用無(wú)線(xiàn)傳感器組成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

　　低功率數據包交換─采用TSCH 允許節點(diǎn)在預定的通信操作之間處于超低功耗的休眠狀態(tài)。每個(gè)設備僅在發(fā)送數據包或檢測相鄰設備是否發(fā)送數據包時(shí)才處于工作狀態(tài)。更重要的是，因為每個(gè)節點(diǎn)都知道自己的設定喚醒時(shí)間，所以每個(gè)節點(diǎn)都始終可用于轉發(fā)相鄰設備的信息。因此，TSCH網(wǎng)絡(luò )常常達到<1%的占空比，同時(shí)保持網(wǎng)絡(luò )完全可用。此外，因為每個(gè)數據包的收發(fā)時(shí)間都是設定好的，所以在TSCH網(wǎng)絡(luò )中不存在網(wǎng)絡(luò )內數據包碰撞問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò )可以很密集和增加規模，而不會(huì )產(chǎn)生逐漸衰減的 RF自干擾。

　　配對的通道跳頻─時(shí)間同步允許在每對發(fā)送器接收器上進(jìn)行通道跳頻，實(shí)現頻率多樣性。在TSCH網(wǎng)絡(luò )中，每個(gè)數據包交換通道都會(huì )跳頻，以避開(kāi)不可避免的RF干擾和衰落。此外，不同成對設備之間的多通道傳輸可能同時(shí)在不同的通道上發(fā)生，從而擴大了網(wǎng)絡(luò )帶寬。

　　全面的路徑和頻率多樣性─ 每個(gè)設備都有冗余路徑，以克服由干擾、物理障礙或多徑衰落引起的通信中斷問(wèn)題。如果一條路徑上的數據包傳輸失敗，那么節點(diǎn)將自動(dòng)嘗試下一條可用路徑和不同的RF通道。與其他網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )技術(shù)不同，TSCH網(wǎng)絡(luò )不需要由電源供電的路由器和耗費時(shí)間的路徑再發(fā)現。

　　基于TSCH的網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)成功用于多種應用，例如智能停車(chē)應用^[1]，在數據中心中監視能效^[2]，用于工廠(chǎng)^[3]中。諸如管道監視、橋梁及隧道的結構監視以及電力傳輸線(xiàn)監視等很多應用都要求無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )跨越很長(cháng)的距離。然而，跨越這么長(cháng)的距離建立無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )并成功保持可靠性和低功率，需要一種更加富有挑戰性的拓撲。按照定義，深跳網(wǎng)絡(luò )意味著(zhù)，來(lái)自最遠節點(diǎn)的信息需要經(jīng)過(guò)很多次跳轉，才能到達目的地。盡管這么做能夠使單一網(wǎng)絡(luò )覆蓋很大的地理范圍，而且收發(fā)器的功率相對較低，但是這種方法有時(shí)會(huì )產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題，即一個(gè)覆蓋面積很大的網(wǎng)絡(luò )是否能夠成功保持所有無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)都有均勻的數據流量，以及是否能夠以可接受的延遲和電流消耗，保持這樣的數據流量。

　　案例分析—深跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )

　　為了描述這類(lèi)網(wǎng)絡(luò )的特征，我們用Dust Networks的SmartMesh IP網(wǎng)絡(luò )構建了一個(gè)100個(gè)節點(diǎn)、32跳的深跳網(wǎng)絡(luò )，并對其進(jìn)行了測量。100個(gè)節點(diǎn)中的每一個(gè)都是每隔30秒產(chǎn)生并發(fā)送一個(gè)數據包，預計每個(gè)數據包的接收都在30秒的延遲時(shí)間內完成 (即在同一節點(diǎn)產(chǎn)生下一個(gè)數據包之前完成)。

　　該深跳網(wǎng)絡(luò )是由真實(shí)的無(wú)線(xiàn)設備構成的，其中7款設備(以編號1~7表示)直接與管理器通信。設備8~10通過(guò)上述7個(gè)節點(diǎn)通信，其余設備(設備 11~101)在編號位于其前后3 個(gè)設備的覆蓋范圍之內。例如，設備50在設備47、48、49、51、52和53的覆蓋范圍之內。在這種拓撲中，到達設備101 的最小傳輸(跳轉)次數為32，盡管實(shí)際上大多數數據包需要更多跳轉次數。

　　截至本文截稿時(shí)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)連續運行52天?？偣步邮樟?700萬(wàn)個(gè)數據包，由于跳轉深度和重試，所以進(jìn)行了總數超過(guò)4億次的單獨傳輸。在所發(fā)送的1700萬(wàn)個(gè)數據包中，一個(gè)都沒(méi)丟，因此數據傳輸可靠性達到了 100%。在這些數據包中，約針對2.5 萬(wàn)個(gè)提交了“健康報告”，即節點(diǎn)周期性發(fā)送的診斷信息。

　　對延遲和電流消耗的分析

　　每個(gè)數據包在傳感器節點(diǎn)上產(chǎn)生時(shí)以及在管理器上接收時(shí)，都有時(shí)間戳，因此每個(gè)數據包的延遲都可以監視。圖3所示是這個(gè)網(wǎng)絡(luò )在一個(gè)超過(guò)90分鐘的時(shí)段內的數據分布情況。正如所預期的那樣，編號較大的那些節點(diǎn)，即處于網(wǎng)絡(luò )較深處的節點(diǎn)，延遲時(shí)間較長(cháng)，每個(gè)數據包的變化也較大，因為路徑選擇隨深度加大而成指數上升。盡管這樣，來(lái)自最遠節點(diǎn) (編號101)的數據包全部在不到30秒的預定延遲時(shí)間內到達了目的地。

　　所有節點(diǎn)內部都保持一份所消耗電池電量的數據，并周期性地向管理器報告這一信息。從這一信息中，可以畫(huà)出整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的平均電流曲線(xiàn)，如圖4所示。編號較小的節點(diǎn)之電流消耗最大，因為這些節點(diǎn)需要傳輸來(lái)自較遠節點(diǎn)的數據流量。如圖4所示，在這個(gè)32跳的深跳網(wǎng)絡(luò )中，即使負載最重的路由器，平均電流消耗也僅為幾百微安。既然電流消耗這么低，那么路由節點(diǎn)就可以用一對D-cell鋰電池供電，可持續工作超過(guò)15年。

　　結論

　　在富有挑戰性的應用中，基于時(shí)間同步通道跳頻的SmartMesh IP網(wǎng)絡(luò )通常提供>99.999%的數據可靠性，功耗也非常低。因為用相當小的鋰電池可工作10至15年，所以無(wú)線(xiàn)傳感器實(shí)際上可以放置在任何地方，從而可實(shí)現真正城市級的物聯(lián)網(wǎng)應用。

　　參考文獻：
　　[1]Streetline[R/OL].www.linear.com/docs/41387
　　[2]Vigilent[R/OL].www.linear.com/docs/41384
　　[3]Emerson Process[R/OL].www.linear.com/docs/41383