可靠、低功耗无线传感器网络适用于物联网: 使无线传感器像网络服务器一样易于使用

物联网革命近在咫尺，到 2020 年，全世界将有超过 300 亿个互联物体。在世界人口不断增加、资源变得越来越宝贵之际，这种互联有望提供真实世界的数据，以促进效率提高，简化业务实践。

随着互联网协议 (IP) 得到广泛采用，处理数据和充分利用信息变得越来越容易了。《财富》500 强公司为数据存储提供企业及数据库解决方案，并提供软件工具，以简化资产跟踪、过程控制系统和楼宇管理系统 (参见图 1) 等业务流程。智能手机和平板电脑为人们提供了非常有用的信息，例如提供实时停车信息，或者实时提供有关机器健康状况的监视信息，以制定维修计划。迄今为止已经部署了许多无线传感器，但是为了测量和优化以前未曾涉及的流程，仍然急需更多的传感器来提供数据。

图 1：可靠、低功耗 IP 无线传感器网络将得到广泛使用

为了进一步扩大传感器部署规模，正在进行有关 IP 标准的制定工作，目标是使小型无线传感器像网络服务器一样易于使用。在标准制定工作的背后有两股推动力：其一是，公认的低功耗、时间同步化网格网络的高度可靠性能；其二是，正在进行的 IP 标准制定工作可实现无线传感器网络与互联网的无缝集成。这两股力量合二为一，将有效促进小型、低功耗传感器的可靠通信，并使这类传感器最终能够支持 IP。

无线传感器网络带来的挑战

无线从本质上来说是不可靠的，因此重要的是了解不可靠性的来源，以在通信系统中解决不可靠性问题。在低功耗无线网络中，不可靠性的主要来源是外部干扰和多径衰落。当外部信号 (例如 WiFi 信号) 暂时妨碍两个无线电系统通信时，就会发生干扰。这就需要它们重新发送信号，因此会消耗更多功率。当无线信号遇到邻近发送器中的物体而弹回时，就会发生多径衰落，而且各种回波都会对接收器天线造成破坏性干扰。这现象是设备位置、所用频率以及周围环境的函数。因为任何无线系统周围的环境都随时间而变化，所以在无线系统运行寿命期内，任一 RF 频道都会遇到问题。不过，多经衰落是受频率影响。因此，尽管某个频率可能遇到了问题，但是仍然会有其他 RF 频道在正常工作。由于干扰和多径衰落，因此建立可靠无线系统的关键是，在不牺牲低功耗工作这一优点的同时，实现通道和路径多样化。Dust Networks (现在是凌力尔特公司的一个业务部) 率先提供了这样的系统，该系统采用时间同步、通道跳频网格网络技术。

时间同步、通道跳频网格网络

在时间同步化通道跳频网格网络中，多跳网络上的所有无线节点都同步至几十微秒时间之内，而且时间被分成时隙。通信通过一个时间表来协调，该时间表指示每个节点在每个时隙中该做什么 (发送、接收、休眠)。因为它们都是同步的，所以仅当通信时，这些节点才接通其无线电，从而极大地降低了无线电占空比 (常见占空比 <1%)，并延长了电池的寿命。此外，因为该时间表可以灵活设定，所以网络始终可供应用使用，不像其他“休眠”网络架构，需要彻底关断网络很长时间。两个节点之间发送的所有数据包都在以伪随机跳频方式计算出来的频率上传送。所产生的频率多样化是一种有效抵抗干扰和多径衰落的方式。时间同步化网格网络可实现长达 10 年的电池寿命和 >99.999% 的端到端可靠性。

时间同步化网格网络取得了成功

近几年，时间同步化通道跳频网格网络已经得到了广泛应用。2004 年，Dust Networks 首次推出了 SmartMesh® 系统，工业过程是最早采用该系统的领域之一。

有些工业应用的运行环境堪称最为严酷，同时对数据完整性又有最为严格的要求，如果能保证这么高的数据完整性，就能极大地提高工业设备的效率、生产率和安全性。因为传统的有线工业传感器安装费用高昂，所以在工厂中一般仅对少量可能的测量点进行测量。尽管这为无线传感器在工业应用中的使用创造了极大的需求，但是传统点到点无线系统缺乏所需的可靠性，而且难以安装，从而限制了无线系统在小型和隔离应用中的使用。

随着时间同步化网格网络的推出，无线系统可提供通常仅有线系统才能提供的可靠性，因此低功耗无线系统的应用变成了现实。低功耗无线系统通过工业标准 IEC62591 (也称为 WirelessHART) 实现了标准化，使工业过程市场上的设备实现了互操作性。大部分大型工业制造商 (例如 Emerson Process、西门子、ABB、Endress & Hauser、Pepperl & Fuchs 和 Phoenix Contact) 都在交付 Wireless HART 产品。如今，SmartMesh 网络已经得到广泛使用，在全球 120 多个国家部署了 3 万多个网络，提高了各种场所的安全性和效率，包括钢铁厂和炼油厂、偏远的油田和海上钻井平台、以及食品和饮料厂 (注1)。