4. www.ietf.org/mailman/listinfo/6tsch