【導讀】低功耗無(wú)線(xiàn)技術(shù)能夠大幅降低傳統有線(xiàn)傳感系統的成本，并為傳感器網(wǎng)絡(luò )開(kāi)辟新的可能性，這是有線(xiàn)無(wú)法實(shí)現的。
低功耗無(wú)線(xiàn)技術(shù)能夠大幅降低傳統有線(xiàn)傳感系統的成本，并為傳感器網(wǎng)絡(luò )開(kāi)辟新的可能性，這是有線(xiàn)無(wú)法實(shí)現的。
低功耗無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò ) (WSN) 標準，特別是利用時(shí)間同步信道跳變 (TSCH) 的網(wǎng)狀架構，使網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)節點(diǎn)都能夠依靠電池或收集的能量運行，而不會(huì )犧牲可靠性或數據吞吐量。這使得應用程序開(kāi)發(fā)人員可以將傳感器放置在任何地方——不僅是有電源的地方，而且是應用程序需要傳感器數據的地方。
這些技術(shù)齊頭并進(jìn)，為應用程序開(kāi)發(fā)人員提供了更多機會(huì )來(lái)部署幾乎不需要更換電池的系統，從而進(jìn)一步降低部署無(wú)線(xiàn)傳感器的生命周期成本，并促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的進(jìn)步。
ON World 2012 年的一項研究表明，對于工業(yè)客戶(hù)來(lái)說(shuō)重要的 WSN 兩個(gè)屬性是可靠性和低功耗（圖 1）。成本排在第三位：在不解決可靠性和功耗問(wèn)題的情況下，成本還不是客戶(hù)優(yōu)先考慮的問(wèn)題。
圖 1：WSN 屬性的重要性認知
根據Dust Networks 多年對TSCH 的研究和開(kāi)發(fā)，很明顯，同步的時(shí)隙、信道跳頻和超低功耗無(wú)線(xiàn)電的結合可實(shí)現功耗、可靠的WSN。這種對低功耗的關(guān)注使所有節點(diǎn)能夠依靠低成本電池運行多年，并且還為各種能源（包括能量收集電源）提供了可能性。
低功率無(wú)線(xiàn)電
IEEE 802.15.4 標準的推出為 WSN 創(chuàng )建了一個(gè)出色的無(wú)線(xiàn)電平臺。IEEE 802.15.4 定義了 2.4GHz、16 通道擴頻低功耗物理 (PHY) 層，許多物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)都建立在該層上，包括 ZigBee 和 WirelessHART。它還定義了媒體訪(fǎng)問(wèn)控制（MAC）層，這是 ZigBee 的基礎。然而，該 MAC 的單通道特性使其可靠性難以預測。
為了提高可靠性，WirelessHART協(xié)議（也稱(chēng)為IEC62591）定義了基于15.4 MAC的多通道鏈路層，以實(shí)現工業(yè)WSN應用所需的高可靠性（>99.9%）。2012 年初，802.15.4 MAC 的新版本（稱(chēng)為 802.15.4e）獲得批準，該 MAC 體現了多通道網(wǎng)格和時(shí)隙。符合 802.15.4 標準的無(wú)線(xiàn)電的典型功率輸出約為 0dBm，發(fā)射和接收電流在 15-30mA 范圍內。0dBm 時(shí)的同類(lèi)發(fā)射電流為 5.4mA，同類(lèi)接收電流為 4.5mA（基于 Linear 的 LTC5800）。
低功耗和信道跳頻的時(shí)間同步
原始 802.15.4 MAC 要求網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )中從相鄰節點(diǎn)路由信息的節點(diǎn)始終處于開(kāi)啟狀態(tài)，而僅發(fā)送/接收自己數據的節點(diǎn)（通常稱(chēng)為“精簡(jiǎn)功能設備”） ” 可以在傳輸之間休眠。為了使網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)節點(diǎn)都是低功耗的，節點(diǎn)之間的通信必須進(jìn)行調度，并且需要在網(wǎng)絡(luò )中具有共享的時(shí)間感。
同步越緊密，路由節點(diǎn)無(wú)線(xiàn)電處于“開(kāi)啟”狀態(tài)的時(shí)間就越短，從而限度地降低功耗。一流的 TSCH 系統可在幾十微秒內同步多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )中的所有節點(diǎn)。一旦網(wǎng)絡(luò )中存在對準確時(shí)間的共享感知，以及用于網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)之間成對傳輸的時(shí)隙調度，就可以將信道分配合并到該調度中，從而實(shí)現信道跳躍。信道跳頻可減少干擾和多徑衰落
無(wú)線(xiàn)信道本質(zhì)上是不可靠的，許多現象會(huì )阻止傳輸的數據包到達接收器；隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)電功率的降低，這些問(wèn)題可能會(huì )加劇。當多個(gè)發(fā)射器通過(guò)同一頻率同時(shí)發(fā)送時(shí)，就會(huì )發(fā)生干擾。如果他們無(wú)法互相聽(tīng)到對方的聲音，但接收器可以聽(tīng)到所有發(fā)射器的聲音，這尤其成問(wèn)題——“隱藏終端問(wèn)題”。
需要退避、重傳和確認機制來(lái)解決沖突。干擾可能來(lái)自網(wǎng)絡(luò )內部、在同一無(wú)線(xiàn)電空間中運行的另一個(gè)類(lèi)似網(wǎng)絡(luò )，或者來(lái)自帶內運行的不同無(wú)線(xiàn)電技術(shù)——這在 Wi-Fi、藍牙和 802.15.4 共享的 2.4GHz 頻段中很常見(jiàn)。
第二種稱(chēng)為多徑衰落的不可預測現象可能會(huì )阻止成功傳輸，即使視距鏈路裕度預計足夠。當傳輸的多個(gè)副本反射環(huán)境中的物體（天花板、門(mén)、人）時(shí)，就會(huì )發(fā)生這種情況，每個(gè)反射副本行進(jìn)的距離不同。當發(fā)生破壞性干擾時(shí)，20-30dB 的衰落是常見(jiàn)的。多徑衰落取決于傳輸頻率、設備位置以及附近的每個(gè)物體；預測它實(shí)際上是不可能的。
圖 2顯示了 26 天內兩個(gè)工業(yè)傳感器之間的單個(gè)無(wú)線(xiàn)路徑上以及系統使用的 16 個(gè)通道中每個(gè)通道的數據包傳輸率。在任何給定時(shí)間，有些渠道很好（高交付），有些渠道不好，還有一些渠道變化很大。重要的是，沒(méi)有觀(guān)察到網(wǎng)絡(luò )中任何地方的所有路徑上的信道都處于良好狀態(tài)的時(shí)期。
圖 2：26 天內跨 16 個(gè)渠道的數據包傳送
由于這些原因，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )采用多個(gè)通道至關(guān)重要。通過(guò)對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行時(shí)間同步和調度到時(shí)隙中，可以在特定的已知信道上地調度傳輸，并且信道的選擇可以隨著(zhù)每次傳輸而改變。此外，調度網(wǎng)絡(luò )傳輸解決了“隱藏終端問(wèn)題”并幾乎消除了網(wǎng)絡(luò )內沖突。這種機制已在超過(guò) 10,000 個(gè) WirelessHART 網(wǎng)絡(luò )中得到現場(chǎng)驗證，通?？梢詫?shí)現多年的電池壽命和 > 99.9% 的可靠性。
能量收集考慮因素
一旦無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的功率需求被適當化，電源的選擇范圍就會(huì )擴大。環(huán)境能量無(wú)處不在：光、振動(dòng)和熱只是可以自由獲取并轉換為足夠電能來(lái)運行低功率 TSCH WSN 的能量的幾個(gè)例子。以下示例說(shuō)明了一些實(shí)用的能量收集技術(shù)，這些技術(shù)可產(chǎn)生超過(guò) 150μW 的能量功率——足以在 802.15.4e 網(wǎng)絡(luò )中運行典型的 IPv6 路由節點(diǎn)（例如，Dust Networks 的 SmartMesh IP）。
燈光。 典型辦公樓的大部分區域都有足夠的室內光線(xiàn)來(lái)運行低功率 TSCH WSN。根據為美國公共建筑制定指導方針的美國總務(wù)管理局的說(shuō)法，光線(xiàn)較明亮的區域，例如工作站區域和閱讀表面，具有 500 勒克斯的照明。即使在被視為“正常照明”的區域（例如大堂、樓梯間以及機械和通訊間），也至少有 200 勒克斯的光線(xiàn)，而大多數會(huì )議室通常為 300 勒克斯。在 200-300 勒克斯的光照下，有許多室內小型光伏電池（例如 G24i 4100 低光太陽(yáng)能電池板或 Sanyo AM-1815 室內電池）可以提供足夠的電力來(lái)運行 802.15.4e TSCH 網(wǎng)絡(luò )中的 IPv6 路由器。
熱能。 熱發(fā)電機 (TEG) 通過(guò)熱表面的散熱產(chǎn)生電力，例如通常被認為非常熱的常見(jiàn)設備（例如計算機顯示器或大電流電機）的廢熱。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)解決方案變得更加節能，由小至 10°C 的常見(jiàn)溫差產(chǎn)生的能量就可以用作能源。作為參考，體內溫度與室溫之間的典型差異約為 15°C。
許多能量收集傳感器僅產(chǎn)生幾百毫伏的輸出，因此通常需要升壓 DC/DC 轉換器來(lái)轉換到可用的電源電壓范圍。LinearTechnology 的LTC3105等 IC提供功率點(diǎn)控制，以便傳感器以效率運行，并為電路添加備用電池。由于這些電路中的電池僅在環(huán)境能源不足或不存在時(shí)使用，因此可以顯著(zhù)延長(cháng)電池壽命，從而降低與更換電池相關(guān)的成本。如果能源恰好是間歇性的，例如周末關(guān)閉燈或機械，則在能量收集電路中加入備用電池可以提供額外的保證和電力連續性。
總結
通過(guò)使傳感器變得實(shí)用且易于無(wú)處不在，加速了物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現。低功耗、可靠的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )意味著(zhù)客戶(hù)和開(kāi)發(fā)人員無(wú)需布線(xiàn)/無(wú)需擔心。時(shí)間同步、時(shí)隙多通道系統為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)了客戶(hù)關(guān)鍵的優(yōu)勢：可靠性和全網(wǎng)絡(luò )低功耗運行。
WirelessHART 和 802.15.4e 標準是這種聯(lián)網(wǎng)方法的體現。低功耗運行確保了電源選擇的極大靈活性，并提供了供電的潛力。這些因素加在一起使得將傳感器放置在任何地方都變得更加容易和實(shí)用。
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