物聯(lián)網(wǎng)革命近在咫尺，到 2020 年，全世界將有超過 300 億個互聯(lián)物體。在世界人口不斷增加、資源變得越來越寶貴之際，這種互聯(lián)有望提供真實世界的數(shù)據(jù)，以促進(jìn)效率提高，簡化業(yè)務(wù)實踐。

隨著互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 得到廣泛采用，處理數(shù)據(jù)和充分利用信息變得越來越容易了�！敦敻弧�500 強公司為數(shù)據(jù)存儲提供企業(yè)及數(shù)據(jù)庫解決方案，并提供軟件工具，以簡化資產(chǎn)跟蹤、過程控制系統(tǒng)和樓宇管理系統(tǒng) (參見圖 1) 等業(yè)務(wù)流程。智能手機和平板電腦為人們提供了非常有用的信息，例如提供實時停車信息，或者實時提供有關(guān)機器健康狀況的監(jiān)視信息，以制定維修計劃。迄今為止已經(jīng)部署了許多無線傳感器，但是為了測量和優(yōu)化以前未曾涉及的流程，仍然急需更多的傳感器來提供數(shù)據(jù)。

圖 1：可靠、低功耗 IP 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將得到廣泛使用

為了進(jìn)一步擴大傳感器部署規(guī)模，正在進(jìn)行有關(guān) IP 標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，目標(biāo)是使小型無線傳感器像網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器一樣易于使用。在標(biāo)準(zhǔn)制定工作的背后有兩股推動力：其一是，公認(rèn)的低功耗、時間同步化網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的高度可靠性能;其二是，正在進(jìn)行的 IP 標(biāo)準(zhǔn)制定工作可實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的無縫集成。這兩股力量合二為一，將有效促進(jìn)小型、低功耗傳感器的可靠通信，并使這類傳感器最終能夠支持 IP。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)帶來的挑戰(zhàn)

無線從本質(zhì)上來說是不可靠的，因此重要的是了解不可靠性的來源，以在通信系統(tǒng)中解決不可靠性問題。在低功耗無線網(wǎng)絡(luò)中，不可靠性的主要來源是外部干擾和多徑衰落。當(dāng)外部信號 (例如 WiFi 信號) 暫時妨礙兩個無線電系統(tǒng)通信時，就會發(fā)生干擾。這就需要它們重新發(fā)送信號，因此會消耗更多功率。當(dāng)無線信號遇到鄰近發(fā)送器中的物體而彈回時，就會發(fā)生多徑衰落，而且各種回波都會對接收器天線造成破壞性干擾。這現(xiàn)象是設(shè)備位置、所用頻率以及周圍環(huán)境的函數(shù)。因為任何無線系統(tǒng)周圍的環(huán)境都隨時間而變化，所以在無線系統(tǒng)運行壽命期內(nèi)，任一 RF 頻道都會遇到問題。不過，多經(jīng)衰落是受頻率影響。因此，盡管某個頻率可能遇到了問題，但是仍然會有其他 RF 頻道在正常工作。由于干擾和多徑衰落，因此建立可靠無線系統(tǒng)的關(guān)鍵是，在不犧牲低功耗工作這一優(yōu)點的同時，實現(xiàn)通道和路徑多樣化。Dust Networks (現(xiàn)在是凌力爾特公司的一個業(yè)務(wù)部) 率先提供了這樣的系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用時間同步、通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

時間同步、通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)

在時間同步化通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中，多跳網(wǎng)絡(luò)上的所有無線節(jié)點都同步至幾十微秒時間之內(nèi)，而且時間被分成時隙。通信通過一個時間表來協(xié)調(diào)，該時間表指示每個節(jié)點在每個時隙中該做什么 (發(fā)送、接收、休眠)。因為它們都是同步的，所以僅當(dāng)通信時，這些節(jié)點才接通其無線電，從而極大地降低了無線電占空比 (常見占空比 <1%)，并延長了電池的壽命。此外，因為該時間表可以靈活設(shè)定，所以網(wǎng)絡(luò)始終可供應(yīng)用使用，不像其他“休眠”網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，需要徹底關(guān)斷網(wǎng)絡(luò)很長時間。兩個節(jié)點之間發(fā)送的所有數(shù)據(jù)包都在以偽隨機跳頻方式計算出來的頻率上傳送。所產(chǎn)生的頻率多樣化是一種有效抵抗干擾和多徑衰落的方式。時間同步化網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)長達(dá) 10 年的電池壽命和 >99.999% 的端到端可靠性。

時間同步化網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)取得了成功

近幾年，時間同步化通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。2004 年，Dust Networks 首次推出了 SmartMesh® 系統(tǒng)，工業(yè)過程是最早采用該系統(tǒng)的領(lǐng)域之一。

有些工業(yè)應(yīng)用的運行環(huán)境堪稱最為嚴(yán)酷，同時對數(shù)據(jù)完整性又有最為嚴(yán)格的要求，如果能保證這么高的數(shù)據(jù)完整性，就能極大地提高工業(yè)設(shè)備的效率、生產(chǎn)率和安全性。因為傳統(tǒng)的有線工業(yè)傳感器安裝費用高昂，所以在工廠中一般僅對少量可能的測量點進(jìn)行測量。盡管這為無線傳感器在工業(yè)應(yīng)用中的使用創(chuàng)造了極大的需求，但是傳統(tǒng)點到點無線系統(tǒng)缺乏所需的可靠性，而且難以安裝，從而限制了無線系統(tǒng)在小型和隔離應(yīng)用中的使用。

隨著時間同步化網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的推出，無線系統(tǒng)可提供通常僅有線系統(tǒng)才能提供的可靠性，因此低功耗無線系統(tǒng)的應(yīng)用變成了現(xiàn)實。低功耗無線系統(tǒng)通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) IEC62591 (也稱為 WirelessHART) 實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，使工業(yè)過程市場上的設(shè)備實現(xiàn)了互操作性。大部分大型工業(yè)制造商 (例如 Emerson Process、西門子、ABB、Endress & Hauser、Pepperl & Fuchs 和 Phoenix Contact) 都在交付 Wireless HART 產(chǎn)品。如今，SmartMesh 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)得到廣泛使用，在全球 120 多個國家部署了 3 萬多個網(wǎng)絡(luò)，提高了各種場所的安全性和效率，包括鋼鐵廠和煉油廠、偏遠(yuǎn)的油田和海上鉆井平臺、以及食品和飲料廠 (注1)。