低功耗無線檢測

與傳統(tǒng)有線檢測系統(tǒng)相比，低功耗無線技術正在使傳感器網(wǎng)絡的成本大幅降低，并為采用有線方法根本不可能實現(xiàn)的傳感器網(wǎng)絡提供了實現(xiàn)的可能性。低功耗無線傳感器網(wǎng)絡 (WSN) 標準，尤其是采用時間同步通道跳頻 (TSCH) 技術的網(wǎng)格架構，使網(wǎng)絡中的所有節(jié)點都能靠電池或收集的能量工作，而不會犧牲可靠性或數(shù)據(jù)吞吐率。這使應用開發(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 和能量收集領域，凌力爾特 (包括Dust Networks產(chǎn)品部) 已經(jīng)走在了技術創(chuàng)新的前列。這些技術齊頭并進，可為那些部署電池更換需求量極少 (如果有的話) 之系統(tǒng)的應用開發(fā)人員提供更多的機會，從而進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年進行的一項研究顯示，WSN 的兩個屬性對工業(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，成本就不會是客戶優(yōu)先考慮的問題。

圖 1：被認為重要的 WSN 屬性

Satisfaction：滿意度

Importance：重要性

Data reliability：數(shù)據(jù)可靠性

Cost/affordability：成本 / 可負擔能力

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 Dust產(chǎn)品，根據(jù) Dust Networks 的豐富經(jīng)驗，很顯然，精確同步的時隙、通道跳頻和超低功耗無線電相結合，能實現(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 標準為 WSN 提供了卓越的無線電平臺。IEEE 802.15.4 標準定義了一個 2.4GHz、16 通道擴頻低功率物理 (PHY) 層，許多 IoT 技術就是以該物理層為基礎構建的，包括 ZigBee 和 WirelessHART。另外，該標準還定義了一個媒體接入控制 (MAC) 層，其為 ZigBee 的基礎。然而，這個 MAC 的單通道本質使其可靠性不可預測。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，以實現(xiàn)高可靠性 (>99.9%)，工業(yè) WSN 應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，這個 MAC 包括多通道網(wǎng)格和時隙。符合 802.15.4 的無線電之典型功率輸出大約為 0dBm，同時發(fā)送和接收電流范圍為 15mA 至 30mA。0dBm 時同類最佳發(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)。

時間同步使節(jié)省功率和通道跳頻得以實現(xiàn)

最初的 802.15.4 MAC 要求在網(wǎng)格網(wǎng)絡中發(fā)送來自相鄰節(jié)點信息的節(jié)點始終保持接通，而僅發(fā)送 / 接收自己數(shù)據(jù)的節(jié)點 (常稱為“精簡功能節(jié)點”) 可以在發(fā)送之間休眠。為了使網(wǎng)絡中的所有節(jié)點都成為低功率節(jié)點，節(jié)點之間的通信必須排定時間，而且在網(wǎng)絡中必要擁有一個共同的時間感。同步越嚴格，路由節(jié)點無線電必須處于“接通”狀態(tài)的時間就越短，這最大限度地降低了功耗。在多跳網(wǎng)格網(wǎng)絡中，同類最佳的 TSCH 系統(tǒng)在幾十微秒時間內同步所有節(jié)點。一旦網(wǎng)絡中有一個共同和準確的時間感，而且針對網(wǎng)絡中節(jié)點之間的兩兩傳送有一個時隙安排表，那么通道分配就可以納入該時間以實現(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)包無法到達接收器，隨著無線電功耗降低，這種情況可能惡化。多個發(fā)送器同時通過同一頻率發(fā)送信息時就會發(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、重發(fā)和確認機制來解決沖突問題。干擾可能來自網(wǎng)絡的內部、工作在相同無線電空間中的另一個類似的網(wǎng)絡、或者來自于某種同頻段工作的不同無線電技術，這在 Wi-Fi、Bluetooth 和 802.15.4 技術共用的 2.4GHz 頻段中是一種常見現(xiàn)象。

第二種不可預知的現(xiàn)象被稱為“多徑衰落”，即使在預計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、而各反射副本的傳播距離不同時就會出現(xiàn)這種狀況。當發(fā)生相消干涉時，20dB 至 30dB 的衰落是很常見的。多徑衰落取決于傳輸頻率、設備位置以及每一個鄰近的物體;對其進行預測幾乎是不可能的。圖 2 顯示了在 26 天時間內，在兩個工業(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 個通道，圖中顯示了每一個通道的情況。在任何給定時間，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，沒有任何一段時間能看到在網(wǎng)絡各處所有通路的通道狀態(tài)處于良好情況。