可靠、低功耗无线传感器网络适用于物联网: 使无线传感器像网络服务器一样易于使用

物联网革命近在咫尺，到 2020 年，全世界将有超过 300 亿个互联物体。在世界人口不断增加、资源变得越来越宝贵之际，这种互联有望提供真实世界的数据，以促进效率提高，简化业务实践。

随着互联网协议 (IP) 得到广泛采用，处理数据和充分利用信息变得越来越容易了。《财富》500 强公司为数据存储提供企业及数据库解决方案，并提供软件工具，以简化资产跟踪、过程控制系统和楼宇管理系统 (参见图 1) 等业务流程。智能手机和平板电脑为人们提供了非常有用的信息，例如提供实时停车信息，或者实时提供有关机器健康状况的监视信息，以制定维修计划。迄今为止已经部署了许多无线传感器，但是为了测量和优化以前未曾涉及的流程，仍然急需更多的传感器来提供数据。

图 1：可靠、低功耗 IP 无线传感器网络将得到广泛使用

为了进一步扩大传感器部署规模，正在进行有关 IP 标准的制定工作，目标是使小型无线传感器像网络服务器一样易于使用。在标准制定工作的背后有两股推动力：其一是，公认的低功耗、时间同步化网格网络的高度可靠性能；其二是，正在进行的 IP 标准制定工作可实现无线传感器网络与互联网的无缝集成。这两股力量合二为一，将有效促进小型、低功耗传感器的可靠通信，并使这类传感器最终能够支持 IP。

无线传感器网络带来的挑战

无线从本质上来说是不可靠的，因此重要的是了解不可靠性的来源，以在通信系统中解决不可靠性问题。在低功耗无线网络中，不可靠性的主要来源是外部干扰和多径衰落。当外部信号 (例如 WiFi 信号) 暂时妨碍两个无线电系统通信时，就会发生干扰。这就需要它们重新发送信号，因此会消耗更多功率。当无线信号遇到邻近发送器中的物体而弹回时，就会发生多径衰落，而且各种回波都会对接收器天线造成破坏性干扰。这现象是设备位置、所用频率以及周围环境的函数。因为任何无线系统周围的环境都随时间而变化，所以在无线系统运行寿命期内，任一 RF 频道都会遇到问题。不过，多经衰落是受频率影响。因此，尽管某个频率可能遇到了问题，但是仍然会有其他 RF 频道在正常工作。由于干扰和多径衰落，因此建立可靠无线系统的关键是，在不牺牲低功耗工作这一优点的同时，实现通道和路径多样化。Dust Networks (现在是凌力尔特公司的一个业务部) 率先提供了这样的系统，该系统采用时间同步、通道跳频网格网络技术。

时间同步、通道跳频网格网络

在时间同步化通道跳频网格网络中，多跳网络上的所有无线节点都同步至几十微秒时间之内，而且时间被分成时隙。通信通过一个时间表来协调，该时间表指示每个节点在每个时隙中该做什么 (发送、接收、休眠)。因为它们都是同步的，所以仅当通信时，这些节点才接通其无线电，从而极大地降低了无线电占空比 (常见占空比 <1%)，并延长了电池的寿命。此外，因为该时间表可以灵活设定，所以网络始终可供应用使用，不像其他“休眠”网络架构，需要彻底关断网络很长时间。两个节点之间发送的所有数据包都在以伪随机跳频方式计算出来的频率上传送。所产生的频率多样化是一种有效抵抗干扰和多径衰落的方式。时间同步化网格网络可实现长达 10 年的电池寿命和 >99.999% 的端到端可靠性。

时间同步化网格网络取得了成功

近几年，时间同步化通道跳频网格网络已经得到了广泛应用。2004 年，Dust Networks 首次推出了 SmartMesh® 系统，工业过程是最早采用该系统的领域之一。

有些工业应用的运行环境堪称最为严酷，同时对数据完整性又有最为严格的要求，如果能保证这么高的数据完整性，就能极大地提高工业设备的效率、生产率和安全性。因为传统的有线工业传感器安装费用高昂，所以在工厂中一般仅对少量可能的测量点进行测量。尽管这为无线传感器在工业应用中的使用创造了极大的需求，但是传统点到点无线系统缺乏所需的可靠性，而且难以安装，从而限制了无线系统在小型和隔离应用中的使用。

随着时间同步化网格网络的推出，无线系统可提供通常仅有线系统才能提供的可靠性，因此低功耗无线系统的应用变成了现实。低功耗无线系统通过工业标准 IEC62591 (也称为 WirelessHART) 实现了标准化，使工业过程市场上的设备实现了互操作性。大部分大型工业制造商 (例如 Emerson Process、西门子、ABB、Endress & Hauser、Pepperl & Fuchs 和 Phoenix Contact) 都在交付 Wireless HART 产品。如今，SmartMesh 网络已经得到广泛使用，在全球 120 多个国家部署了 3 万多个网络，提高了各种场所的安全性和效率，包括钢铁厂和炼油厂、偏远的油田和海上钻井平台、以及食品和饮料厂 (注1)。

除工业过程领域，SmartMesh 系统也成功地部署在数据中心和商用写字楼中，用以优化空调费用 (注2)。Streetline Networks (注3) 是一家智能停车服务供应商，实时监视城区停车位的可用情况 (参见图 2)。车辆检测器安装在停车位下方、车道的路面内。这带来了挑战，因为传感器设备的天线位于地下，而且当停车位被占用时，又被金属车体覆盖着。这样的应用以前被认为是不可能或不实际的，现在则可用时间同步化通道跳频网格网络来实现。

图 2：Streetline Networks部署了时间同步化通道跳频网络以改善类似美国加州好莱坞城区的停车条件。

基于标准的环境

在网络技术中，标准发挥着重要作用，因为最终用户拥护基于标准开发的解决方案。一项技术如果由重要标准化组织开发并核准，用户就有信心使用。WirelessHART / IEC62591 是工业过程领域的标准，在这个市场以外，互联网协议 (IP) 是通信标准。

连接到互联网上的所有设备都利用 IP 相互通信。每个设备都获得一个 IP 地址，该地址在互联网上明白无误地代表该设备。所交换的数据包包含一个 IP 头标以及一系列字节 (建立该数据包的设备之地址编码和目的设备的地址编码)。形成一个协议栈还需要其他许多协议 (TCP、HTTP … 等)，但 IP 协议是共同点。用 IP 协议将低功耗网格网络设备连接至互联网，为促进物联网发展做出了一大贡献。

若干标准化组织为物联网 (参见图 3) 制定了标准。挑战是要与互联网实现全面集成，同时纳入公认的时间同步化通道跳频网格网络的技术。今天的互联网使用之大多数协议都是由互联网工程任务组 (IETF) 制定的，该标准化组织的 CoRE 工作组已经制定了应用层协议 CoAP (Constrained Application Protocol)。CoAP 在 UDP 协议之上运行，而且非常容易转换到 HTTP，以使无线传感器节点实现类似网络的互动。6LoWPAN 工作组制定了一个 IP 适配层协议，该协议将 IP 数据包的大型头标压缩成小型无线帧或数据包，使传感器节点能够通过 IP 地址单独寻址。尽管这些上层协议实现了类似网络的互动以及与互联网的集成，但是决定无线传感器网络通信质量的是这些上层协议之下的那些协议层。

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图 3：用于低功耗、可靠无线传感器网络的 IP 协议栈

IETF 制定的标准一般运行在遵循 IEEE802.15.4 标准的无线芯片上。IEEE802.15.4 在数据传送速率 (250kbps)、范围 (10 至 100 米)、功耗 (发送或接收时为 5mA 至 20mA ) 和数据包大小 (高达 127 字节) 之间进行了健康的权衡。这种权衡使 IEEE802.15.4 非常适用于低功耗网格网络技术，因此该标准已经成为这类网络链接技术的事实标准。

2012 年，IEEE 公布了可运行在 IEEE802.15.4 兼容型无线电上之新介质访问标准 IEEE802.15.4e。其时隙通道跳频 (TSCH) 模式纳入了 Dust Networks 的时间同步化网格协议，以实现精确的时隙同步和 RF 通道跳频。

尽管 IEEE802.15.4e 定义了两个节点实现同步数据包传送的机制，但是它没有定义怎样给每个节点分配时间表。该通信时间表使 TSCH 网络能够灵活匹配网络节点之间的通信需求 (参见图 4)。例如，一个网络可以配置为低数据传送速率和极低功耗的小型网络，就像远程环境监视应用中常见的那样。同样的网络还可以配置为大型网络，为更快的数据传送速率而优化。此外，自动分配但灵活的时间表使 TSCH 网络能够适应周围环境。尤其是，通过调度可以实现自愈、路由优化和负载均衡等网络功能，这些网络功能对于在网络寿命期内提供高性能是至关重要的。建立和分配 TSCH 时间表的解决方案可以开发出来，但是在标准出台之前，这类解决方案不可能实现无线传送的互操作性。

图 4：诸如凌力尔特公司的 LTP5901-IPM 等基于 TSCH 的小型无线节点以 >99.999% 的数据可靠性提供 5 至 10 年的电池寿命。

不过，上述情况随着在 IETF 的新标准化工作之开展而发生了变化，该标准又称为 6TSCH (Deterministic IPv6 over IEEE802.15.4e Time Slotted Channel Hopping - 注4)。这项标准化工作由凌力尔特和思科系统公司联合领导，将制定目前缺少的通信协议，以使 TSCH 时间表能够通过调度实体加以管理。

6TSCH 可填补 IP 协议栈中尚存的空白，将实现完全标准化、可互操作、基于 IP 的无线传感器网络，提供通常仅有线传感器网络才能提供的高可靠性。网络开发人员通过向传感器的 IP 地址发送网络请求，将能够实时获得传感器数据，而且下层的无线传感器网络将以 >99.999% 的数据可靠性支持这类通信。通过使传感器像网络服务器一样易于访问，无线传感器网络将能够向物联网馈送真实世界的信息。

注:
1. www2.emersonprocess.com/en-US/plantweb/wireless/applications/Pages/Wireless-Applications.aspx
2. Vigilent -
3.
4.