如何利用低功耗节点搭建可托管且可扩展的长距离网络的方法分析

目前，借助于多种不同的无线技术，将低功耗节点连接至互联网已经成为可能。在所有的无线技术中，利用Sub-1 GHz波段进行通信能够在系统总成本和复杂度更低的情况下实现最远的范围。同时，Sub-1 GHz更加适合用于例如办公室、楼宇和家庭等室内环境，并且拥有最低的功耗。但是，如果要释放物联网（IoT）的全部潜能，仅仅创建一条连接节点和互联网的链路是远远不够的。

用于诊断和自动化的云端管理系统需要仅仅有条的控制大量传感器。而工厂、楼宇和零售业的中央服务器必须实现大规模的程序管理和自动化，以减少维护费用。

在家中的消费者需要一个类似于安防系统告警面板的中央枢纽，以保证各种低功耗传感器和节点的数据通信流保持协调一致，同时随时可以连接至互联网。

无线连接作为IoT的一种解决方案，能够满足系统部署对于大量（从数十个到数百个）“鲜活”节点的需求。这也意味着定义技术的目的在于识别不同场景中节点所传输的数据类型。

那么，我们如何才能充分利用Sub-1 GHz作为无线通信链路时带来的巨大优势，并实现这一潜能，同时将其改造成一个连通性“系统”解决方案呢？

•我们需要提供一个网络基础设施，以确保能够轻松搭建和维护大量节点，并保证通信安全。所有的节点必须搜索可连接的网络，并且利用此网络进行通信。它们的角色和服务必须随着时间的迁移而扩展，同时保持链路的维护。

•我们必须保证节点在传输和接收数据时的可靠通性，并且充分利用传输空间，以避免数据通信阻塞和网络失效，造成不好的用户体验或影响节点自身的电池使用寿命。

•在各种各样的场景下，我们需要能够服务不同类型的流量规格。例如在像诊断系统等普通传感器网络中，数据会被报告给一个中央枢纽。而另一方面，在诸如零售网络中，大部分数据将会被发送至外设，比如零售服务器向终端发送更新后的定价信息。

•在满足以上条件的同时还必须保持低功耗运行，当节点不处于数据通信状态时进入睡眠模式。不过，寻求最佳功耗还意味着尽可能降低传输和接收的“启动”时间，并且在激活的模式下使用最少的电量。

•最后，我们必须能够通过IP与互联网连接实现Sub-1 GHz网络内的本地数据通信。

现在，设计人员在试图满足所有上述要求时所面临的设计挑战均可以由全新的TI 15.4 Stack软件解决方案解决。TI所开发的这款软件为IoT提供了真正的应用型Sub-1 GHz连接解决方案。

图1：全新TI 15.4 Stack是一款标准的Sub-1 GHz无线网络解决方案

TI 15.4 Stack是一款在SimpleLink Sub-1 GHz CC1310无线微控制器（MCU）上运行的软件开发套件（SDK）。基于久经验证的IEEE 802.15.4标准，其能够执行Sub-1 GHz波段在北美和欧洲运行技术规格的‘g’修订版（分别由FCC和ETSI制定）。

IEEE 802.15.4标准被用作目前市面上很多常见网络互连标准的数据链路层，例如6LoWPAN、Wi-SUN、ZigBee、Thread和WHART等。由于诸如空中调停（通过CSMA-CA实现）、接受、重传以及内置AES安全性等特性，其保障了无线基础的稳定。

为了提升链路的鲁棒性和可靠性，TI开发出一个针对U.S. FCC波段的跳频机制。这个机制依赖于Wi-Sun FAN标准，而TI对其进行了低功耗运行的优化。由于链路的鲁棒性能够提供更低的数据延迟和低功耗节能（避免了重传），应用可以直接从中受益。

TI 15.4 Stack软件可被配置为异步或同步运行模式，一方面用于电池供电类传感器的运行，另一方面还能支持具有低功耗节点的接收协同下行链路流量运行，从而满足了不同应用类型的需求。

此外， TI 15.4 Stack软件基于TI-RTOS的基础，并配备了整套针对传感器和采集器设备的应用示例。这两个应用都拥有一个基于802.15.4标准运行的逻辑链路控制器模块，包含网络和器件管理程序。

这为使用软件的用户提供了一个完整的参考解决方案，能够解决构建可托管低功耗网络时所遇到的设计挑战。TI 15.4 Stack软件能够基于选定的配置，支持从10s至100s的器件部署。

TI 15.4 Stack软件还包括一个基于Linux的网关软件，能够执行本地网络控制器和采集器应用。通过网关软件，由Sub-1 GHz外设节点输入的数据能够在网络浏览器界面中进行监控和激活。

这款全新的软件基于TI低功耗开发平台设计，包括TI SimpleLink CC1310 LaunchPad 开发套件和Sitara AM335x处理器BeagleBone Black开发板。凭借BoosterPack 的开发套件生态系统和插入式模块以及TI-RTOS框架的支持，用户能够轻松实现应用的扩展。

使用窄频带调制能够在外部晶体成本有限的情况下获得最佳的灵敏性和抗扰度，TI 15.4 Stack软件释放了Sub-1 GHz无线在IoT中的所有优势。

通过提供一个用于低功耗托管网络的完全参考系统解决方案，用户可以将Sub-1 GHz无线功能性轻松集成到他们现有的网络中。

现在，创建包含大量低功率节点、覆盖整幢建筑、整个房屋或停车场区域的网络应用已经不仅仅是一个无线技术专家的任务。