利用安全、可靠的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )實(shí)現多場(chǎng)景應用

隨著(zhù)電子設備數量的爆炸式增長(cháng)，不同應用間相互通信的需求正在導致各種問(wèn)題的出現。為了解決這一問(wèn)題，制造商們使用各種不同的通信接口或者通信標準，例如專(zhuān)有的或者是根據自己的公司特定所創(chuàng )建的一些標準或接口來(lái)實(shí)現應用間的相互通信。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（WSN）由多個(gè)具有信息傳輸能力和檢測能力的小傳感器節點(diǎn)設備組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接來(lái)形成控制網(wǎng)絡(luò )有效獲取信息，同時(shí)將所收集的信息傳輸到系統的網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)中，進(jìn)而實(shí)現遠程監控和目標檢測。本文以全球領(lǐng)先的高性能半導體企業(yè)亞德諾半導體（ADI）解決方案為例，詳細說(shuō)明無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在各領(lǐng)域的廣泛運用與獨特優(yōu)勢。

相較有線(xiàn)通信，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的三大優(yōu)勢

傳統的通信鏈路通過(guò)有線(xiàn)方式給控制器和外圍供電，為兩者之間提供可靠的信號傳輸。但是當這些外圍設備實(shí)體并不被包含在控制器內時(shí)，有線(xiàn)這種方式將會(huì )帶來(lái)安裝成本增加、安全性以及在某些特定環(huán)境下線(xiàn)纜操作不具備便利性等難題。此外，有線(xiàn)連接需要很多連接件，而這些連接件可能由于震動(dòng)環(huán)境等因素，或頻繁接入相鄰的設備變得接觸不良或受損。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )作為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)分支，能夠不使用有線(xiàn)連接的方式，使傳感器和驅動(dòng)器之間建立連接。相較有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，它主要有以下三大優(yōu)勢：

• 更低的傳感器安裝成本。傳統傳感器網(wǎng)絡(luò )安裝，例如一個(gè)工業(yè)壓力傳感器，可能只需要花幾百塊錢(qián)，但是把它連接起來(lái)，需要加上人工、布線(xiàn)、測試以及驗證的成本可能要比傳感器的價(jià)格要貴得多。

• 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )形成了更底層的智能維護系統，使得在傳感器密集的環(huán)境下能夠獲取大量可用于改進(jìn)工業(yè)流程的數據，可以有效降低有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )所導致的復雜性難題。

• 可移動(dòng)性是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )相較有線(xiàn)連接的另一大優(yōu)勢，因為在一些運動(dòng)的機器內部，如果內部傳感器只與特定設備通信，有線(xiàn)連接就很難實(shí)現。

下圖是ADI公司的SmartMesh解決方案示例，作為業(yè)界功耗較低并且最可靠的基于標準的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品，SmartMesh能幫助客戶(hù)更容易的開(kāi)發(fā)出更可靠的嵌入SoC。例如在信號鏈中數據完整性十分關(guān)鍵，如果通信不一致、丟失或損壞，優(yōu)化檢測和測量的數據幾乎沒(méi)有價(jià)值。此外，存在電氣噪聲的工業(yè)環(huán)境可能十分惡劣和艱苦，尤其是在存有大量金屬物體情況下進(jìn)行射頻通信，因此必須在系統架構設計期間預先設計魯棒的通信協(xié)議，SmartMesh無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可實(shí)現大于99.999%的數據可靠性，非常有效的解決了數據通信的可靠性。ADI不僅需要確保邊緣節點(diǎn)數據安全無(wú)慮，還必須確保其對網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)關(guān)的訪(fǎng)問(wèn)免受惡意攻擊，決不允許仿冒邊緣節點(diǎn)來(lái)獲取網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)以進(jìn)行不法活動(dòng)，SmartMesh無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有加密、身份驗證和消息完整性檢查功能，保證無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信的安全性。

ADI SmartMesh無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

SmartMesh網(wǎng)絡(luò )由高度可擴展的自成形多躍點(diǎn)節點(diǎn)網(wǎng)格和網(wǎng)絡(luò )管理器構成，這些節點(diǎn)稱(chēng)為智能微塵，用于收集和中繼數據，網(wǎng)絡(luò )管理器用于監控和管理網(wǎng)絡(luò )性能和安全，并與主機應用程序交換數據。值得一提的是，SmartMesh還是一個(gè)時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò )，可以做到各個(gè)節點(diǎn)的時(shí)間精確同步。憑借以上特性，部署與維護便利的SmartMesh正在成為更多工業(yè)應用場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò )連接補充選項，目前已經(jīng)被應用于全球工業(yè)自動(dòng)化、交通運輸等多個(gè)領(lǐng)域。

基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )實(shí)現多場(chǎng)景應用

ADI提供的2.4 GHz頻段的SmartMesh lP網(wǎng)絡(luò )具有典型的代表性，使得在最具挑戰性的工作環(huán)境中部署無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )變得實(shí)際可行，包括苛刻的射頻環(huán)境，數千個(gè)節點(diǎn)在彼此的無(wú)線(xiàn)電射程內工作的密集部署場(chǎng)景，正在成為更多工業(yè)應用場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò )連接補充選項，已應用于工業(yè)自動(dòng)化、環(huán)境監測與智能交通等多個(gè)領(lǐng)域。

• 無(wú)線(xiàn)水質(zhì)監測系統

飲料生產(chǎn)、制****廠(chǎng)、廢水處理廠(chǎng)等多個(gè)行業(yè)都依靠水質(zhì)監測系統對重要水質(zhì)指標進(jìn)行測量和控制。通常整個(gè)加工廠(chǎng)中如果部署單獨的有線(xiàn)傳感器，現場(chǎng)傳感器則需要經(jīng)常清洗、校準和更換。

采用新的測量和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)可以實(shí)現高可靠性的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，將ADI ADuCM355通用傳感器接口功能與SmartMesh IP技術(shù)可靠性相結合，就可構成穩健的低功耗無(wú)線(xiàn)水質(zhì)監測系統，專(zhuān)用于水質(zhì)指標pH值的測量，將該原理輕松擴展到其他電化學(xué)參數，還可以針對每個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)形成一系列水質(zhì)測量。

PH傳感器連接到ADuCM355和SmartMesh無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)

• 交通基礎設施監測

ADI作為為數不多的幾家同時(shí)擁有多軸加速度計、陀螺儀及慣性測量單元的半導體廠(chǎng)商之一，除了能夠結合精密校準、傳感器濾波和融合，在智能駕駛高精度地圖及導航中起到關(guān)鍵作用之外，也曾在業(yè)界展會(huì )上展示了利用MEMS傳感器與SmartMesh IP相結合，實(shí)現對交通基礎設施健康狀況的監測。

例如通過(guò)沿著(zhù)跑道布置極低功耗的沖擊傳感器ADXL372，用來(lái)檢測車(chē)輛何時(shí)撞上跑道周?chē)淖o欄。利用ADXL372與SmartMesh IP相結合的監測方案，一旦車(chē)輛撞擊到護欄，市政工作人員就能在第一時(shí)間收到通知并在短時(shí)間內更換被撞壞的護欄，這就極大加快了道路車(chē)輛撞擊事故的處理速度。

• 電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)BMS（wBMS）

目前，汽車(chē)BMS系統按通信方式可分為有線(xiàn)BMS與無(wú)線(xiàn)BMS。有線(xiàn)BMS系統是通過(guò)CAN總線(xiàn)或iosSPI總線(xiàn)作為菊花鏈形式，將電池組、從控芯片與主控芯片連接起來(lái)，實(shí)現數據監測傳輸；無(wú)線(xiàn)BMS系統則是通過(guò)無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)的形式，將電池組、從控芯片與主控芯片連接，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信完成電池組的狀態(tài)監測和數據傳輸。 

ADI的wBMS系統示意圖 

ADI電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)BMS系統解決方案便是利用SmartMesh實(shí)現電池狀態(tài)監控和數據的無(wú)線(xiàn)傳輸，由于SmartMesh采用了自適應隨機跳頻技術(shù)，當系統識別到當前通訊頻段出現干擾時(shí)，wBMS系統中的無(wú)線(xiàn)主節點(diǎn)芯片就會(huì )判斷下一個(gè)時(shí)間窗口的通訊頻段（非固定頻段順序），并在判斷好后會(huì )通知從節點(diǎn)芯片，這樣兩個(gè)芯片就同時(shí)自動(dòng)改變到不受干擾的頻段，從而避免了干擾。并且，整個(gè)過(guò)程系統可以進(jìn)行自主學(xué)習，通過(guò)算法識別出高堵塞的信道，能夠主動(dòng)降低該信道的占有率。

此外，ADI的SmartMesh網(wǎng)絡(luò )架構使用的是時(shí)間同步通道跳變(TSCH)鏈路層進(jìn)行通信，網(wǎng)絡(luò )中的終端可以在數微秒內進(jìn)行同步，網(wǎng)絡(luò )通信被組織成時(shí)隙，可以實(shí)現低功耗分組交換、成對通道跳變和全路徑分集。并且，每個(gè)器件都有冗余的路徑以克服由于干擾、物理遮擋或多徑衰落導致的通信中斷。如果一個(gè)路徑上的數據包傳輸失敗，智能微塵會(huì )自動(dòng)在下一個(gè)可用路徑和不同射頻通道上重試。