Joy Weiss，總裁

Ross Yu，產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理

Jonathan Simon，系統工程總監

Dust Networks 產(chǎn)品組

凌力爾特公司

低功率無(wú)線(xiàn)技術(shù)正在大幅降低傳統有線(xiàn)感測系統的成本，并為傳感器網(wǎng)絡(luò )提供采用導線(xiàn)完全無(wú)法實(shí)現的全新可能性。低功率無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò ) (WSN) 標準，特別是采用時(shí)間同步通道跳頻 (TSCH) 的網(wǎng)格架構，可使網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)節點(diǎn)依靠電池或收集能量來(lái)運行，并不會(huì )犧牲可靠性或數據吞吐量。這使得應用開(kāi)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，而是應用需要傳感器數據的任何地方。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)，旨在為應用開(kāi)發(fā)人員部署那些要求盡量少 (如果有的話(huà)) 更換電池的系統提供更多的機會(huì )，從而進(jìn)一步降低了部署無(wú)線(xiàn)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 最近所做的一項研究表明：對于工業(yè)客戶(hù)而言，WSN 最至關(guān)重要的兩個(gè)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(wèn)題，那么成本還不是客戶(hù)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(shí)隙 (time slotting)、通道跳頻與超低功率無(wú)線(xiàn)電電路的組合實(shí)現了功率最低、可靠性最高的 WSN。這種對于低功率的關(guān)注使得所有的節點(diǎn)均可依靠低成本電池運行多年，而且為使用多種能量源 (包括能量收集電源) 開(kāi)啟了可能性。

低功率無(wú)線(xiàn)電

IEEE 802.15.4 標準的推出為 WSN 創(chuàng )立了一種卓越的無(wú)線(xiàn)電平臺。IEEE 802.15.4 定義了一個(gè) 2.4GHz、16 通道擴頻低功率物理 (PHY) 層，很多 IoT 技術(shù)均基于該物理層而構建，包括 ZigBee 和 WirelessHART。另外，該標準還定義了一個(gè)媒體接入控制 (MAC) 層，其一直是 ZigBee 技術(shù)的基礎。然而，該 MAC 的單通道性質(zhì)使其可靠性變得不可預知。為了提高可靠性，WirelessHART 協(xié)議 (也被稱(chēng)為 IEC62591) 定義了一個(gè)基于 15.4 MAC 的多通道鏈路層以實(shí)現高可靠性 (>99.9%)，這是工業(yè) WSN 應用所要求的。2012 年初，802.15.4 MAC 的一種新版本 (稱(chēng)為 802.15.4e) 正式獲批，該 MAC 體現了多通道網(wǎng)格和分時(shí)隙。符合 802.15.4 標準之無(wú)線(xiàn)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。在 0dBm 時(shí)的同類(lèi)最佳發(fā)送電流為 5.4mA，而同類(lèi)最佳之接收電流為 4.5mA (基于凌力爾特的 LTC5800)。

時(shí)間同步可實(shí)現節能和通道跳頻

原始 802.15.4 MAC 要求網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )中負責傳送來(lái)自相鄰節點(diǎn)之信息的節點(diǎn)始終保持接通，而那些僅發(fā)送 / 接收其自身數據的節點(diǎn) (常被稱(chēng)為 “精簡(jiǎn)功能設備”) 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(gè)節點(diǎn)均為低功率，必須安排節點(diǎn)之間的通信，而且在網(wǎng)絡(luò )中必需具有一種時(shí)間的共享感。同步越嚴密，路由節點(diǎn)無(wú)線(xiàn)電裝置必須處于 “導通” 狀態(tài)的時(shí)間就越短，從而最大限度地降低功耗。業(yè)界最佳的 TSCH 系統能夠把一個(gè)多跳網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )中的所有節點(diǎn)同步至幾十微秒之內。一旦在網(wǎng)絡(luò )中擁有了準確時(shí)間的共享感，以及用于網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)之間成對傳輸的時(shí)隙明細表，即可將通道分配納入該明細表，由此啟用通道跳頻。

通道跳頻減輕了干擾和多徑衰落

無(wú)線(xiàn)通道在本質(zhì)上就是不可靠的，而且諸多現象會(huì )阻止已傳輸的數據包到達接收器；而當無(wú)線(xiàn)電功率下降時(shí)此類(lèi)狀況會(huì )進(jìn)一步惡化。當多個(gè)發(fā)送器通過(guò)相同的頻率同時(shí)傳送數據時(shí)，將出現干擾。假如它們彼此聽(tīng)不見(jiàn)，然而接收器卻能夠聽(tīng)見(jiàn)所有的發(fā)送器，這就特別成問(wèn)題了 (“隱性終端問(wèn)題”)。后退、重傳和確認機理是解決沖突所必需的。干擾可能來(lái)自網(wǎng)絡(luò )內部、或者另一個(gè)工作在相同無(wú)線(xiàn)電空間中的類(lèi)似網(wǎng)絡(luò )、抑或是某種工作于同頻段的不同無(wú)線(xiàn)電技術(shù) (這在 WiFi、Bluetooth 和 802.15.4 共用的 2.4GHz 頻段中是常見(jiàn)的現象)。

第二種不可預知的現象 (被稱(chēng)為 “多徑衰落”) 會(huì )阻止傳輸的成功完成，即使在預期視線(xiàn)鏈路余量充足的情況下也不例外。當傳輸信號的多個(gè) “副本” 被環(huán)境中的物體 (天花板、門(mén)、人 … 等等) 反彈，且每個(gè)反射副本傳播的距離不同時(shí)，將發(fā)生這種現象。當產(chǎn)生破壞性的干擾時(shí)，20dB 至 30dB 的衰落是司空見(jiàn)慣的。多徑衰落取決于傳輸頻率、設備位置、以及每一個(gè)鄰近的物體；要想預知它幾乎是不可能的。圖 2 示出了 26 天時(shí)間里在介于兩個(gè)工業(yè)傳感器之間的單個(gè)無(wú)線(xiàn)通路上的數據包遞交率 (針對系統所使用的 16 個(gè)通道中的每一個(gè))。

圖 2：在 26 天時(shí)間里于 16 個(gè)通道上的數據包遞交率

通過(guò)實(shí)施時(shí)間同步和把網(wǎng)絡(luò )劃分為時(shí)隙的時(shí)間安排，可在特定的已知通道上精確地編排傳輸的時(shí)間表，而且通道的選擇可以隨著(zhù)每個(gè)傳輸而改變。此外，安排網(wǎng)絡(luò )傳輸還解決了 “隱性終端問(wèn)題”，并幾乎消除了網(wǎng)絡(luò )內的沖突。這樣一種機理在超過(guò) 10,000 個(gè) WirelessHART 網(wǎng)絡(luò )中進(jìn)行了現場(chǎng)實(shí)地驗證，通�？蓪�(shí)現持續多年的電池使用壽命和 >99.9% 的可靠性。

能量收集考慮

一旦適當地盡量降低了 WSN 的功率要求，那么電源的選擇面就變寬了。環(huán)境能量無(wú)處不在：光、振動(dòng)和熱量只不過(guò)是幾個(gè)例子而已，它們可以大量地免費供應并被轉換為充足的電能以運行一個(gè)低功率 TSCH WSN。下面的例子說(shuō)明了一些可產(chǎn)生超過(guò) 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行 802.15.4e 網(wǎng)絡(luò ) (例如：Dust Networks 的 SmartMesh IP™) 中一個(gè)典型的 IPv6 路由節點(diǎn)。

照明

標準辦公大樓的大多數區域都具備可運行一個(gè)低功率 TSCH WSN 的充足室內照明。根據美國聯(lián)邦事務(wù)服務(wù)管理總局 (其負責制定美國公共建筑的指導準則) 提供的信息，諸如工作站和閱讀區等亮度較高的區域擁有 500 lux 的照度。即使在如大堂、樓梯間以及機械和通信室等被認為是 “正常照明” 的區域中，照度至少也有 200 lux，而大部分會(huì )議室的照度則普遍達到了 300 lux。憑借 200 lux 至 300 lux 的照度，有許多室內小型光伏電池可用來(lái)提供充足的功率以運作 802.15.4e TSCH 網(wǎng)絡(luò )中的一個(gè) IPv6 路由器。

熱能

熱電發(fā)生器 (TEG) 利用來(lái)自熾熱表面的熱耗散來(lái)產(chǎn)生電能，比如：來(lái)自一般被認為熱哄哄的常用設備 (例如：計算機監視器或大電流電機) 的廢熱。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)解決方案電源效率的日益提高，利用小到 10°C 的常見(jiàn)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 轉換器將之轉換至一個(gè)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(shí)使用，因此能夠大幅度地延長(cháng)電池壽命。

結語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現是通過(guò)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(hù)和開(kāi)發(fā)人員之類(lèi)的群體而言，低功率的可靠無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )將轉化為無(wú)導線(xiàn)和無(wú)擔憂(yōu)的設計。時(shí)間同步的分時(shí)隙多通道系統把對客戶(hù)至關(guān)緊要的好處賦予了 WSN：可靠性及網(wǎng)絡(luò )的低功率運作。WirelessHART 和 802.15.4e 標準是這種網(wǎng)絡(luò )方案的絕佳體現。低功率運作可確保電源選擇的極大靈活性，并提供了實(shí)現永久供電的可能性。所有這些因素累加起來(lái)將使 IoT 更加簡(jiǎn)易和實(shí)用。