可靠、低功耗無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )適用于物聯(lián)網(wǎng): 使無(wú)線(xiàn)傳感器像網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器一樣易于使用

物聯(lián)網(wǎng)革命近在咫尺，到 2020 年，全世界將有超過(guò) 300  億個(gè)互聯(lián)物體。在世界人口不斷增加、資源變得越來(lái)越寶貴之際，這種互聯(lián)有望提供真實(shí)世界的數據，以促進(jìn)效率提高，簡(jiǎn)化業(yè)務(wù)實(shí)踐。

隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 得到廣泛采用，處理數據和充分利用信息變得越來(lái)越容易了?！敦敻弧?00  強公司為數據存儲提供企業(yè)及數據庫解決方案，并提供軟件工具，以簡(jiǎn)化資產(chǎn)跟蹤、過(guò)程控制系統和樓宇管理系統 (參見(jiàn)圖 1)  等業(yè)務(wù)流程。智能手機和平板電腦為人們提供了非常有用的信息，例如提供實(shí)時(shí)停車(chē)信息，或者實(shí)時(shí)提供有關(guān)機器健康狀況的監視信息，以制定維修計劃。迄今為止已經(jīng)部署了許多無(wú)線(xiàn)傳感器，但是為了測量和優(yōu)化以前未曾涉及的流程，仍然急需更多的傳感器來(lái)提供數據。

圖 1：可靠、低功耗 IP 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )將得到廣泛使用

為了進(jìn)一步擴大傳感器部署規模，正在進(jìn)行有關(guān) IP  標準的制定工作，目標是使小型無(wú)線(xiàn)傳感器像網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器一樣易于使用。在標準制定工作的背后有兩股推動(dòng)力：其一是，公認的低功耗、時(shí)間同步化網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )的高度可靠性能;其二是，正在進(jìn)行的  IP 標準制定工作可實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與互聯(lián)網(wǎng)的無(wú)縫集成。這兩股力量合二為一，將有效促進(jìn)小型、低功耗傳感器的可靠通信，并使這類(lèi)傳感器最終能夠支持 IP。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)的挑戰

無(wú)線(xiàn)從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是不可靠的，因此重要的是了解不可靠性的來(lái)源，以在通信系統中解決不可靠性問(wèn)題。在低功耗無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，不可靠性的主要來(lái)源是外部干擾和多徑衰落。當外部信號  (例如 WiFi 信號)  暫時(shí)妨礙兩個(gè)無(wú)線(xiàn)電系統通信時(shí)，就會(huì )發(fā)生干擾。這就需要它們重新發(fā)送信號，因此會(huì )消耗更多功率。當無(wú)線(xiàn)信號遇到鄰近發(fā)送器中的物體而彈回時(shí)，就會(huì )發(fā)生多徑衰落，而且各種回波都會(huì )對接收器天線(xiàn)造成破壞性干擾。這現象是設備位置、所用頻率以及周?chē)h(huán)境的函數。因為任何無(wú)線(xiàn)系統周?chē)沫h(huán)境都隨時(shí)間而變化，所以在無(wú)線(xiàn)系統運行壽命期內，任一  RF 頻道都會(huì )遇到問(wèn)題。不過(guò)，多經(jīng)衰落是受頻率影響。因此，盡管某個(gè)頻率可能遇到了問(wèn)題，但是仍然會(huì )有其他 RF  頻道在正常工作。由于干擾和多徑衰落，因此建立可靠無(wú)線(xiàn)系統的關(guān)鍵是，在不犧牲低功耗工作這一優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，實(shí)現通道和路徑多樣化。Dust Networks  (現在是凌力爾特公司的一個(gè)業(yè)務(wù)部) 率先提供了這樣的系統，該系統采用時(shí)間同步、通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。

時(shí)間同步、通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )

在時(shí)間同步化通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )中，多跳網(wǎng)絡(luò )上的所有無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)都同步至幾十微秒時(shí)間之內，而且時(shí)間被分成時(shí)隙。通信通過(guò)一個(gè)時(shí)間表來(lái)協(xié)調，該時(shí)間表指示每個(gè)節點(diǎn)在每個(gè)時(shí)隙中該做什么  (發(fā)送、接收、休眠)。因為它們都是同步的，所以?xún)H當通信時(shí)，這些節點(diǎn)才接通其無(wú)線(xiàn)電，從而極大地降低了無(wú)線(xiàn)電占空比 (常見(jiàn)占空比  1%)，并延長(cháng)了電池的壽命。此外，因為該時(shí)間表可以靈活設定，所以網(wǎng)絡(luò )始終可供應用使用，不像其他“休眠”網(wǎng)絡(luò )架構，需要徹底關(guān)斷網(wǎng)絡(luò )很長(cháng)時(shí)間。兩個(gè)節點(diǎn)之間發(fā)送的所有數據包都在以偽隨機跳頻方式計算出來(lái)的頻率上傳送。所產(chǎn)生的頻率多樣化是一種有效抵抗干擾和多徑衰落的方式。時(shí)間同步化網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )可實(shí)現長(cháng)達  10 年的電池壽命和 >99.999% 的端到端可靠性。

時(shí)間同步化網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )取得了成功

近幾年，時(shí)間同步化通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)得到了廣泛應用。2004 年，Dust Networks 首次推出了 SmartMesh?  系統，工業(yè)過(guò)程是最早采用該系統的領(lǐng)域之一。

有些工業(yè)應用的運行環(huán)境堪稱(chēng)最為嚴酷，同時(shí)對數據完整性又有最為嚴格的要求，如果能保證這么高的數據完整性，就能極大地提高工業(yè)設備的效率、生產(chǎn)率和安全性。因為傳統的有線(xiàn)工業(yè)傳感器安裝費用高昂，所以在工廠(chǎng)中一般僅對少量可能的測量點(diǎn)進(jìn)行測量。盡管這為無(wú)線(xiàn)傳感器在工業(yè)應用中的使用創(chuàng )造了極大的需求，但是傳統點(diǎn)到點(diǎn)無(wú)線(xiàn)系統缺乏所需的可靠性，而且難以安裝，從而限制了無(wú)線(xiàn)系統在小型和隔離應用中的使用。

隨著(zhù)時(shí)間同步化網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )的推出，無(wú)線(xiàn)系統可提供通常僅有線(xiàn)系統才能提供的可靠性，因此低功耗無(wú)線(xiàn)系統的應用變成了現實(shí)。低功耗無(wú)線(xiàn)系統通過(guò)工業(yè)標準  IEC62591 (也稱(chēng)為 WirelessHART) 實(shí)現了標準化，使工業(yè)過(guò)程市場(chǎng)上的設備實(shí)現了互操作性。大部分大型工業(yè)制造商 (例如 Emerson  Process、西門(mén)子、ABB、Endress  Hauser、Pepperl  Fuchs 和 Phoenix Contact) 都在交付  Wireless HART 產(chǎn)品。如今，SmartMesh 網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)得到廣泛使用，在全球 120 多個(gè)國家部署了 3  萬(wàn)多個(gè)網(wǎng)絡(luò )，提高了各種場(chǎng)所的安全性和效率，包括鋼鐵廠(chǎng)和煉油廠(chǎng)、偏遠的油田和海上鉆井平臺、以及食品和飲料廠(chǎng) (注1)。

除工業(yè)過(guò)程領(lǐng)域，SmartMesh 系統也成功地部署在數據中心和商用寫(xiě)字樓中，用以?xún)?yōu)化空調費用 (注2)。Streetline Networks (注3)  是一家智能停車(chē)服務(wù)供應商，實(shí)時(shí)監視城區停車(chē)位的可用情況 (參見(jiàn)圖  2)。車(chē)輛檢測器安裝在停車(chē)位下方、車(chē)道的路面內。這帶來(lái)了挑戰，因為傳感器設備的天線(xiàn)位于地下，而且當停車(chē)位被占用時(shí)，又被金屬車(chē)體覆蓋著(zhù)。這樣的應用以前被認為是不可能或不實(shí)際的，現在則可用時(shí)間同步化通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現。

圖 2：Streetline Networks部署了時(shí)間同步化通道跳頻網(wǎng)絡(luò )以改善類(lèi)似美國加州好萊塢城區的停車(chē)條件。

基于標準的環(huán)境

在網(wǎng)絡(luò )技術(shù)中，標準發(fā)揮著(zhù)重要作用，因為最終用戶(hù)擁護基于標準開(kāi)發(fā)的解決方案。一項技術(shù)如果由重要標準化組織開(kāi)發(fā)并核準，用戶(hù)就有信心使用。WirelessHART  / IEC62591 是工業(yè)過(guò)程領(lǐng)域的標準，在這個(gè)市場(chǎng)以外，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 是通信標準。

連接到互聯(lián)網(wǎng)上的所有設備都利用 IP 相互通信。每個(gè)設備都獲得一個(gè) IP 地址，該地址在互聯(lián)網(wǎng)上明白無(wú)誤地代表該設備。所交換的數據包包含一個(gè) IP  頭標以及一系列字節 (建立該數據包的設備之地址編碼和目的設備的地址編碼)。形成一個(gè)協(xié)議棧還需要其他許多協(xié)議 (TCP、HTTP … 等)，但 IP  協(xié)議是共同點(diǎn)。用 IP 協(xié)議將低功耗網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )設備連接至互聯(lián)網(wǎng)，為促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展做出了一大貢獻。

若干標準化組織為物聯(lián)網(wǎng) (參見(jiàn)圖 3)  制定了標準。挑戰是要與互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現全面集成，同時(shí)納入公認的時(shí)間同步化通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )的技術(shù)。今天的互聯(lián)網(wǎng)使用之大多數協(xié)議都是由互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組 (IETF)  制定的，該標準化組織的 CoRE 工作組已經(jīng)制定了應用層協(xié)議 CoAP (Constrained Application Protocol)。CoAP 在  UDP 協(xié)議之上運行，而且非常容易轉換到 HTTP，以使無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)實(shí)現類(lèi)似網(wǎng)絡(luò )的互動(dòng)。6LoWPAN 工作組制定了一個(gè) IP 適配層協(xié)議，該協(xié)議將 IP  數據包的大型頭標壓縮成小型無(wú)線(xiàn)幀或數據包，使傳感器節點(diǎn)能夠通過(guò) IP  地址單獨尋址。盡管這些上層協(xié)議實(shí)現了類(lèi)似網(wǎng)絡(luò )的互動(dòng)以及與互聯(lián)網(wǎng)的集成，但是決定無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )通信質(zhì)量的是這些上層協(xié)議之下的那些協(xié)議層。

圖 3：用于低功耗、可靠無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的 IP 協(xié)議棧

IETF 制定的標準一般運行在遵循 IEEE802.15.4 標準的無(wú)線(xiàn)芯片上。IEEE802.15.4 在數據傳送速率 (250kbps)、范圍 (10  至 100 米)、功耗 (發(fā)送或接收時(shí)為 5mA 至 20mA ) 和數據包大小 (高達 127 字節) 之間進(jìn)行了健康的權衡。這種權衡使  IEEE802.15.4 非常適用于低功耗網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，因此該標準已經(jīng)成為這類(lèi)網(wǎng)絡(luò )鏈接技術(shù)的事實(shí)標準。

2012 年，IEEE 公布了可運行在 IEEE802.15.4 兼容型無(wú)線(xiàn)電上之新介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)標準 IEEE802.15.4e。其時(shí)隙通道跳頻 (TSCH)  模式納入了 Dust Networks 的時(shí)間同步化網(wǎng)格協(xié)議，以實(shí)現精確的時(shí)隙同步和 RF 通道跳頻。

盡管 IEEE802.15.4e 定義了兩個(gè)節點(diǎn)實(shí)現同步數據包傳送的機制，但是它沒(méi)有定義怎樣給每個(gè)節點(diǎn)分配時(shí)間表。該通信時(shí)間表使 TSCH  網(wǎng)絡(luò )能夠靈活匹配網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)之間的通信需求 (參見(jiàn)圖  4)。例如，一個(gè)網(wǎng)絡(luò )可以配置為低數據傳送速率和極低功耗的小型網(wǎng)絡(luò )，就像遠程環(huán)境監視應用中常見(jiàn)的那樣。同樣的網(wǎng)絡(luò )還可以配置為大型網(wǎng)絡(luò )，為更快的數據傳送速率而優(yōu)化。此外，自動(dòng)分配但靈活的時(shí)間表使  TSCH 網(wǎng)絡(luò )能夠適應周?chē)h(huán)境。尤其是，通過(guò)調度可以實(shí)現自愈、路由優(yōu)化和負載均衡等網(wǎng)絡(luò )功能，這些網(wǎng)絡(luò )功能對于在網(wǎng)絡(luò )壽命期內提供高性能是至關(guān)重要的。建立和分配  TSCH 時(shí)間表的解決方案可以開(kāi)發(fā)出來(lái)，但是在標準出臺之前，這類(lèi)解決方案不可能實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳送的互操作性。

圖 4：諸如凌力爾特公司的 LTP5901-IPM 等基于 TSCH 的小型無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)以 >99.999% 的數據可靠性提供 5 至 10  年的電池壽命。

不過(guò)，上述情況隨著(zhù)在 IETF 的新標準化工作之開(kāi)展而發(fā)生了變化，該標準又稱(chēng)為 6TSCH (Deterministic IPv6 over  IEEE802.15.4e Time Slotted Channel Hopping -  注4)。這項標準化工作由凌力爾特和思科系統公司聯(lián)合領(lǐng)導，將制定目前缺少的通信協(xié)議，以使 TSCH 時(shí)間表能夠通過(guò)調度實(shí)體加以管理。

6TSCH 可填補 IP 協(xié)議棧中尚存的空白，將實(shí)現完全標準化、可互操作、基于 IP  的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，提供通常僅有線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )才能提供的高可靠性。網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)人員通過(guò)向傳感器的 IP  地址發(fā)送網(wǎng)絡(luò )請求，將能夠實(shí)時(shí)獲得傳感器數據，而且下層的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )將以 >99.999%  的數據可靠性支持這類(lèi)通信。通過(guò)使傳感器像網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器一樣易于訪(fǎng)問(wèn)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )將能夠向物聯(lián)網(wǎng)饋送真實(shí)世界的信息。