低功率無線感測促進(jìn)了 IoT 的發(fā)展

低功率無線技術(shù)正在大幅降低傳統(tǒng)有線感測系統(tǒng)的成本，并為傳感器網(wǎng)絡(luò)提供采用導(dǎo)線完全無法實(shí)現(xiàn)的全新可能性。低功率無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 標(biāo)準(zhǔn)，特別是采用時間同步通道跳頻 (TSCH) 的網(wǎng)格架構(gòu)，可使網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)依靠電池或收集能量來運(yùn)行，并不會犧牲可靠性或數(shù)據(jù)吞吐量。這使得應(yīng)用開發(fā)人員能夠自由地安放傳感器，并不僅僅局限在可提供電源的地方，而是應(yīng)用需要傳感器數(shù)據(jù)的任何地方。凌力爾特公司 (其包括了 Dust Networks 產(chǎn)品組) 一直身處基于 TSCH 之高可靠、低功率 WSN 和能量收集技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新的最前沿。這些技術(shù)緊密關(guān)聯(lián)，旨在為應(yīng)用開發(fā)人員部署那些要求盡量少 (如果有的話) 更換電池的系統(tǒng)提供更多的機(jī)會，從而進(jìn)一步降低了部署無線傳感器的生命周期成本并刺激了物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的發(fā)展。

ON World 最近所做的一項(xiàng)研究表明：對于工業(yè)客戶而言，WSN 最至關(guān)重要的兩個特性是可靠性和低功率 (圖 1)。成本則排在第三位：如果不能解決可靠性和功率問題，那么成本還不是客戶需要優(yōu)先考慮的因素。

圖 1：WSN 特性的感知重要度

顯然，精確同步的分時隙 (time slotting)、通道跳頻與超低功率無線電電路的組合實(shí)現(xiàn)了功率最低、可靠性最高的 WSN。這種對于低功率的關(guān)注使得所有的節(jié)點(diǎn)均可依靠低成本電池運(yùn)行多年，而且為使用多種能量源 (包括能量收集電源) 開啟了可能性。

低功率無線電

IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的推出為 WSN 創(chuàng)立了一種卓越的無線電平臺。IEEE 802.15.4 定義了一個 2.4GHz、16 通道擴(kuò)頻低功率物理 (PHY) 層，很多 IoT 技術(shù)均基于該物理層而構(gòu)建，包括 ZigBee 和 WirelessHART。另外，該標(biāo)準(zhǔn)還定義了一個媒體接入控制 (MAC) 層，其一直是 ZigBee 技術(shù)的基礎(chǔ)。然而，該 MAC 的單通道性質(zhì)使其可靠性變得不可預(yù)知。為了提高可靠性，WirelessHART 協(xié)議 (也被稱為 IEC62591) 定義了一個基于 15.4 MAC 的多通道鏈路層以實(shí)現(xiàn)高可靠性 (>99.9%)，這是工業(yè) WSN 應(yīng)用所要求的。2012 年初，802.15.4 MAC 的一種新版本 (稱為 802.15.4e) 正式獲批，該 MAC 體現(xiàn)了多通道網(wǎng)格和分時隙。符合 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)之無線電裝置的典型功率輸出大約為 0dBm，發(fā)送和接收電流在 15mA 至 30mA 范圍內(nèi)。在 0dBm 時的同類最佳發(fā)送電流為 5.4mA，而同類最佳之接收電流為 4.5mA (基于凌力爾特的 LTC5800)。

時間同步可實(shí)現(xiàn)節(jié)能和通道跳頻

原始 802.15.4 MAC 要求網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中負(fù)責(zé)傳送來自相鄰節(jié)點(diǎn)之信息的節(jié)點(diǎn)始終保持接通，而那些僅發(fā)送 / 接收其自身數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn) (常被稱為 “精簡功能設(shè)備”) 則可在傳輸操作之間處于睡眠狀態(tài)。為了使網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)均為低功率，必須安排節(jié)點(diǎn)之間的通信，而且在網(wǎng)絡(luò)中必需具有一種時間的共享感。同步越嚴(yán)密，路由節(jié)點(diǎn)無線電裝置必須處于 “導(dǎo)通” 狀態(tài)的時間就越短，從而最大限度地降低功耗。業(yè)界最佳的 TSCH 系統(tǒng)能夠把一個多跳網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)同步至幾十微秒之內(nèi)。一旦在網(wǎng)絡(luò)中擁有了準(zhǔn)確時間的共享感，以及用于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間成對傳輸?shù)臅r隙明細(xì)表，即可將通道分配納入該明細(xì)表，由此啟用通道跳頻。

通道跳頻減輕了干擾和多徑衰落

無線通道在本質(zhì)上就是不可靠的，而且諸多現(xiàn)象會阻止已傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包到達(dá)接收器;而當(dāng)無線電功率下降時此類狀況會進(jìn)一步惡化。當(dāng)多個發(fā)送器通過相同的頻率同時傳送數(shù)據(jù)時，將出現(xiàn)干擾。假如它們彼此聽不見，然而接收器卻能夠聽見所有的發(fā)送器，這就特別成問題了 (“隱性終端問題”)。后退、重傳和確認(rèn)機(jī)理是解決沖突所必需的。干擾可能來自網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部、或者另一個工作在相同無線電空間中的類似網(wǎng)絡(luò)、抑或是某種工作于同頻段的不同無線電技術(shù) (這在 WiFi、Bluetooth 和 802.15.4 共用的 2.4GHz 頻段中是常見的現(xiàn)象)。

第二種不可預(yù)知的現(xiàn)象 (被稱為 “多徑衰落”) 會阻止傳輸?shù)某晒ν瓿?，即使在預(yù)期視線鏈路余量充足的情況下也不例外。當(dāng)傳輸信號的多個 “副本” 被環(huán)境中的物體 (天花板、門、人 … 等等) 反彈，且每個反射副本傳播的距離不同時，將發(fā)生這種現(xiàn)象。當(dāng)產(chǎn)生破壞性的干擾時，20dB 至 30dB 的衰落是司空見慣的。多徑衰落取決于傳輸頻率、設(shè)備位置、以及每一個鄰近的物體;要想預(yù)知它幾乎是不可能的。圖 2 示出了 26 天時間里在介于兩個工業(yè)傳感器之間的單個無線通路上的數(shù)據(jù)包遞交率 (針對系統(tǒng)所使用的 16 個通道中的每一個)。

圖 2：在 26 天時間里于 16 個通道上的數(shù)據(jù)包遞交率

通過實(shí)施時間同步和把網(wǎng)絡(luò)劃分為時隙的時間安排，可在特定的已知通道上精確地編排傳輸?shù)臅r間表，而且通道的選擇可以隨著每個傳輸而改變。此外，安排網(wǎng)絡(luò)傳輸還解決了 “隱性終端問題”，并幾乎消除了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的沖突。這樣一種機(jī)理在超過 10,000 個 WirelessHART 網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)地驗(yàn)證，通常可實(shí)現(xiàn)持續(xù)多年的電池使用壽命和 >99.9% 的可靠性。

能量收集考慮

一旦適當(dāng)?shù)乇M量降低了 WSN 的功率要求，那么電源的選擇面就變寬了。環(huán)境能量無處不在：光、振動和熱量只不過是幾個例子而已，它們可以大量地免費(fèi)供應(yīng)并被轉(zhuǎn)換為充足的電能以運(yùn)行一個低功率 TSCH WSN。下面的例子說明了一些可產(chǎn)生超過 150μW 功率的實(shí)用型能量收集技術(shù)，這種功率級別完全足以運(yùn)行 802.15.4e 網(wǎng)絡(luò) (例如：Dust Networks 的 SmartMesh IP™) 中一個典型的 IPv6 路由節(jié)點(diǎn)。

照明

標(biāo)準(zhǔn)辦公大樓的大多數(shù)區(qū)域都具備可運(yùn)行一個低功率 TSCH WSN 的充足室內(nèi)照明。根據(jù)美國聯(lián)邦事務(wù)服務(wù)管理總局 (其負(fù)責(zé)制定美國公共建筑的指導(dǎo)準(zhǔn)則) 提供的信息，諸如工作站和閱讀區(qū)等亮度較高的區(qū)域擁有 500 lux 的照度。即使在如大堂、樓梯間以及機(jī)械和通信室等被認(rèn)為是 “正常照明” 的區(qū)域中，照度至少也有 200 lux，而大部分會議室的照度則普遍達(dá)到了 300 lux。憑借 200 lux 至 300 lux 的照度，有許多室內(nèi)小型光伏電池可用來提供充足的功率以運(yùn)作 802.15.4e TSCH 網(wǎng)絡(luò)中的一個 IPv6 路由器。

熱能

熱電發(fā)生器 (TEG) 利用來自熾熱表面的熱耗散來產(chǎn)生電能，比如：來自一般被認(rèn)為熱哄哄的常用設(shè)備 (例如：計(jì)算機(jī)監(jiān)視器或大電流電機(jī)) 的廢熱。隨著無線解決方案電源效率的日益提高，利用小到 10°C 的常見溫差所產(chǎn)生的能量變得可用作一種能量源。供您參考：體內(nèi)溫度與室溫之間的典型差異約為 15°C。

許多能量收集換能器只產(chǎn)生幾百毫伏輸出，因此常常需要采用升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器將之轉(zhuǎn)換至一個可用的電源電壓范圍。由凌力爾特提供的 LTC3105 等 IC 整合了最大功率點(diǎn)控制功能，于是換能器以峰值效率運(yùn)作。另外，LTC3105 還在電路中增添了電池后備功能。由于這些電路中的電池僅在環(huán)境能量源不足或缺失時使用，因此能夠大幅度地延長電池壽命。

結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)是通過使其具有實(shí)用性并可不受地域限制地易于部署傳感器而得以加速發(fā)展。對于客戶和開發(fā)人員之類的群體而言，低功率的可靠無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將轉(zhuǎn)化為無導(dǎo)線和無擔(dān)憂的設(shè)計(jì)。時間同步的分時隙多通道系統(tǒng)把對客戶至關(guān)緊要的好處賦予了 WSN：可靠性及網(wǎng)絡(luò)的低功率運(yùn)作。WirelessHART 和 802.15.4e 標(biāo)準(zhǔn)是這種網(wǎng)絡(luò)方案的絕佳體現(xiàn)。低功率運(yùn)作可確保電源選擇的極大靈活性，并提供了實(shí)現(xiàn)永久供電的可能性。所有這些因素累加起來將使 IoT 更加簡易和實(shí)用。