【導(dǎo)讀】低功耗無線技術(shù)能夠大幅降低傳統(tǒng)有線傳感系統(tǒng)的成本，并為傳感器網(wǎng)絡(luò)開辟新的可能性，這是有線無法實(shí)現(xiàn)的。
低功耗無線技術(shù)能夠大幅降低傳統(tǒng)有線傳感系統(tǒng)的成本，并為傳感器網(wǎng)絡(luò)開辟新的可能性，這是有線無法實(shí)現(xiàn)的。
低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 標(biāo)準(zhǔn)，特別是利用時(shí)間同步信道跳變 (TSCH) 的網(wǎng)狀架構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠依靠電池或收集的能量運(yùn)行，而不會(huì)犧牲可靠性或數(shù)據(jù)吞吐量。這使得應(yīng)用程序開發(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(yīng)用程序需要傳感器數(shù)據(jù)的地方。
這些技術(shù)齊頭并進(jìn)，為應(yīng)用程序開發(fā)人員提供了更多機(jī)會(huì)來部署幾乎不需要更換電池的系統(tǒng)，從而進(jìn)一步降低部署無線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(xiàng)研究表明，對于工業(yè)客戶來說重要的 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題的情況下，成本還不是客戶優(yōu)先考慮的問題。
圖 1：WSN 屬性的重要性認(rèn)知
根據(jù)Dust Networks 多年對TSCH 的研究和開發(fā)，很明顯，同步的時(shí)隙、信道跳頻和超低功耗無線電的結(jié)合可實(shí)現(xiàn)功耗、可靠的WSN。這種對低功耗的關(guān)注使所有節(jié)點(diǎn)能夠依靠低成本電池運(yùn)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。
低功率無線電
IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的推出為 WSN 創(chuàng)建了一個(gè)出色的無線電平臺(tái)。IEEE 802.15.4 定義了 2.4GHz、16 通道擴(kuò)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。它還定義了媒體訪問控制（MAC）層，這是 ZigBee 的基礎(chǔ)。然而，該 MAC 的單通道特性使其可靠性難以預(yù)測。
為了提高可靠性，WirelessHART協(xié)議（也稱為IEC62591）定義了基于15.4 MAC的多通道鏈路層，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)WSN應(yīng)用所需的高可靠性（>99.9%）。2012 年初，802.15.4 MAC 的新版本（稱為 802.15.4e）獲得批準(zhǔn)，該 MAC 體現(xiàn)了多通道網(wǎng)格和時(shí)隙。符合 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的無線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(nèi)。0dBm 時(shí)的同類發(fā)射電流為 5.4mA，同類接收電流為 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(jié)點(diǎn)路由信息的節(jié)點(diǎn)始終處于開啟狀態(tài)，而僅發(fā)送/接收自己數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)（通常稱為“精簡功能設(shè)備”） ” 可以在傳輸之間休眠。為了使網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是低功耗的，節(jié)點(diǎn)之間的通信必須進(jìn)行調(diào)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(jié)點(diǎn)無線電處于“開啟”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(tǒng)可在幾十微秒內(nèi)同步多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)。一旦網(wǎng)絡(luò)中存在對準(zhǔn)確時(shí)間的共享感知，以及用于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間成對傳輸?shù)臅r(shí)隙調(diào)度，就可以將信道分配合并到該調(diào)度中，從而實(shí)現(xiàn)信道跳躍。信道跳頻可減少干擾和多徑衰落
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；隨著無線電功率的降低，這些問題可能會(huì)加劇。當(dāng)多個(gè)發(fā)射器通過同一頻率同時(shí)發(fā)送時(shí)，就會(huì)發(fā)生干擾。如果他們無法互相聽到對方的聲音，但接收器可以聽到所有發(fā)射器的聲音，這尤其成問題——“隱藏終端問題”。
需要退避、重傳和確認(rèn)機(jī)制來解決沖突。干擾可能來自網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部、在同一無線電空間中運(yùn)行的另一個(gè)類似網(wǎng)絡(luò)，或者來自帶內(nèi)運(yùn)行的不同無線電技術(shù)——這在 Wi-Fi、藍(lán)牙和 802.15.4 共享的 2.4GHz 頻段中很常見。
第二種稱為多徑衰落的不可預(yù)測現(xiàn)象可能會(huì)阻止成功傳輸，即使視距鏈路裕度預(yù)計(jì)足夠。當(dāng)傳輸?shù)亩鄠€(gè)副本反射環(huán)境中的物體（天花板、門、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(dāng)發(fā)生破壞性干擾時(shí)，20-30dB 的衰落是常見的。多徑衰落取決于傳輸頻率、設(shè)備位置以及附近的每個(gè)物體；預(yù)測它實(shí)際上是不可能的。
圖 2顯示了 26 天內(nèi)兩個(gè)工業(yè)傳感器之間的單個(gè)無線路徑上以及系統(tǒng)使用的 16 個(gè)通道中每個(gè)通道的數(shù)據(jù)包傳輸率。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，沒有觀察到網(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(nèi)跨 16 個(gè)渠道的數(shù)據(jù)包傳送
由于這些原因，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用多個(gè)通道至關(guān)重要。通過對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)間同步和調(diào)度到時(shí)隙中，可以在特定的已知信道上地調(diào)度傳輸，并且信道的選擇可以隨著每次傳輸而改變。此外，調(diào)度網(wǎng)絡(luò)傳輸解決了“隱藏終端問題”并幾乎消除了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)沖突。這種機(jī)制已在超過 10,000 個(gè) WirelessHART 網(wǎng)絡(luò)中得到現(xiàn)場驗(yàn)證，通常可以實(shí)現(xiàn)多年的電池壽命和 > 99.9% 的可靠性。
能量收集考慮因素
一旦無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功率需求被適當(dāng)化，電源的選擇范圍就會(huì)擴(kuò)大。環(huán)境能量無處不在：光、振動(dòng)和熱只是可以自由獲取并轉(zhuǎn)換為足夠電能來運(yùn)行低功率 TSCH WSN 的能量的幾個(gè)例子。以下示例說明了一些實(shí)用的能量收集技術(shù)，這些技術(shù)可產(chǎn)生超過 150μW 的能量功率——足以在 802.15.4e 網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行典型的 IPv6 路由節(jié)點(diǎn)（例如，Dust Networks 的 SmartMesh IP）。
燈光。 典型辦公樓的大部分區(qū)域都有足夠的室內(nèi)光線來運(yùn)行低功率 TSCH WSN。根據(jù)為美國公共建筑制定指導(dǎo)方針的美國總務(wù)管理局的說法，光線較明亮的區(qū)域，例如工作站區(qū)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(qū)域（例如大堂、樓梯間以及機(jī)械和通訊間），也至少有 200 勒克斯的光線，而大多數(shù)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(nèi)小型光伏電池（例如 G24i 4100 低光太陽能電池板或 Sanyo AM-1815 室內(nèi)電池）可以提供足夠的電力來運(yùn)行 802.15.4e TSCH 網(wǎng)絡(luò)中的 IPv6 路由器。
熱能。 熱發(fā)電機(jī) (TEG) 通過熱表面的散熱產(chǎn)生電力，例如通常被認(rèn)為非常熱的常見設(shè)備（例如計(jì)算機(jī)顯示器或大電流電機(jī)）的廢熱。隨著無線解決方案變得更加節(jié)能，由小至 10°C 的常見溫差產(chǎn)生的能量就可以用作能源。作為參考，體內(nèi)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(zhuǎn)換器來轉(zhuǎn)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(yùn)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，因此可以顯著延長電池壽命，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(jī)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(xù)性。
總結(jié)
通過使傳感器變得實(shí)用且易于無處不在，加速了物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)。低功耗、可靠的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)意味著客戶和開發(fā)人員無需布線/無需擔(dān)心。時(shí)間同步、時(shí)隙多通道系統(tǒng)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)帶來了客戶關(guān)鍵的優(yōu)勢：可靠性和全網(wǎng)絡(luò)低功耗運(yùn)行。
WirelessHART 和 802.15.4e 標(biāo)準(zhǔn)是這種聯(lián)網(wǎng)方法的體現(xiàn)。低功耗運(yùn)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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