適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的高可靠、低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

 物聯(lián)網(wǎng)革命近在咫尺，到2020年，全世界將有超過300億個(gè)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(shí)世界的數(shù)據(jù)，以促進(jìn)效率提高，簡化業(yè)務(wù)實(shí)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?cái)富》500強(qiáng)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(jī)和平板電腦為人們提供了非常有用的信息，例如提供實(shí)時(shí)停車信息，或者實(shí)時(shí)提供有關(guān)機(jī)器健康狀況的監(jiān)視信息，以制定維修計(jì)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)。

為了進(jìn)一步擴(kuò)大傳感器部署規(guī)模，有關(guān)IP標(biāo)準(zhǔn)的制定工作正在進(jìn)行，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(shí)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(shí)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Wi-Fi信號)妨礙兩個(gè)無線電系統(tǒng)通信時(shí)，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(shí)，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。這個(gè)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?yàn)槿魏螣o線系統(tǒng)周圍的環(huán)境都隨時(shí)間而變化，所以在無線系統(tǒng)運(yùn)行壽命期內(nèi)，任一RF頻道都會遇到問題。不過，多徑衰落受頻率影響。因此，盡管某個(gè)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(diǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)通道和路徑多樣化。DustNetworks(現(xiàn)在是凌力爾特公司的一個(gè)業(yè)務(wù)部)率先提供了這樣的系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用時(shí)間同步、通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

時(shí)間同步、通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)

在時(shí)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(diǎn)都同步至幾十微秒時(shí)間之內(nèi)，而且時(shí)間被分成時(shí)隙。通信通過一個(gè)時(shí)間表來協(xié)調(diào)，該時(shí)間表指示每個(gè)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)隙中該做什么(發(fā)送、接收、休眠)。因?yàn)樗鼈兌际峭降?，所以僅當(dāng)通信時(shí)，這些節(jié)點(diǎn)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99.999%的端到端可靠性。

時(shí)間同步化網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)取得了成功

近幾年，時(shí)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。

隨著時(shí)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(shí)。

低功耗無線系統(tǒng)通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEC62591(也稱為Wireless HART)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，使工業(yè)過程市場上的設(shè)備實(shí)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(gè)國家部署了3萬多個(gè)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。除工業(yè)過程領(lǐng)域，SmartMesh系統(tǒng)也成功地部署在數(shù)據(jù)中心和商用寫字樓中，用以優(yōu)化空調(diào)費(fèi)用。

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基于標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，標(biāo)準(zhǔn)發(fā)揮著重要作用，因?yàn)樽罱K用戶擁護(hù)基于標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的解決方案。一項(xiàng)技術(shù)如果由重要標(biāo)準(zhǔn)化組織開發(fā)并核準(zhǔn)，用戶就有信心使用。Wireless HART/IEC62591是工業(yè)過程領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)，在這個(gè)市場以外，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)是通信標(biāo)準(zhǔn)。

若干標(biāo)準(zhǔn)化組織為物聯(lián)網(wǎng)(參見圖2)制定了標(biāo)準(zhǔn)。挑戰(zhàn)是要與互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全面集成，同時(shí)納入公認(rèn)的時(shí)間同步化通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)。今天的互聯(lián)網(wǎng)使用的大多數(shù)協(xié)議都是由互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)制定的，該標(biāo)準(zhǔn)化組織的CoRE工作組已經(jīng)制定了應(yīng)用層協(xié)議CoAP(Constrained Application Protocol)。CoAP在UDP協(xié)議之上運(yùn)行，而且非常容易轉(zhuǎn)換到HTTP，以使無線傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)類似網(wǎng)絡(luò)的互動。6LoWPAN工作組制定了一個(gè)IP適配層協(xié)議，該協(xié)議將IP數(shù)據(jù)包的大型頭標(biāo)壓縮成小型無線幀或數(shù)據(jù)包，使傳感器節(jié)點(diǎn)能夠通過IP地址單獨(dú)尋址。盡管這些上層協(xié)議實(shí)現(xiàn)了類似網(wǎng)絡(luò)的互動以及與互聯(lián)網(wǎng)的集成，但是決定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的是這些上層協(xié)議之下的那些協(xié)議層。

IETF制定的標(biāo)準(zhǔn)一般運(yùn)行在遵循IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線芯片上。IEEE802.15.4在數(shù)據(jù)傳送速率(250kbps)、范圍(10m～100m)、功耗(發(fā)送或接收時(shí)為5mA～20mA)和數(shù)據(jù)包大小(高達(dá)127字節(jié))之間進(jìn)行了健康的權(quán)衡。這種權(quán)衡使IEEE802.15.4非常適用于低功耗網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，因此該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為這類網(wǎng)絡(luò)鏈接技術(shù)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

2012年，IEEE公布了可運(yùn)行在IEEE802.15.4兼容型無線電上的新介質(zhì)訪問標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4e。其時(shí)隙通道跳頻(TSCH)模式納入了Dust Networks的時(shí)間同步化網(wǎng)格協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)隙同步和RF通道跳頻。

不過，上述情況隨著在IETF的新標(biāo)準(zhǔn)化工作開展而發(fā)生了變化，該標(biāo)準(zhǔn)又稱為6TSCH(Deterministic IPv6 over IEEE802.15.4e Time Slotted Channel Hopping)。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化工作由凌力爾特和思科系統(tǒng)公司聯(lián)合領(lǐng)導(dǎo)，將制定目前缺少的通信協(xié)議，以使TSCH時(shí)間表能夠通過調(diào)度實(shí)體加以管理。

6TSCH可填補(bǔ)IP協(xié)議棧中尚存的空白，將實(shí)現(xiàn)完全標(biāo)準(zhǔn)化、可互操作、基于IP的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，提供通常僅有線傳感器網(wǎng)絡(luò)才能提供的高可靠性。網(wǎng)絡(luò)開發(fā)人員通過向傳感器的IP地址發(fā)送網(wǎng)絡(luò)請求，將能夠?qū)崟r(shí)獲得傳感器數(shù)據(jù)，而且下層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將以>99.999%的數(shù)據(jù)可靠性支持這類通信。通過使傳感器像網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器一樣易于訪問，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將能夠向物聯(lián)網(wǎng)饋送真實(shí)世界的信息。