作者：Jonathan Simon 和 Thomas Watteyne

我們生活在一個充滿傳感器的世界。我們工作的建筑物都有傳感器監(jiān)控溫度、占用率、煙霧和火災以及安全性。我們的汽車包含數(shù)十個甚至數(shù)百個傳感器，監(jiān)控發(fā)動機性能、制動和乘客安全設(shè)備，僅舉幾例。制造環(huán)境需要傳感器，因為您無法控制無法測量的東西。在滿足安全、質(zhì)量和效率目標的同時制造產(chǎn)品需要大量的傳感器。

在過去的幾十年里，傳感器變得更小、更便宜、功耗更低，部分原因是摩爾定律和MEMS革命。不幸的是，安裝傳感器的成本并沒有跟上。通過電線傳輸電力和數(shù)據(jù)的成本通常使傳感器本身的成本相形見絀。以最近的電燈開關(guān)為例：即使在新建筑中，1美元開關(guān)的布線也可能花費50美元，主要是人工。如果要將該開關(guān)移動到相鄰的墻壁上，則改造的價格要高得多。在工業(yè)過程自動化中，公認的經(jīng)驗法則是安裝傳感器（即使是簡單的開關(guān)）需要 10，000 美元。在這種成本環(huán)境中，許多傳感器僅向本地控制器報告數(shù)據(jù) - 當安裝數(shù)百或數(shù)千個傳感器時，可能很少或根本沒有“大局”。我們需要的是一種廉價、可靠的傳感器聯(lián)網(wǎng)方式。

幾乎從馬可尼時代開始，人們就使用無線技術(shù)來傳輸來自傳感器的數(shù)據(jù)，結(jié)果好壞參半。傳統(tǒng)上，這些鏈路是線供電和點對點的，由于環(huán)境條件，通常具有時變的可靠性。這對于某些應用程序來說很好，但對大多數(shù)應用程序來說限制性太強。

市場

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的市場包括樓宇自動化、工業(yè)控制、家庭自動化、智能電網(wǎng)和自動計量基礎(chǔ)設(shè)施（AMI）、工業(yè)過程自動化、環(huán)境監(jiān)測、停車和運輸基礎(chǔ)設(shè)施、能源監(jiān)控和庫存控制。

在大多數(shù)情況下，這些是雙向非對稱數(shù)據(jù)收集應用程序 - 大量檢測點將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到中央主機，中央主機可能會響應過程設(shè)定點或其他配置更改。

技術(shù)選擇

理想情況下，客戶需要一種低成本的技術(shù)，允許不受限制的傳感器放置，以低延遲可靠地接收定期數(shù)據(jù)，并在設(shè)備使用壽命內(nèi)運行而無需更換電池。最近的技術(shù)進步使我們能夠在許多市場提供這些功能。

有幾種技術(shù)競爭來填補這一角色，包括衛(wèi)星，蜂窩，Wi-Fi和基于IEEE 802.15.4無線電的大量解決方案。這些技術(shù)允許用戶形成WSN來收集傳感器數(shù)據(jù)。

衛(wèi)星和蜂窩在許多應用中運行良好，但每包的能源成本最高。數(shù)據(jù)計劃費用也可能令人望而卻步，盡管隨著運營商開發(fā)適合相對稀疏的數(shù)據(jù)流的計費模型，這種情況可能會發(fā)生變化。覆蓋范圍也可能是一個問題。顯然，衛(wèi)星或手機信號很難從嚴重阻塞的結(jié)構(gòu)中出來，而且傳感器通常沒有能力從一側(cè)移動到另一側(cè)并詢問“你現(xiàn)在能聽到我的聲音嗎？然而，對于以非常低的數(shù)據(jù)速率（例如，每天一個數(shù)據(jù)包）發(fā)送且連接良好的應用程序，衛(wèi)星或蜂窩可能很有意義。

Wi-Fi（IEEE 802.11b，g）傳感器現(xiàn)已廣泛使用。Wi-Fi數(shù)據(jù)包的能源成本遠低于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，并且沒有經(jīng)常性的數(shù)據(jù)費用。連接性和覆蓋范圍仍然是重要的問題，因為與固定傳感器進行可靠通信所需的接入點密度通常高于使用小工具的移動人員所需的密度。

由于干擾和多徑衰落，構(gòu)建可靠無線系統(tǒng)的關(guān)鍵是利用信道和路徑分集。

參考 OSI 層模型，802.15.4 標準定義了物理層 （PHY） 和介質(zhì)訪問控制 （MAC） 層，用于短距離、低功耗操作，非常適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線電的數(shù)據(jù)速率相對較低（高達250kbps）;數(shù)據(jù)包很短（< 128 字節(jié)）且能耗低。例如，使用路由、加密和其他標頭發(fā)送幾字節(jié)的傳感器數(shù)據(jù)需要不到1ms的時間，消耗的能量不到30μJ（見圖1），包括接收安全鏈路層確認。傳感器可以轉(zhuǎn)發(fā)來自對等方的無線電數(shù)據(jù)包，將網(wǎng)絡(luò)的范圍擴展到遠遠超出單個無線電的范圍，并為網(wǎng)絡(luò)提供對任何單個無線電鏈路故障的免疫力。

圖1.傳輸短 802.15.4 數(shù)據(jù)包并接收確認的能量。

性能指標

對各種WSN解決方案的評估基于兩個問題，“我能足夠快地獲得所有數(shù)據(jù)嗎？”和“要花多少錢？”WSN 必須設(shè)計為在鏈路層數(shù)據(jù)包交付比率 （PDR） 低至 50% 左右的環(huán)境中工作。

在開發(fā)無線數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)時，必須滿足一些性能目標。首先，系統(tǒng)必須滿足最低可靠性目標。對于工業(yè)應用，目標通常是接收至少99.9%的生成數(shù)據(jù)，因為丟失數(shù)據(jù)可能會觸發(fā)昂貴的警報條件。其次，系統(tǒng)必須支持一定的吞吐量，即每秒多個傳感器數(shù)據(jù)包。第三，這些數(shù)據(jù)包僅在最大延遲期內(nèi)收到時才有用。許多流程依賴于新的數(shù)據(jù)更新 — 為了控制，過時的數(shù)據(jù)可能沒有用處。第四，許多系統(tǒng)必須在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中運行，包括寬溫度范圍和本質(zhì)安全限制。只有滿足所有這四個要求的解決方案才被認為適合進一步評估。

在考慮滿足要求的各種解決方案時，關(guān)鍵的選擇標準是擁有成本和靈活性。擁有成本包括幾個方面：產(chǎn)品開發(fā)、安裝、硬件以及在安裝的整個生命周期內(nèi)供電。與有線解決方案相比，無線技術(shù)大大降低了安裝成本，但電池供電的無線設(shè)備可能需要在網(wǎng)絡(luò)的生命周期內(nèi)更換電池。在構(gòu)建具有少量高功率設(shè)備以降低硬件成本的網(wǎng)絡(luò)與使用大量低功耗設(shè)備之間也存在權(quán)衡。對于由能量收集電池供電的設(shè)備（例如，太陽能、熱電），電容器尺寸可能決定成本的很大一部分。具有確定性調(diào)度的解決方案，如時分多址（TDMA），可以幫助盡可能分離大電流事件，以降低電容尺寸要求。

由于最終部署條件是不可預測的，因此網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計必須具有靈活性。網(wǎng)絡(luò)必須從少量傳感器擴展到大量傳感器，從低密度擴展到高密度。為了在各種無線環(huán)境中保持穩(wěn)健，資源配置應確保設(shè)備在中等干擾下可靠地通信，并且網(wǎng)絡(luò)在單個設(shè)備丟失的情況下幸存下來。其他資源（包括更多無線鏈路、每個設(shè)備的更多鄰居或更多信號放大）可提高可靠性和延遲。所有這些增加都會增加電力成本，這可以通過動態(tài)分配來最小化。

基于標準的解決方案可以不受單個供應商組件的供應鏈變幻莫測的影響，并保證社區(qū)已就運營指導原則（例如安全架構(gòu)）達成一致。

挑戰(zhàn)

無線信道本質(zhì)上是不可靠的，許多現(xiàn)象會阻止傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包到達接收器。干擾就是其中一種現(xiàn)象。如果兩個獨立的發(fā)射器在同一信道上傳輸，使得它們的信號重疊，則它們可能會在接收器的無線電上破壞彼此的信號。這需要發(fā)射器重新傳輸，但代價是額外的時間和精力。

如果底層介質(zhì)訪問技術(shù)未安排無爭用通信，則干擾可能來自同一網(wǎng)絡(luò)。如果兩個發(fā)射器可以聽到接收器的聲音，但彼此聽不到對方的聲音，這尤其成問題——這被稱為“隱藏終端問題”，它需要退避和確認機制來解決沖突。

干擾也可能來自在同一無線電空間中運行的另一個網(wǎng)絡(luò)，或者來自使用相同頻段的不同無線電技術(shù)。后者被稱為“外部”干擾，尤其存在于未經(jīng)許可的頻段中，例如 2.400GHz 至 2.485GHz 儀器儀表、科學和醫(yī)療 （ISM） 頻段，這些頻段擠滿了 Wi-Fi、藍牙和 802.15.4。

圖 2 是通過在辦公環(huán)境中部署 45 個 802.15.4 節(jié)點并讓它們交換 1200 萬個數(shù)據(jù)包，平均分布在 16 個 802.15.4 通道上得到的。它將這些數(shù)據(jù)包的平均數(shù)據(jù)包傳輸比率繪制為它們傳輸?shù)耐ǖ赖暮瘮?shù);在與 Wi-Fi 信道重疊的信道上，此交付比率較低。

圖2.2.400GHz至2.485GHz頻段的Wi-Fi和802.15.4之間的干擾。

第二種現(xiàn)象是多徑衰落，如圖3所示，可能會阻止傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包到達接收器，并且更具破壞性且更難量化。通常被描述為“自我干擾”，當接收者接收到來自發(fā)射器的視線路徑上的信號，以及從環(huán)境中的物體（地板、天花板、門、人等）反彈的相同信號的“回波”時，就會發(fā)生這種情況。由于這些副本傳播的距離不同，因此它們在不同的時間到達接收器，可能會產(chǎn)生破壞性干擾。20dB至30dB的淡入淡出并不少見。

圖3.多徑衰落會導致鏈路質(zhì)量發(fā)生巨大變化，即使僅將接收器移動幾厘米也是如此。

圖3是通過將發(fā)射器向5m外的接收器發(fā)送1000個數(shù)據(jù)包，并在接收器位于35cm×20cm網(wǎng)格中的每個點上重復此操作而獲得的。z 軸表示該鏈路上的數(shù)據(jù)包傳遞比率。雖然鏈路在大多數(shù)位置都很好，但在某些位置，由于多路徑衰落，沒有成功接收數(shù)據(jù)包。

多徑衰落取決于環(huán)境中每個對象的位置和性質(zhì)，在任何實際設(shè)置中都是不可預測的。一個很好的特性是圖3中描繪的地形隨頻率變化。也就是說，如果由于多路徑衰落而未收到數(shù)據(jù)包，則以不同頻率重新傳輸成功的可能性很高。

由于環(huán)境中的對象不是靜態(tài)的，例如，汽車駛過，門被打開和關(guān)閉，因此多路徑的影響會隨著時間的推移而變化。圖4顯示了26天內(nèi)兩個工業(yè)傳感器之間單個無線路徑上的數(shù)據(jù)包傳輸率，以及系統(tǒng)使用的16個通道中每個通道的數(shù)據(jù)包傳輸率。每周都有工作日和周末清晰可見的周期。在任何給定時間，有些渠道是好的（高交付），有些是壞的，還有一些是高度變化的。渠道 17 雖然總體上不錯，但至少有一個零交付期。網(wǎng)絡(luò)中的每個路徑都表現(xiàn)出質(zhì)相似的行為，但具有不同的信道性能，并且網(wǎng)絡(luò)中從來沒有任何一個信道是好的。1

圖4.無線鏈路的數(shù)據(jù)包傳送比率隨時間而變化。

由于干擾和多徑衰落，構(gòu)建可靠無線系統(tǒng)的關(guān)鍵是利用信道和路徑分集。

解決 方案

如前所述，IEEE 802.15.4–802.15.4 無線電非常適合解決 WSN 問題的一種技術(shù)，它在多個免許可頻段（包括北美可用的 915MHz 頻段和全球可用的 2.4GHz ISM 頻段）中提供低功耗、低數(shù)據(jù)速率 PHY。2.4GHz 頻段擴頻 PHY 提供抗噪聲能力，這對于設(shè)計用于在潛在擁擠、未經(jīng)許可的頻段中運行的低功耗設(shè)備來說，這是一個特別重要的特性。該標準還定義了具有可選加密和身份驗證的可靠、確認、基于數(shù)據(jù)包（或幀）的 MAC 層。這種靈活的解決方案構(gòu)成了幾種專有和基于標準的協(xié)議的基礎(chǔ)，包括ZigBee協(xié)議（使用它來形成不同步的單通道網(wǎng)絡(luò)）和WirelessHART協(xié)議，2使用它來形成時間同步的多通道網(wǎng)絡(luò)。

Dust Networks幫助開發(fā)的WirelessHART協(xié)議具有802.15.4 2.4GHz PHY和基于802.15.4的鏈路層，該協(xié)議為標準802.15.4 MAC增加了同步，信道跳頻，優(yōu)先級和基于時間的身份驗證。它有一個提供路由和端到端安全性的網(wǎng)絡(luò)層，以及一個薄的不可靠/可靠的網(wǎng)狀傳輸層。WirelessHART標準規(guī)定了時隙時序，設(shè)備如何保持同步，以及設(shè)備如何通過將時間劃分為重復超幀上的時隙通信機會（時隙）來安排時間/通道通信機會。該協(xié)議旨在允許無線設(shè)備無縫集成到現(xiàn)有的有線HART裝置中，廣泛用于工業(yè)過程監(jiān)測和控制應用。WirelessHART擴展了HART應用層命令集，增加了用于管理無線資源和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)運行狀況的命令。WirelessHART網(wǎng)絡(luò)是高度可靠的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，即使對于沒有視線的設(shè)備，并且間隔數(shù)十到數(shù)百米，每個設(shè)備都有多個可以向其發(fā)送數(shù)據(jù)的鄰居，從而提供了可靠性所需的路徑多樣性。無線HART網(wǎng)絡(luò)是集中管理的，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)智能駐留在管理器中。現(xiàn)場設(shè)備（無線傳感器）報告管理器用于整理和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息，并將傳感器數(shù)據(jù)報告給稱為網(wǎng)關(guān)的應用程序代理。

應用

凌力爾特的粉塵網(wǎng)絡(luò)智能網(wǎng)格?產(chǎn)品線包含符合 WirelessHART 和 6LoWPAN 標準的 IPv6 產(chǎn)品，這些產(chǎn)品利用 802.15.4 提供市場上最可靠、功耗最低的 WSN 解決方案。塵埃網(wǎng)絡(luò)永恒?微塵（LTC5800 系列）是單芯片器件，可將 Cortex-M3 微處理器、存儲器和外設(shè)耦合到目前功耗最低的 802.15.4 無線電（圖 5）。設(shè)計人員在其傳感器封裝中嵌入微塵，并可以依靠網(wǎng)絡(luò)來形成、優(yōu)化傳感器數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)狡鋺弥小ust Networks 管理器允許從數(shù)十臺設(shè)備優(yōu)雅地擴展到數(shù)千臺設(shè)備，為網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)和配置接口。這兩個產(chǎn)品系列均構(gòu)建了高度可靠的多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)每個節(jié)點的可配置數(shù)據(jù)速率。它們適用于解決各種 WSN 問題。使用灰塵的一些應用程序示例??微塵和管理器包括：

停車：街線4是一家智能停車提供商，監(jiān)控城市停車位的實時可用性。車輛探測器安裝在停車位下方、人行道一側(cè)并與道路齊平。這帶來了挑戰(zhàn)，因為傳感器設(shè)備的天線位于地下，然后在空間被占用時被金屬車輛覆蓋。無線路徑多樣性至關(guān)重要，因為不同的車輛位置會改變設(shè)備對之間的路徑質(zhì)量。Streetline在附近的路燈上安裝高架中繼器設(shè)備，以獲得失速傳感器的視線。這些中繼器形成一個多跳網(wǎng)格，將所有占用數(shù)據(jù)收集到本地網(wǎng)絡(luò)管理器，在那里它被聚合到一個可供客戶和執(zhí)法機構(gòu)使用的全市數(shù)據(jù)庫中。無線技術(shù)對于此應用至關(guān)重要，因為它很難將傳感器連接到每個空間，而低功耗無線降低了電池更換的頻率。

煉油廠過程控制：雪佛龍使用無線網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)控石油開采和精煉設(shè)施。這些網(wǎng)絡(luò)通常部署在惡劣的環(huán)境中（由于危險的溫度、化學品或爆炸風險），在這些環(huán)境中，有線傳感器無法運行導管。此外，無線功能還可以監(jiān)控旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和移動運營商。對于一次部署（圖 6），無線網(wǎng)絡(luò)安裝在大型煉油設(shè)施周圍的不同位置。為了將數(shù)據(jù)收集到集中控制中心，使用思科 IEEE 802.11a 無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)作為每個 IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)管理器的回程連接。這允許低功耗傳感器設(shè)備向其本地管理器報告，在那里數(shù)據(jù)被聚合并可靠地穿梭。此部署代表了兩個標準之間的強大融合。

能源監(jiān)控：保持警惕5為室內(nèi)環(huán)境（如環(huán)境控制至關(guān)重要的數(shù)據(jù)中心）提供智能能源管理系統(tǒng)。由于數(shù)據(jù)中心任何位置的溫度升高都可能導致設(shè)備故障，因此空調(diào)經(jīng)常以全功率連續(xù)運行，從而浪費能源。設(shè)施管理人員不愿意危及其內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，因此 Vigilent 部署了不會干擾正常運行的無線設(shè)備。這些設(shè)施對安全性也很敏感，因此無線協(xié)議需要對所有數(shù)據(jù)包進行端到端加密，并在網(wǎng)絡(luò)管理器上提供額外的安全性。數(shù)據(jù)中心的檢測點通常很密集，Vigilent 已經(jīng)成功地部署了多個重疊網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)所需數(shù)量的傳感器。

圖5.LTC5800 粉塵永恒的框圖

圖6.用于煉油廠過程控制的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

結(jié)論

基于 802.15.4 無線電的多通道時間同步網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)解決了構(gòu)建靈活、可靠、低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所涉及的許多挑戰(zhàn)。

審核編輯：郭婷