背景

我們生活在一個(gè)布滿傳感器的世界里。在我們工作的大廈中，安放了用于監(jiān)視溫度、占用情況、煙霧和火、以及安全的傳感器。我們的座駕所包含的傳感器即使沒有幾百個(gè)，至少也有數(shù)十個(gè)，它們負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)引擎性能、制動(dòng)和乘客安全設(shè)備 … 等等。制造環(huán)境也需要傳感器，因?yàn)槟鸁o法控制自己所不能測(cè)量的參數(shù)。在制造產(chǎn)品的同時(shí)要滿足安全、質(zhì)量和效率目標(biāo)必須使用大量的傳感器。

在過去不長的幾十年里，傳感器的尺寸大為縮小，同時(shí)價(jià)格和功率也有所降低，這部分得益于摩爾定律 (Moore’s Law) 和 MEMS 革命的推動(dòng)。不幸的是，傳感器的安裝成本卻沒有同步下降。與用于傳輸電力和數(shù)據(jù)的電線布設(shè)成本相比，傳感器本身的成本通常就是“小菜一碟”了。以離我們最近的電燈開關(guān)為例：即使在新的建筑物中，一個(gè)價(jià)值1美元的開關(guān)其電線排布成本也可達(dá)到50美元，其中大部分是人工費(fèi)用。而如果想把這個(gè)開關(guān)移到相鄰的墻壁，那么這種翻新改造的代價(jià)則高得多了。在工業(yè)過程自動(dòng)化中，可接受的經(jīng)驗(yàn)法則是：安裝一個(gè)傳感器的成本為10000美元，即使只是一個(gè)簡(jiǎn)單的開關(guān)也不例外。在這種造價(jià)昂貴的環(huán)境中，許多傳感器只是將數(shù)據(jù)報(bào)告給一個(gè)局部控制器 —— 當(dāng)安裝有幾百或幾千個(gè)傳感器時(shí)，幾乎或根本無法獲知“全局”。人們需要的是一種廉價(jià)和可靠的網(wǎng)絡(luò)傳感器方式。

幾乎從馬可尼 (Marconi) 時(shí)代起，人們就已經(jīng)開始使用無線方式傳輸來自傳感器的數(shù)據(jù)，獲得了復(fù)雜的結(jié)果。傳統(tǒng)上，此類鏈路采用線路供電并且是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)型的，常常具有因環(huán)境條件而致的時(shí)變可靠性。這雖然適合于某些應(yīng)用，然而對(duì)于多數(shù)應(yīng)用而言局限性卻很大。

應(yīng)用市場(chǎng)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用市場(chǎng)包括樓宇自動(dòng)化、工業(yè)控制、家庭自動(dòng)化、智能電網(wǎng)和自動(dòng)化計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施 、工業(yè)過程自動(dòng)化、環(huán)境監(jiān)測(cè)、泊車與交通基礎(chǔ)設(shè)施、能耗監(jiān)測(cè)和庫存管理。

在大多數(shù)場(chǎng)合，這些都是雙向不對(duì)稱數(shù)據(jù)收集應(yīng)用，大量的檢測(cè)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送至一個(gè)中央主機(jī)，該中央主機(jī)可利用一個(gè)過程設(shè)定點(diǎn)或其他配置變更做出響應(yīng)。

技術(shù)選擇

從理想的角度來說，客戶當(dāng)然希望擁有這樣一種技術(shù)：成本低、可不受限制地安放傳感器、以低延遲可靠地接收周期性數(shù)據(jù)、并在不更換電池的情況下于設(shè)備的使用期限內(nèi)連續(xù)運(yùn)行。近期的技術(shù)進(jìn)步使我們能夠在許多市場(chǎng)上提供上述特性。

為擔(dān)負(fù)這項(xiàng)任務(wù)，有多種技術(shù)正在展開競(jìng)爭(zhēng)，包括衛(wèi)星、蜂窩、Wi-Fi 以及一系列基于 IEEE 802.15.4 無線標(biāo)準(zhǔn)的解決方案。這些技術(shù)可幫助用戶組建用于收集傳感器數(shù)據(jù)的 WSN。

衛(wèi)星和蜂窩技術(shù)是許多應(yīng)用的合適之選，但它們每個(gè)數(shù)據(jù)包的能源成本是最高的。而且，數(shù)據(jù)包月費(fèi)用也令人望而卻步 (雖然這種情況隨著運(yùn)營商們推出適合相對(duì)稀疏數(shù)據(jù)流量的收費(fèi)模式而有可能得到一定的改觀)。再有，覆蓋范圍也會(huì)是一個(gè)問題。顯然，衛(wèi)星或蜂窩電話信號(hào)很難走出阻礙嚴(yán)重的建筑物，而傳感器通常并不能夠左右移動(dòng)并詢問“現(xiàn)在您能聽到嗎?”。不過，對(duì)于那些具有上佳連通性并以非常低數(shù)據(jù)速率 (例如：每天傳送一個(gè)數(shù)據(jù)包) 發(fā)送信息的應(yīng)用而言，衛(wèi)星或蜂窩技術(shù)是十分有用的。

Wi-Fi (IEEE 802.11b, g) 傳感器目前得到了廣泛的使用。Wi-Fi 數(shù)據(jù)包的能源成本遠(yuǎn)低于蜂窩技術(shù)，而且沒有數(shù)據(jù)的經(jīng)常性費(fèi)用。連通性和覆蓋范圍仍然是重要的問題，因?yàn)榕c移動(dòng)人性化系統(tǒng)的需要相比，利用一個(gè)固定傳感器實(shí)現(xiàn)可靠通信所需的接入點(diǎn)密度通常會(huì)更高。

在參考 OSI 分層模型的基礎(chǔ)上，802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)針對(duì)短程、低功率操作的物理層 (PHY) 和媒體接入控制 (MAC) 層，非常適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。該無線標(biāo)準(zhǔn)具有相對(duì)較低的數(shù)據(jù)速率 (至 250kbps 以下);數(shù)據(jù)包簡(jiǎn)短 (<128 字節(jié)) 且為低能耗。例如：發(fā)送幾個(gè)字節(jié)的傳感器數(shù)據(jù)以及路徑、加密、和其他標(biāo)頭所需的時(shí)間少于 1ms。這過程采用少于 30µC 的電荷，包括接收一個(gè)安全鏈路層確認(rèn)信號(hào)。傳感器能發(fā)送來自方鄰傳感器的無線數(shù)據(jù)包，從而擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍 ，并使網(wǎng)絡(luò)擁有了針對(duì)任何單無線鏈路故障的免疫力。

性能度量指標(biāo)

各種不同 WSN 解決方案的評(píng)估基于兩個(gè)問題：“我能否快速地獲得所有的數(shù)據(jù)?”和“成本將達(dá)到多少?”。WSN 必須專為在具有低至約 50% 的鏈路層數(shù)據(jù)包遞交率 (PDR) 的環(huán)境中工作而設(shè)計(jì)。

當(dāng)開發(fā)無線數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)時(shí)，有幾項(xiàng)性能指標(biāo)是必須滿足的。首先，系統(tǒng)必須滿足一個(gè)最小可靠性目標(biāo)。就工業(yè)應(yīng)用而言，目標(biāo)通常是至少接收 99.9% 的生成數(shù)據(jù)，因?yàn)閬G失的數(shù)據(jù)會(huì)觸發(fā)代價(jià)高昂的警報(bào)條件。其次，系統(tǒng)必須支持一定的吞吐量，即每秒傳送若干個(gè)傳感器數(shù)據(jù)包。第三，這些數(shù)據(jù)包僅當(dāng)其在某個(gè)最大延遲周期以內(nèi)收到時(shí)才有效。許多處理器依靠的是最新數(shù)據(jù)更新 —— 對(duì)于控制來說，過期數(shù)據(jù)或許不具備實(shí)用性。第四，不少系統(tǒng)必須在嚴(yán)苛的環(huán)境中運(yùn)作，此類環(huán)境包括寬溫度范圍及本質(zhì)安全限制條件。只有那些滿足了所有上述四項(xiàng)要求的解決方案才被認(rèn)為適合做進(jìn)一步的評(píng)估。

當(dāng)研究各種滿足相關(guān)要求的解決方案時(shí)，關(guān)鍵的選擇標(biāo)準(zhǔn)變成了“擁有成本”和“靈活性”。擁有成本涵蓋多個(gè)方面：產(chǎn)品開發(fā)、安裝、硬件以及設(shè)備使用期限內(nèi)的供電。與有線解決方案相比，無線技術(shù)大幅度地降低了安裝成本，不過，電池供電型無線設(shè)備卻有可能需要在網(wǎng)絡(luò)的使用期限內(nèi)更換電池。另外，還需要在以下兩種選擇方案之間進(jìn)行權(quán)衡，即：構(gòu)建具有少量高功率設(shè)備的網(wǎng)絡(luò) (以降低硬件成本) 抑或構(gòu)筑采用大量低功率設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于那些由能量收集單元 (例如：太陽能、熱電) 供電的設(shè)備，大部分的成本或許取決于電容器尺寸。諸如時(shí)分多址 (TDMA) 等采用確定性調(diào)度的解決方案可幫助將大電流事件盡可能地分離開來，從而降低電容器尺寸要求。

由于最終的部署情況不可預(yù)知，因此網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)必須具備高度的靈活性。網(wǎng)絡(luò)所安裝的傳感器數(shù)量必須是可調(diào)節(jié)的 (從少到多)，網(wǎng)絡(luò)的密度也須具備從低到高的調(diào)節(jié)范圍。為了在多種多樣的無線環(huán)境中保持堅(jiān)固性，資源配置應(yīng)確保設(shè)備可在適度干擾的條件下可靠地通信，而且當(dāng)個(gè)別設(shè)備丟失時(shí)，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能繼續(xù)正常運(yùn)行。附加的資源 (包括更多的無線鏈路、用于每部設(shè)備的更多相鄰設(shè)備、或更多的信號(hào)放大) 可改善可靠性與延遲。所有這些附加資源都將導(dǎo)致功率成本的增加，可利用動(dòng)態(tài)分配最大限度地減小這種功率成本的上漲。

基于標(biāo)準(zhǔn)的解決方案可避免采用單一供應(yīng)商組件時(shí)所遇到供應(yīng)鏈難以預(yù)測(cè)的變化，并可保證同意在運(yùn)作的管理原理。

挑戰(zhàn)

就實(shí)質(zhì)而言，無線通道是不可靠的，而且許多現(xiàn)象都會(huì)阻止一個(gè)已發(fā)送的數(shù)據(jù)包到達(dá)接收器。此類現(xiàn)象之一就是干擾。假如兩個(gè)獨(dú)立的發(fā)送器在同一個(gè)通道上傳送數(shù)據(jù)，它們就有可能在接收器的無線電路中損壞彼此的信號(hào)。這就要求發(fā)送器進(jìn)行重發(fā)，代價(jià)將是時(shí)間和能源消耗的增加。

如果基礎(chǔ)媒體接入技術(shù)未排定無爭(zhēng)用通信，則干擾可能來自同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。倘若兩個(gè)發(fā)送器能夠“聽到”接收器，但相互之間聽不到 ，那就特別成問題了，它需要退下來并用確認(rèn)機(jī)理來解決沖突。

干擾也可能來自工作于相同無線電空間里的另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，或者一種使用同一頻段的不同無線電技術(shù)。后者尤其存在于無需申請(qǐng)?jiān)S可的頻段，例如：2.400 至 2.485GHz 的儀表、科學(xué)和醫(yī)學(xué) (ISM) 頻段、Wi-Fi、藍(lán)牙和 802.15.4 等都工作在此頻段上。

第二種現(xiàn)象是多徑衰落，它會(huì)阻止一個(gè)已發(fā)送的數(shù)據(jù)包到達(dá)接收器，而且不僅更具破壞性，量化也更加困難。這通常被描述為“自干擾”，當(dāng)接收器同時(shí)接收到發(fā)送器通過視線路徑傳送的信號(hào)以及環(huán)境中的物體 所反射的同一信號(hào)時(shí)，就會(huì)發(fā)生此類現(xiàn)象。由于那些“拷貝信號(hào)”的傳輸距離不同，因此它們到達(dá)接收器的時(shí)間不一樣，從而有可能產(chǎn)生破壞性的干擾。20dB ~ 30dB 的衰落并不是少見。

多徑衰落取決于環(huán)境中每個(gè)物體的位置和性質(zhì)，而且在任何實(shí)際設(shè)置中都是不可預(yù)知的。一個(gè)優(yōu)良的特性是：假如某個(gè)數(shù)據(jù)包因多徑衰落之故而未被接收，那么在一個(gè)不同的頻率上重新進(jìn)行發(fā)送其獲得成功的概率是很高的。

由于干擾及多徑衰落的原因，構(gòu)建可靠無線系統(tǒng)的關(guān)鍵在于充分利用通道和路徑分集。

解決方案

如前文所述，一項(xiàng)非常適合解決 WSN 問題的技術(shù)是 IEEE 802.15.4。802.15.4 無線標(biāo)準(zhǔn)在多個(gè)無需申請(qǐng)?jiān)S可的頻段中提供了低功率、低數(shù)據(jù)速率 PHY，這些頻段包括可在北美地區(qū)使用的 915MHz 頻段和全球可用的 2.4GHz ISM 頻段。2.4GHz 頻段擴(kuò)頻 PHY 可提供噪聲免疫力 —— 對(duì)于專為有可能工作于擁擠的免執(zhí)照頻段而設(shè)計(jì)的低能耗設(shè)備而言，這是一個(gè)特別重要的特性。該標(biāo)準(zhǔn)還定義了一個(gè)基于可靠和經(jīng)確認(rèn)數(shù)據(jù)包的 MAC 層，其具有任選的加密和驗(yàn)證功能。這種靈活的解決方案構(gòu)成了多個(gè)專有和基于標(biāo)準(zhǔn)之協(xié)議的基礎(chǔ)，包括 ZigBee 協(xié)議和 WirelessHART 協(xié)議。

凌力爾特旗下的 Dust Networks 公司幫助制定的 WirelessHART 協(xié)議具有一個(gè) 802.15.4 2.4GHz PHY 和一個(gè)基于 802.15.4 的鏈路層，為標(biāo)準(zhǔn)的 802.15.4 MAC 增添了同步、通道跳頻、優(yōu)先級(jí)和基于時(shí)間的驗(yàn)證。它具有一個(gè)提供了路徑和端到端安全性的網(wǎng)絡(luò)層，以及一個(gè)薄的不可靠/ 可靠網(wǎng)格傳輸層。WirelessHART 協(xié)議規(guī)定了時(shí)隙定時(shí)、設(shè)備保持同步的方法、以及設(shè)備如何通過在重復(fù)的超幀上將時(shí)間劃分為分隙式通信機(jī)會(huì) (時(shí)隙) 來安排時(shí)間 / 通道通信機(jī)會(huì)。制定該協(xié)議的目的在于實(shí)現(xiàn)無線設(shè)備與工業(yè)過程監(jiān)視和控制應(yīng)用中廣泛使用的現(xiàn)有有線 HART 設(shè)備的無縫集成。WirelessHART 擴(kuò)展了 HART 應(yīng)用層命令集，添加了用于管理無線資源和監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)健康狀況的命令。WirelessHART 網(wǎng)絡(luò)是高度可靠的網(wǎng)格，即使在設(shè)備不具備視線且間隔數(shù)十至數(shù)百米的情況下，每部設(shè)備都擁有多個(gè)其可發(fā)送數(shù)據(jù)的相鄰設(shè)備，從而提供了實(shí)現(xiàn)高可靠性所需的路徑分集。WirelessHART 網(wǎng)絡(luò)采取中央管理的方式，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)“智能”都存在于一個(gè)管理器之中?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 (無線傳感器) 負(fù)責(zé)報(bào)告狀態(tài)信息，管理器利用這些信息來訓(xùn)練和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，而傳感器數(shù)據(jù)則被通報(bào)至一個(gè)被稱為網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用代理。

今年早些時(shí)候發(fā)布了新的 802.15.4e 修正案，其中正式確定了時(shí)隙式通道跳頻特性 (與 802.15.4 MAC 層上的 WirelessHART 中的特性相似)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了用于通告同步化信息 (以使設(shè)備能同步至一個(gè)網(wǎng)絡(luò)) 的機(jī)理，提供了基于時(shí)間的安全性，并規(guī)定了分隙式通信和跳頻序列。它在“信息元素”中大量運(yùn)用了數(shù)據(jù)封裝，這使得能夠進(jìn)行MAC的定制擴(kuò)展，而不必等待標(biāo)準(zhǔn)的更新。其旨在簡(jiǎn)化多層協(xié)議的開發(fā)，并專為耦合至一個(gè)6LoWPAN壓縮型IPv6網(wǎng)絡(luò)層而特別設(shè)計(jì)。

應(yīng)用

凌力爾特的Dust Networks SmartMesh™產(chǎn)品線兼有符合WirelessHART及6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn)的 IPv6 產(chǎn)品，它們利用 802.15.4 以提供市面上可靠最高和功率最低的 WSN 解決方案。Dust Eterna™ 微塵 (LTC5800 系列) 是單芯片器件，其將一個(gè) Cortex-M3™ 微處理器、存儲(chǔ)器和外設(shè)耦合至目前功率最低的 802.15.4 無線線路。設(shè)計(jì)人員將微塵芯片嵌入在其傳感器組件之中，并可依靠網(wǎng)絡(luò)形成和優(yōu)化，并將傳感器數(shù)據(jù)傳輸至其應(yīng)用。Dust 的管理器可實(shí)現(xiàn)從幾十到幾千個(gè)設(shè)備的平穩(wěn)調(diào)節(jié)，并提供用于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)及配置接口。兩個(gè)產(chǎn)品系列均適合構(gòu)建能提供可按節(jié)點(diǎn)配置之?dāng)?shù)據(jù)速率之高度可靠的多跳網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)。它們適于解決各種各樣的 WSN 問題。采用 Dust 微塵和管理器的部分應(yīng)用實(shí)例包括：

泊車-Streetline公司是一家智能泊車解決方案供應(yīng)商，其產(chǎn)品可監(jiān)視城市泊車位的實(shí)時(shí)可用情況。車輛探測(cè)器安裝在泊車位的下方，位于鋪砌層的內(nèi)部并與路面齊平。這就帶來了挑戰(zhàn)，因?yàn)閭鞲衅骷奶炀€安放在地下，而后當(dāng)車位被占據(jù)時(shí)則被金屬車輛所覆蓋。無線路徑分集是必不可少的，因?yàn)椴煌能囕v停放位置會(huì)改變器件對(duì)之間的路徑質(zhì)量。Streetline 將高架的轉(zhuǎn)發(fā)器件安裝在附近的街燈上，以獲得至停車傳感器的視線。這些轉(zhuǎn)發(fā)器形成了一個(gè)多跳網(wǎng)格，用于把所有的車位占用數(shù)據(jù)收集至局部網(wǎng)絡(luò)管理器，并在此匯總到一個(gè)覆蓋全城的數(shù)據(jù)庫之中以供客戶和執(zhí)法機(jī)構(gòu)使用。無線技術(shù)對(duì)于此類應(yīng)用是至關(guān)緊要的，因?yàn)橐胗秒娋€將傳感器連接至每個(gè)車位操作起來是非常困難的，而低功率無線通信還可降低更換電池的頻度。

煉油廠過程控制-雪佛龍 (Chevron) 公司采用無線網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)視石油開采和提煉設(shè)備。這些網(wǎng)絡(luò)常常部署于嚴(yán)酷的環(huán)境 (因?yàn)榇嬖谖ｋU(xiǎn)的極端溫度和化學(xué)品，并存在發(fā)生爆炸的風(fēng)險(xiǎn))，在這里無法為有線傳感器布設(shè)導(dǎo)管。此外，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和移動(dòng)運(yùn)營商的監(jiān)視。無線網(wǎng)絡(luò)被安裝在遍布一個(gè)大型煉油廠的不同位置。為了把數(shù)據(jù)收集到一個(gè)集中式控制中心，采用了一個(gè) Cisco IEEE 802.11a 無線網(wǎng)格，作為每個(gè) IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)管理器的回傳骨干連接。這使得低功率傳感器件能夠向其局部管理器進(jìn)行報(bào)告，數(shù)據(jù)在局部管理器上聚集并可靠地往復(fù)傳送。該配置充分體現(xiàn)了兩種標(biāo)準(zhǔn)之間的強(qiáng)大融合。

能耗監(jiān)測(cè) - Vigilent 公司可提供用于室內(nèi)環(huán)境的智能型能耗管理系統(tǒng)。由于數(shù)據(jù)中心里任何位置的溫度上升都可能導(dǎo)致設(shè)備故障，因此空調(diào)常常以滿功率連續(xù)運(yùn)行，從而造成能源浪費(fèi)。設(shè)備管理人員不愿意其內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)受到危害，因此 Vigilent 部署了不會(huì)影響常規(guī)運(yùn)作的無線器件。另外，設(shè)備對(duì)于安全性也十分敏感，因此需要采用無線協(xié)議對(duì)所有的數(shù)據(jù)包進(jìn)行端到端加密，并在網(wǎng)絡(luò)管理器上提供附加的安全性。數(shù)據(jù)中心檢測(cè)點(diǎn)通常都很密集，Vigilent 成功地部署了多個(gè)重疊網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)所要求的傳感器數(shù)目。

結(jié)論

基于 802.15.4 無線標(biāo)準(zhǔn)的多通道時(shí)間同步網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)可解決構(gòu)建靈活、可靠、低功率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所涉及的眾多難題。