无线传感器网络的挑战和解决方案

在过去不长的几十年里，传感器的尺寸大为缩小，同时价格和功率也有所降低，这部分得益于摩尔定律 (Moore’s Law) 和 MEMS 革命的推动。不幸的是，传感器的安装成本却没有同步下降。与用于传输电力和数据的电线布设成本相比，传感器本身的成本通常就是“小菜一碟”了。以离我们最近的电灯开关为例：即使在新的建筑物中，一个价值 1 美元的开关其电线排布成本也可达到 50 美元，其中大部分是人工费用。而如果想把这个开关移到相邻的墙壁，那么这种翻新改造的代价则高得多了。在工业过程自动化中，可接受的经验法则是：安装一个传感器的成本为 10000 美元，即使只是一个简单的开关也不例外。在这种造价昂贵的环境中，许多传感器只是将数据报告给一个局部控制器 —— 当安装有几百或几千个传感器时，几乎或根本无法获知“全局”。人们需要的是一种廉价和可靠的网络传感器方式。

几乎从马可尼 (Marconi) 时代起，人们就已经开始使用无线方式传输来自传感器的数据，获得了复杂的结果。传统上，此类链路采用线路供电并且是点对点型的，常常具有因环境条件而致的时变可靠性。这虽然适合于某些应用，然而对于多数应用而言局限性却很大。

无线传感器网络 (WSN) 的市场包括楼宇自动化、工业控制、家庭自动化、智能电网和自动化计量基础设施 (AMI)、工业过程自动化、环境监测、泊车与交通基础设施、能耗监测和库存管理。

在大多数场合，这些都是双向不对称数据收集应用，大量的检测点将数据发送至一个中央主机，该中央主机可利用一个过程设定点或其他配置变更做出响应。

从理想的角度来说，客户当然希望拥有这样一种技术：成本低、可不受限制地安放传感器、以低延迟可靠地接收周期性数据、并在不更换电池的情况下于设备的使用期限内连续运行。近期的技术进步使我们能够在许多市场上提供上述特性。

为担负这项任务，有多种技术正在展开竞争，包括卫星、蜂窝、Wi-Fi 以及一系列基于 IEEE 802.15.4 无线标准的解决方案。这些技术可帮助用户组建用于收集传感器数据的 WSN。

卫星和蜂窝技术是许多应用的合适之选，但它们每个数据包的能源成本是最高的。而且，数据包月费用也令人望而却步 (虽然这种情况随着运营商们推出适合相对稀疏数据流量的收费模式而有可能得到一定的改观)。再有，覆盖范围也会是一个问题。显然，卫星或蜂窝电话信号很难走出阻碍严重的建筑物，而传感器通常并不能够左右移动并询问“现在您能听到吗 ”。不过，对于那些具有上佳连通性并以非常低数据速率 (例如：每天传送一个数据包) 发送信息的应用而言，卫星或蜂窝技术是十分有用的。

Wi-Fi (IEEE 802.11b, g) 传感器目前得到了广泛的使用。Wi-Fi 数据包的能源成本远低于蜂窝技术，而且没有数据的经常性费用。连通性和覆盖范围仍然是重要的问题，因为与移动人性化系统的需要相比，利用一个固定传感器实现可靠通信所需的接入点密度通常会更高。

在参考 OSI 分层模型的基础上，802.15.4 标准定义了一个针对短程、低功率操作的物理层 (PHY) 和媒体接入控制 (MAC) 层，非常适用于无线传感器网络。该无线标准具有相对较低的数据速率 (至 250kbps 以下)；数据包简短 (128 字节) 且为低能耗。例如：发送几个字节的传感器数据以及路径、加密、和其他标头所需的时间少于 1ms。这过程采用少于 30µC 的电荷，包括接收一个安全链路层确认信号 (见图 1)。传感器能发送来自方邻传感器的无线数据包，从而扩展了网络的覆盖范围 (远远超出了单无线射频的覆盖范围)，并使网络拥有了针对任何单无线链路故障的免疫力。

各种不同 WSN 解决方案的评估基于两个问题：“我能否快速地获得所有的数据 ”和“成本将达到多少 ”。WSN 必须专为在具有低至约 50% 的链路层数据包递交率 (PDR) 的环境中工作而设计。

当开发无线数据收集系统时，有几项性能指标是必须满足的。首先，系统必须满足一个最小可靠性目标。就工业应用而言，目标通常是至少接收 99.9% 的生成数据，因为丢失的数据会触发代价高昂的警报条件。其次，系统必须支持一定的吞吐量，即每秒传送若干个传感器数据包。第三，这些数据包仅当其在某个最大延迟周期以内收到时才有效。许多处理器依靠的是最新数据更新 —— 对于控制来说，过期数据或许不具备实用性。第四，不少系统必须在严苛的环境中运作，此类环境包括宽温度范围及本质安全限制条件。只有那些满足了所有上述四项要求的解决方案才被认为适合做进一步的评估。

当研究各种满足相关要求的解决方案时，关键的选择标准变成了“拥有成本”和“灵活性”。拥有成本涵盖多个方面：产品开发、安装、硬件以及设备使用期限内的供电。与有线解决方案相比，无线技术大幅度地降低了安装成本，不过，电池供电型无线设备却有可能需要在网络的使用期限内更换电池。另外，还需要在以下两种选择方案之间进行权衡，即：构建具有少量高功率设备的网络 (以降低硬件成本) 抑或构筑采用大量低功率设备的网络。对于那些由能量收集单元 (例如：太阳能、热电) 供电的设备，大部分的成本或许取决于电容器尺寸。诸如时分多址 (TDMA) 等采用确定性调度的解决方案可帮助将大电流事件尽可能地分离开来，从而降低电容器尺寸要求。

由于最终的部署情况不可预知，因此网络的设计必须具备高度的灵活性。网络所安装的传感器数量必须是可调节的 (从少到多)，网络的密度也须具备从低到高的调节范围。为了在多种多样的无线环境中保持坚固性，资源配置应确保设备可在适度干扰的条件下可靠地通信，而且当个别设备丢失时，网络应能继续正常运行。附加的资源 (包括更多的无线链路、用于每部设备的更多相邻设备、或更多的信号放大) 可改善可靠性与延迟。所有这些附加资源都将导致功率成本的增加，可利用动态分配最大限度地减小这种功率成本的上涨。

基于标准的解决方案可避免采用单一供应商组件时所遇到供应链难以预测的变化，并可保证同意在运作的管理原理 (例如：安全性架构)。

就实质而言，无线通道是不可靠的，而且许多现象都会阻止一个已发送的数据包到达接收器。此类现象之一就是干扰。假如两个独立的发送器在同一个通道上传送数据 (因而其信号重叠)，它们就有可能在接收器的无线电路中损坏彼此的信号。这就要求发送器进行重发，代价将是时间和能源消耗的增加。

如果基础媒体接入技术未排定无争用通信，则干扰可能来自同一个网络。倘若两个发送器能够“听到”接收器，但相互之间听不到 (这被称为“隐藏终端问题”)，那就特别成问题了，它需要退下来并用确认机理来解决冲突。

干扰也可能来自工作于相同无线电空间里的另一个网络，或者一种使用同一频段的不同无线电技术。后者 (被称为“外部”干扰) 尤其存在于无需申请许可的频段，例如：2.400 至 2.485GHz 的仪表、科学和医学 (ISM) 频段、Wi-Fi、蓝牙和 802.15.4 等都工作在此频段上。

图 2 中的曲线是通过以下方法获得的：在一个办公环境中部署 45 个 802.15.4 节点，让它们交换 1200 万个均匀分布在 16 个 802.15.4 通道上的数据包。该曲线图描绘了这些数据包的平均数据包递交率与用于传送它们的通道之间之函数关系；在重叠了 Wi-Fi 通道的通道上，该递交率较低。

第二种现象是图 3 所示的多径衰落，它会阻止一个已发送的数据包到达接收器，而且不仅更具破坏性，量化也更加困难。这通常被描述为“自干扰”，当接收器同时接收到发送器通过视线路径传送的信号以及环境中的物体 (地板、天花板、门、人 … 等等) 所反射的同一信号时，就会发生此类现象。由于那些“拷贝信号”的传输距离不同，因此它们到达接收器的时间不一样，从而有可能产生破坏性的干扰。20dB ~ 30dB 的衰落并不是少见。

图 3 是通过以下方法获得的：让一个发送器将 1000 个数据包传送至一个 5m 之外的接收器，并把该接收器轮流安放在一个 35cm x 20cm 网格的每个点以重复上述过程。z 轴代表该链路上的数据包递交率。虽然链路在大多数位置上均处于良好状态，但在某些位置上却由于多径衰落的原因而未能成功地接收数据包。

多径衰落取决于环境中每个物体的位置和性质，而且在任何实际设置中都是不可预知的。一个优良的特性是：图 3 中描绘的“分布状况”会随频率而变化。即：假如某个数据包因多径衰落之故而未被接收，那么在一个不同的频率上重新进行发送其获得成功的概率是很高的。

由于环境中的物体不是静态的 (例如：有车辆从旁边驶过以及门的开闭等)，因此多径的影响随时间而改变。图 4 示出了两个工业传感器之间单个无线路径上的数据包递交率 (时间跨度为 26 天，且针对系统所采用的全部 16 个通道)。在图中我们发现了周循环，工作日和周末清晰可见。在任意给定的时间，一些通道工作状态良好 (拥有高递交率)，一些则欠佳，而还会有这么一些通道处于高度易变的状态。通道 17 虽然一般都处于良好状态，但至少会有一个零递交周期。从质量的角度来看，网络中的每个路径均表现出相似的工作特性，但具有不同的通道性能，而且绝对不会有任何一个通道可在网络中的所有位置上都保持良好的工作状态。^【1】

由于干扰及多径衰落的原因，构建可靠无线系统的关键在于充分利用通道和路径分集。

如前文所述，一项非常适合解决 WSN 问题的技术是 IEEE 802.15.4。802.15.4 无线标准在多个无需申请许可的频段中提供了低功率、低数据速率 PHY，这些频段包括可在北美地区使用的 915MHz 频段和全球可用的 2.4GHz ISM 频段。2.4GHz 频段扩频 PHY 可提供噪声免疫力 —— 对于专为有可能工作于拥挤的免执照频段而设计的低能耗设备而言，这是一个特别重要的特性。该标准还定义了一个基于可靠和经确认数据包 (或帧) 的 MAC 层，其具有任选的加密和验证功能。这种灵活的解决方案构成了多个专有和基于标准之协议的基础，包括 ZigBee 协议 (它采用该解决方案以形成非同步化的单通道网络) 和 WirelessHART 协议^{【2】 (其采用此解决方案以组建时间同步的多通道网络)。}

凌力尔特旗下的 Dust Networks 公司帮助制定的 WirelessHART 协议具有一个 802.15.4 2.4GHz PHY 和一个基于 802.15.4 的链路层，为标准的 802.15.4 MAC 增添了同步、通道跳频、优先级和基于时间的验证。它具有一个提供了路径和端到端安全性的网络层，以及一个薄的不可靠/ 可靠网格传输层。WirelessHART 协议规定了时隙定时、设备保持同步的方法、以及设备如何通过在重复的超帧上将时间划分为分隙式通信机会 (时隙) 来安排时间 / 通道通信机会。制定该协议的目的在于实现无线设备与工业过程监视和控制应用中广泛使用的现有有线 HART 设备的无缝集成。WirelessHART 扩展了 HART 应用层命令集，添加了用于管理无线资源和监视网络健康状况的命令。WirelessHART 网络是高度可靠的网格，即使在设备不具备视线且间隔数十至数百米的情况下，每部设备都拥有多个其可发送数据的相邻设备，从而提供了实现高可靠性所需的路径分集。WirelessHART 网络采取中央管理的方式，大多数网络“智能”都存在于一个管理器之中。现场设备 (无线传感器) 负责报告状态信息，管理器利用这些信息来训练和优化网络，而传感器数据则被通报至一个被称为网关的应用代理。

今年早些时候发布了新的 802.15.4e 修正案，其中正式确定了时隙式通道跳频特性 (与 802.15.4 MAC 层上的 WirelessHART 中的特性相似)。该标准定义了用于通告同步化信息 (以使设备能同步至一个网络) 的机理，提供了基于时间的安全性，并规定了分隙式通信和跳频序列。它在“信息元素”中大量运用了数据封装，这使得能够进行 MAC 的定制扩展，而不必等待标准的更新。其旨在简化多层协议的开发，并专为耦合至一个 6LoWPAN 压缩型 IPv6 网络层 (定义于 IETF RFC 4944 和 6282^【3】) 而特别设计。

凌力尔特的 Dust Networks SmartMesh™ 产品线兼有符合 WirelessHART 及 6LoWPAN 标准的 IPv6 产品，它们利用 802.15.4 以提供市面上可靠最高和功率最低的 WSN 解决方案。Dust Eterna™ 微尘 (LTC5800 系列) 是单芯片器件，其将一个 Cortex-M3™ 微处理器、存储器和外设耦合至目前功率最低的 802.15.4 无线线路 (图 5)。设计人员将微尘芯片嵌入在其传感器组件之中，并可依靠网络形成和优化，并将传感器数据传输至其应用。Dust 的管理器可实现从几十到几千个设备的平稳调节，并提供用于网络的数据及配置接口。两个产品系列均适合构建能提供可按节点配置之数据速率之高度可靠的多跳网格网络。它们适于解决各种各样的 WSN 问题。采用 Dust 微尘和管理器的部分应用实例包括：

泊车 － Streetline 公司【4】是一家智能泊车解决方案供应商，其产品可监视城市泊车位的实时可用情况。车辆探测器安装在泊车位的下方，位于铺砌层的内部并与路面齐平。这就带来了挑战，因为传感器件的天线安放在地下，而后当车位被占据时则被金属车辆所覆盖。无线路径分集是必不可少的，因为不同的车辆停放位置会改变器件对之间的路径质量。Streetline 将高架的转发器件安装在附近的街灯上，以获得至停车传感器的视线。这些转发器形成了一个多跳网格，用于把所有的车位占用数据收集至局部网络管理器，并在此汇总到一个覆盖全城的数据库之中以供客户和执法机构使用。无线技术对于此类应用是至关紧要的，因为要想用电线将传感器连接至每个车位操作起来是非常困难的，而低功率无线通信还可降低更换电池的频度。

炼油厂过程控制 － 雪佛龙 (Chevron) 公司采用无线网络来监视石油开采和提炼设备。这些网络常常部署于严酷的环境 (因为存在危险的极端温度和化学品，并存在发生爆炸的风险)，在这里无法为有线传感器布设导管。此外，无线网络技术还可实现旋转结构和移动运营商的监视。以一种配置为例 (图 6)，无线网络被安装在遍布一个大型炼油厂的不同位置。为了把数据收集到一个集中式控制中心，采用了一个 Cisco IEEE 802.11a 无线网格，作为每个 IEEE 802.15.4 网络管理器的回传骨干连接。这使得低功率传感器件能够向其局部管理器进行报告，数据在局部管理器上聚集并可靠地往复传送。该配置充分体现了两种标准之间的强大融合。

能耗监测 － Vigilent 公司【5】可提供用于室内环境 (例如：环境控制至关重要的数据中心) 的智能型能耗管理系统。由于数据中心里任何位置的温度上升都可能导致设备故障，因此空调常常以满功率连续运行，从而造成能源浪费。设备管理人员不愿意其内部网络受到危害，因此 Vigilent 部署了不会影响常规运作的无线器件。另外，设备对于安全性也十分敏感，因此需要采用无线协议对所有的数据包进行端到端加密，并在网络管理器上提供附加的安全性。数据中心检测点通常都很密集，Vigilent 成功地部署了多个重叠网络以实现所要求的传感器数目。

基于 802.15.4 无线标准的多通道时间同步网格网络可解决构建灵活、可靠、低功率无线传感器网络所涉及的众多难题。