利用安全、可靠的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景應(yīng)用

隨著電子設(shè)備數(shù)量的爆炸式增長(zhǎng)，不同應(yīng)用間相互通信的需求正在導(dǎo)致各種問(wèn)題的出現(xiàn)。為了解決這一問(wèn)題，制造商們使用各種不同的通信接口或者通信標(biāo)準(zhǔn)，例如專有的或者是根據(jù)自己的公司特定所創(chuàng)建的一些標(biāo)準(zhǔn)或接口來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用間的相互通信。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）由多個(gè)具有信息傳輸能力和檢測(cè)能力的小傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備組成，通過(guò)無(wú)線連接來(lái)形成控制網(wǎng)絡(luò)有效獲取信息，同時(shí)將所收集的信息傳輸?shù)较到y(tǒng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和目標(biāo)檢測(cè)。本文以全球領(lǐng)先的高性能半導(dǎo)體企業(yè)亞德諾半導(dǎo)體（ADI）解決方案為例，詳細(xì)說(shuō)明無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在各領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用與獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

相較有線通信，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三大優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的通信鏈路通過(guò)有線方式給控制器和外圍供電，為兩者之間提供可靠的信號(hào)傳輸。但是當(dāng)這些外圍設(shè)備實(shí)體并不被包含在控制器內(nèi)時(shí)，有線這種方式將會(huì)帶來(lái)安裝成本增加、安全性以及在某些特定環(huán)境下線纜操作不具備便利性等難題。此外，有線連接需要很多連接件，而這些連接件可能由于震動(dòng)環(huán)境等因素，或頻繁接入相鄰的設(shè)備變得接觸不良或受損。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)分支，能夠不使用有線連接的方式，使傳感器和驅(qū)動(dòng)器之間建立連接。相較有線網(wǎng)絡(luò)，它主要有以下三大優(yōu)勢(shì)：

• 更低的傳感器安裝成本。傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)安裝，例如一個(gè)工業(yè)壓力傳感器，可能只需要花幾百塊錢(qián)，但是把它連接起來(lái)，需要加上人工、布線、測(cè)試以及驗(yàn)證的成本可能要比傳感器的價(jià)格要貴得多。

• 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)形成了更底層的智能維護(hù)系統(tǒng)，使得在傳感器密集的環(huán)境下能夠獲取大量可用于改進(jìn)工業(yè)流程的數(shù)據(jù)，可以有效降低有線網(wǎng)絡(luò)所導(dǎo)致的復(fù)雜性難題。

• 可移動(dòng)性是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相較有線連接的另一大優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵谝恍┻\(yùn)動(dòng)的機(jī)器內(nèi)部，如果內(nèi)部傳感器只與特定設(shè)備通信，有線連接就很難實(shí)現(xiàn)。

下圖是ADI公司的SmartMesh解決方案示例，作為業(yè)界功耗較低并且最可靠的基于標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，SmartMesh能幫助客戶更容易的開(kāi)發(fā)出更可靠的嵌入SoC。例如在信號(hào)鏈中數(shù)據(jù)完整性十分關(guān)鍵，如果通信不一致、丟失或損壞，優(yōu)化檢測(cè)和測(cè)量的數(shù)據(jù)幾乎沒(méi)有價(jià)值。此外，存在電氣噪聲的工業(yè)環(huán)境可能十分惡劣和艱苦，尤其是在存有大量金屬物體情況下進(jìn)行射頻通信，因此必須在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)期間預(yù)先設(shè)計(jì)魯棒的通信協(xié)議，SmartMesh無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)大于99.999%的數(shù)據(jù)可靠性，非常有效的解決了數(shù)據(jù)通信的可靠性。ADI不僅需要確保邊緣節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)安全無(wú)慮，還必須確保其對(duì)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的訪問(wèn)免受惡意攻擊，決不允許仿冒邊緣節(jié)點(diǎn)來(lái)獲取網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)以進(jìn)行不法活動(dòng)，SmartMesh無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有加密、身份驗(yàn)證和消息完整性檢查功能，保證無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的安全性。

ADI SmartMesh無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

SmartMesh網(wǎng)絡(luò)由高度可擴(kuò)展的自成形多躍點(diǎn)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格和網(wǎng)絡(luò)管理器構(gòu)成，這些節(jié)點(diǎn)稱為智能微塵，用于收集和中繼數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)管理器用于監(jiān)控和管理網(wǎng)絡(luò)性能和安全，并與主機(jī)應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)。值得一提的是，SmartMesh還是一個(gè)時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)，可以做到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間精確同步。憑借以上特性，部署與維護(hù)便利的SmartMesh正在成為更多工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)連接補(bǔ)充選項(xiàng)，目前已經(jīng)被應(yīng)用于全球工業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)領(lǐng)域。

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景應(yīng)用

ADI提供的2.4 GHz頻段的SmartMesh lP網(wǎng)絡(luò)具有典型的代表性，使得在最具挑戰(zhàn)性的工作環(huán)境中部署無(wú)線網(wǎng)絡(luò)變得實(shí)際可行，包括苛刻的射頻環(huán)境，數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)在彼此的無(wú)線電射程內(nèi)工作的密集部署場(chǎng)景，正在成為更多工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)連接補(bǔ)充選項(xiàng)，已應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、環(huán)境監(jiān)測(cè)與智能交通等多個(gè)領(lǐng)域。

• 無(wú)線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

飲料生產(chǎn)、制****廠、廢水處理廠等多個(gè)行業(yè)都依靠水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)重要水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量和控制。通常整個(gè)加工廠中如果部署單獨(dú)的有線傳感器，現(xiàn)場(chǎng)傳感器則需要經(jīng)常清洗、校準(zhǔn)和更換。

采用新的測(cè)量和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高可靠性的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將ADI ADuCM355通用傳感器接口功能與SmartMesh IP技術(shù)可靠性相結(jié)合，就可構(gòu)成穩(wěn)健的低功耗無(wú)線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，專用于水質(zhì)指標(biāo)pH值的測(cè)量，將該原理輕松擴(kuò)展到其他電化學(xué)參數(shù)，還可以針對(duì)每個(gè)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)形成一系列水質(zhì)測(cè)量。

PH傳感器連接到ADuCM355和SmartMesh無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)

• 交通基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)

ADI作為為數(shù)不多的幾家同時(shí)擁有多軸加速度計(jì)、陀螺儀及慣性測(cè)量單元的半導(dǎo)體廠商之一，除了能夠結(jié)合精密校準(zhǔn)、傳感器濾波和融合，在智能駕駛高精度地圖及導(dǎo)航中起到關(guān)鍵作用之外，也曾在業(yè)界展會(huì)上展示了利用MEMS傳感器與SmartMesh IP相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施健康狀況的監(jiān)測(cè)。

例如通過(guò)沿著跑道布置極低功耗的沖擊傳感器ADXL372，用來(lái)檢測(cè)車輛何時(shí)撞上跑道周圍的護(hù)欄。利用ADXL372與SmartMesh IP相結(jié)合的監(jiān)測(cè)方案，一旦車輛撞擊到護(hù)欄，市政工作人員就能在第一時(shí)間收到通知并在短時(shí)間內(nèi)更換被撞壞的護(hù)欄，這就極大加快了道路車輛撞擊事故的處理速度。

• 電動(dòng)汽車無(wú)線BMS（wBMS）

目前，汽車BMS系統(tǒng)按通信方式可分為有線BMS與無(wú)線BMS。有線BMS系統(tǒng)是通過(guò)CAN總線或iosSPI總線作為菊花鏈形式，將電池組、從控芯片與主控芯片連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)傳輸；無(wú)線BMS系統(tǒng)則是通過(guò)無(wú)線組網(wǎng)的形式，將電池組、從控芯片與主控芯片連接，通過(guò)無(wú)線通信完成電池組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸。 

ADI的wBMS系統(tǒng)示意圖 

ADI電動(dòng)汽車無(wú)線BMS系統(tǒng)解決方案便是利用SmartMesh實(shí)現(xiàn)電池狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，由于SmartMesh采用了自適應(yīng)隨機(jī)跳頻技術(shù)，當(dāng)系統(tǒng)識(shí)別到當(dāng)前通訊頻段出現(xiàn)干擾時(shí)，wBMS系統(tǒng)中的無(wú)線主節(jié)點(diǎn)芯片就會(huì)判斷下一個(gè)時(shí)間窗口的通訊頻段（非固定頻段順序），并在判斷好后會(huì)通知從節(jié)點(diǎn)芯片，這樣兩個(gè)芯片就同時(shí)自動(dòng)改變到不受干擾的頻段，從而避免了干擾。并且，整個(gè)過(guò)程系統(tǒng)可以進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，通過(guò)算法識(shí)別出高堵塞的信道，能夠主動(dòng)降低該信道的占有率。

此外，ADI的SmartMesh網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)使用的是時(shí)間同步通道跳變(TSCH)鏈路層進(jìn)行通信，網(wǎng)絡(luò)中的終端可以在數(shù)微秒內(nèi)進(jìn)行同步，網(wǎng)絡(luò)通信被組織成時(shí)隙，可以實(shí)現(xiàn)低功耗分組交換、成對(duì)通道跳變和全路徑分集。并且，每個(gè)器件都有冗余的路徑以克服由于干擾、物理遮擋或多徑衰落導(dǎo)致的通信中斷。如果一個(gè)路徑上的數(shù)據(jù)包傳輸失敗，智能微塵會(huì)自動(dòng)在下一個(gè)可用路徑和不同射頻通道上重試。