怎樣建立實(shí)用的低功耗、高可靠性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

這里有一些主要的設(shè)計(jì)約束條件：如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)將包括眾多節(jié)點(diǎn)，那么每個(gè)節(jié)點(diǎn)的成本必須很低(目前大約要低于5美元，將來會(huì)更低)，而且事實(shí)上要免維護(hù)。由于有些節(jié)點(diǎn)很可能會(huì)位于難以接近的位置，因此能夠由廉價(jià)的鈕扣電池供電工作幾個(gè)月甚至幾年也變得非常關(guān)鍵?，F(xiàn)在已有技術(shù)能夠滿足以上的條件。由ZigBee聯(lián)盟所倡導(dǎo)的基于IEEE802.1.4標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)解決方案就是其中之一。還有很多專有技術(shù)也已被多方采用，其中包括Dynastream公司的技術(shù)，即ANT。

實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須解決的技術(shù)難題包括：怎樣避免節(jié)點(diǎn)間和來自其它射頻源的干擾；網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展升級(jí)問題；可以承載的節(jié)點(diǎn)數(shù)目；節(jié)點(diǎn)是否可以按需隨時(shí)(ad hoc)地加入網(wǎng)絡(luò)而不需對(duì)網(wǎng)絡(luò)的其他部分進(jìn)行再配置；所需帶寬；怎樣盡量減小功耗；所需的微處理器資源。

圖：(a) 該種網(wǎng)絡(luò)常被稱作星狀網(wǎng)(Star Network)，形象地表示出一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)與它周圍節(jié)點(diǎn)的通訊關(guān)系；(b) 星狀網(wǎng)可與其它星狀網(wǎng)連接從而形成更復(fù)雜的系統(tǒng)，常被稱作樹狀網(wǎng)或集群網(wǎng)。

實(shí)際上，所有的實(shí)用網(wǎng)絡(luò)問題都可以由較簡(jiǎn)單的預(yù)先確定好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來解決。其中最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)就是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，即一個(gè)節(jié)點(diǎn)與另一個(gè)節(jié)點(diǎn)通訊。而復(fù)雜一些的網(wǎng)絡(luò)將包括許多發(fā)送信息的外圍節(jié)點(diǎn)和一個(gè)接收信息的接收節(jié)點(diǎn)。在健身和保健領(lǐng)域，這類網(wǎng)絡(luò)得到了主要應(yīng)用和驗(yàn)證。如圖1(a)所示，一位騎車者佩帶著運(yùn)動(dòng)手表(節(jié)點(diǎn)1)，而節(jié)點(diǎn)2是GPS定位器，節(jié)點(diǎn)3是速度計(jì)，節(jié)點(diǎn)4時(shí)心率監(jiān)測(cè)器。節(jié)點(diǎn)2、3和4同時(shí)通過各自專有的信道A、B和C與運(yùn)動(dòng)手表保持通訊。這種類型的網(wǎng)絡(luò)常被稱作星狀網(wǎng)(Star Network)，形象地表示出一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)與它周圍節(jié)點(diǎn)的通訊關(guān)系。星狀網(wǎng)可與其它星狀網(wǎng)連接從而形成更復(fù)雜的系統(tǒng)，常被稱作樹狀網(wǎng)(Tree Network)或集群網(wǎng)(Cluster Network)(如圖1b所示)。這一類型的無線網(wǎng)絡(luò)不僅被用于體育和運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域，還可被用在其它許多領(lǐng)域，譬如新興的醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備，家庭自動(dòng)化和工業(yè)控制等。這些例子表明絕大多數(shù)實(shí)際中的網(wǎng)絡(luò)，在節(jié)點(diǎn)功能等同的條件下，不必要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)都與其相鄰的節(jié)點(diǎn)通訊。

實(shí)用的無線網(wǎng)絡(luò)必須低成本，抗干擾(來自其它射頻源，包括臨近節(jié)點(diǎn))，性能可靠并且低功耗。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都需要硬件來驅(qū)動(dòng)。這個(gè)硬件作為網(wǎng)絡(luò)的物理層(PHY)由一個(gè)無線收發(fā)芯片和與之相配的微處理器構(gòu)成。物理層支持一個(gè)協(xié)議棧和一個(gè)應(yīng)用層，構(gòu)成了一套特殊指令集用于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

通訊協(xié)議可能是保證實(shí)際無線網(wǎng)絡(luò)如愿運(yùn)行的最關(guān)鍵因素。它通過建立共存、數(shù)據(jù)表述、信令、鑒權(quán)和糾錯(cuò)等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則，來決定節(jié)點(diǎn)間的無線互聯(lián)通訊。

要選擇無線通信協(xié)議，有一種方法就是比較它們的功效，即數(shù)據(jù)包的開銷(與特定節(jié)點(diǎn)建立通訊并決定數(shù)據(jù)怎樣可靠傳遞所需的信息)和有效載荷(真正有用的數(shù)據(jù))的比率。除此之外，還有另外幾點(diǎn)需要考慮。其中的關(guān)鍵包括無線收發(fā)部分本身的帶寬和硬件效率，再加上通訊管理，即通訊時(shí)的物理層效率。在給定數(shù)據(jù)量的前提下，無線收發(fā)部分的帶寬廣義上與發(fā)射機(jī)需要保持在高能耗信息發(fā)射狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)短相關(guān)。理論上，越寬的帶寬，發(fā)射數(shù)據(jù)的速度越快，而無線發(fā)射部分必須在休眠狀態(tài)以外的時(shí)間就越短。在實(shí)際應(yīng)用中，增加帶寬要消耗功率。一般認(rèn)為最佳的折衷點(diǎn)在1Mbps，超過這個(gè)帶寬，所得的收益反而不敷所增加的功率損耗了。

但是所有無線收發(fā)硬件效率所帶來的功率節(jié)省卻很容易被一個(gè)效率低下的物理層所拖累。無線收發(fā)部分在“開”的狀態(tài)所消耗的電能比“關(guān)”的狀態(tài)高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以“開”狀態(tài)對(duì)整個(gè)功率消耗會(huì)產(chǎn)生最大的影響，所以真正的挑戰(zhàn)是如何讓無線收發(fā)部分盡量處在最低功耗的關(guān)機(jī)狀態(tài)。

確定一個(gè)好的無線收發(fā)芯片和高效的協(xié)議只是設(shè)計(jì)實(shí)用無線網(wǎng)絡(luò)的工作的一部分。無論你的網(wǎng)絡(luò)包含兩個(gè)、十個(gè)甚至上百個(gè)節(jié)點(diǎn)，最大的挑戰(zhàn)還是怎樣把這些節(jié)點(diǎn)連成可靠并可擴(kuò)展升級(jí)的網(wǎng)絡(luò)。

要實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，關(guān)鍵是選擇這樣一種技術(shù),其所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在物理連接層上具有等同的功能，從而在實(shí)際無線網(wǎng)絡(luò)中既能作為“從”節(jié)點(diǎn)又能作為“主”節(jié)點(diǎn)，而且可在任何時(shí)間改變角色。換句話說，這些節(jié)點(diǎn)應(yīng)該有能力作為發(fā)射方、接收方或發(fā)射接收方來建立通向其它節(jié)點(diǎn)的通路。在此基礎(chǔ)上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)還應(yīng)該有能力跟據(jù)相鄰節(jié)點(diǎn)的行為來確定發(fā)送信息的最佳時(shí)間。上述這些性能結(jié)合起來，意味著對(duì)于任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，按需隨時(shí)地加進(jìn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)是容易做到的。

建設(shè)一個(gè)執(zhí)行實(shí)際功能的網(wǎng)絡(luò)不僅僅要求節(jié)點(diǎn)互通，節(jié)點(diǎn)還要經(jīng)過配置來執(zhí)行具體的功能，選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，這種功能配置會(huì)是相當(dāng)?shù)娜菀?。設(shè)置、測(cè)試和調(diào)試都通過電腦圖形用戶界面來進(jìn)行，就連不是專家的人也可在幾小時(shí)而不是幾天內(nèi)完成。

超低功耗是實(shí)用無線網(wǎng)絡(luò)的基本要求。為了最大限度的減少維護(hù)，供電的鈕扣電池(例如CR2032，標(biāo)稱容量220mAh，峰值電流25mA)需要能夠維持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)幾個(gè)月，最好幾年。例如由Dynastream公司開發(fā)的ANT技術(shù)，它運(yùn)轉(zhuǎn)在Nordic半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的2.4GHz無線收發(fā)芯片上。對(duì)于一個(gè)每天工作一小時(shí)，每秒發(fā)送8字節(jié)數(shù)據(jù)的應(yīng)用(例如位于足部的速度距離監(jiān)測(cè)器與運(yùn)動(dòng)手表間的通訊)，發(fā)射端與接收端的電池壽命分別是6.4年和5.6年。這個(gè)結(jié)果大大優(yōu)于目前商用化的ZigBee解決方案。

與當(dāng)代其它使用2.4GHz的無線技術(shù)一樣，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也工作在這個(gè)日益擁擠的頻段。其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要送達(dá)信息，就必須與Wi-Fi、藍(lán)牙、無繩電話以及其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來競(jìng)爭(zhēng)，干擾規(guī)避策略是至關(guān)重要的。在2.4GHz頻段，目前有三種公認(rèn)的技術(shù)用來盡量減少設(shè)備受干擾的影響。一個(gè)是時(shí)隙分配方案。一個(gè)是直接序列擴(kuò)頻(DSSS)，例如ZigBee所采用的技術(shù)。再有就是跳頻擴(kuò)頻(FHSS)，例如藍(lán)牙所采用的技術(shù)。

使用DSSS和FHSS技術(shù)能達(dá)到目的，但是要求接收和發(fā)射端同步工作。在FHSS技術(shù)中，這樣才能確保設(shè)備同時(shí)調(diào)整到相同的一段窄帶頻譜上。而在DSSS技術(shù)中，同步確保頻帶壓縮使用與頻帶擴(kuò)展相同的偽隨機(jī)序列。同步的要求增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性以及功耗。雖然在不需通訊時(shí)可以關(guān)掉同步部分以節(jié)省電能，但重新獲得同步卻要花費(fèi)幾秒時(shí)間并消耗更多的能量。

ANT的專有技術(shù)使用了一種自適應(yīng)等時(shí)網(wǎng)絡(luò)方案。它利用了設(shè)備中無線收發(fā)部分只用極短時(shí)間發(fā)送信息(每條信息小于150μs)這一特點(diǎn)，使得一個(gè)單一信道可被分隔成許多時(shí)隙。信息發(fā)送周期決定了到底劃分幾個(gè)時(shí)隙。在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中，發(fā)射端以正常的間隔發(fā)送信息。但當(dāng)在這個(gè)特別的時(shí)隙檢測(cè)到相鄰節(jié)點(diǎn)的干擾時(shí)，發(fā)射端會(huì)進(jìn)行調(diào)整直到找到一個(gè)沒有干擾的時(shí)隙。假如射頻環(huán)境更加擁擠，ANT系統(tǒng)具有的頻率捷變能力使得應(yīng)用微處理器能夠控制發(fā)射頻率跳變到另外一個(gè)屬于2.4GHz的1MHz頻段上。