低功耗无线检测

与传统有线检测系统相比，低功耗无线技术正在使传感器网络的成本大幅降低，并为采用有线方法根本不可能实现的传感器网络提供了实现的可能性。低功耗无线传感器网络 (WSN) 标准，尤其是采用时间同步通道跳频 (TSCH) 技术的网格架构，使网络中的所有节点都能靠电池或收集的能量工作，而不会牺牲可靠性或数据吞吐率。这使应用开发人员能自由地将传感器放置在任何地方，而不仅是有电源可用的地方，但是无论在哪里，应用都需要传感器数据。在高度可靠的低功耗 TSCH WSN 和能量收集领域，凌力尔特 (包括Dust Networks产品部) 已经走在了技术创新的前列。这些技术齐头并进，可为那些部署电池更换需求量极少 (如果有的话) 之系统的应用开发人员提供更多的机会，从而进一步降低部署无线传感器的寿命成本并刺激物联网 (IoT) 的发展。

ON World 2012年进行的一项研究显示，WSN 的两个属性对工业客户最重要：可靠性和低功耗 (图 1)。成本在研究结果中排在第三位。如果不解决可靠性和功耗问题，成本就不会是客户优先考虑的问题。

图 1：被认为重要的 WSN 属性

Satisfaction：满意度

Importance：重要性

Data reliability：数据可靠性

Cost/affordability：成本 / 可负担能力

Battery lifetime：电池寿命

Source：数据来源

Dust Networks多年来一直研发 TSCH，客户已采用了数千个 Dust产品，根据 Dust Networks 的丰富经验，很显然，精确同步的时隙、通道跳频和超低功耗无线电相结合，能实现功耗最低、最可靠的 WSN。由于这种对低功耗的专注，所以所有节点都能靠低成本电池工作很多年，也为使用各种能源提供了可行性，其中包括能量收集电源。

低功耗无线电

IEEE 802.15.4 标准为 WSN 提供了卓越的无线电平台。IEEE 802.15.4 标准定义了一个 2.4GHz、16 通道扩频低功率物理 (PHY) 层，许多 IoT 技术就是以该物理层为基础构建的，包括 ZigBee 和 WirelessHART。另外，该标准还定义了一个媒体接入控制 (MAC) 层，其为 ZigBee 的基础。然而，这个 MAC 的单通道本质使其可靠性不可预测。为了改善可靠性，WirelessHART 协议 (又称为 IEC62591) 基于 15.4 MAC 定义了多通道链路层，以实现高可靠性 (>99.9%)，工业 WSN 应用就是需要这样的可靠性。在 2012 年初，称为 802.15.4e 的新版 802.15.4 MAC 获得批准，这个 MAC 包括多通道网格和时隙。符合 802.15.4 的无线电之典型功率输出大约为 0dBm，同时发送和接收电流范围为 15mA 至 30mA。0dBm 时同类最佳发送电流为 5.4mA，同类最佳接收电流为 4.5mA (基于凌力尔特的 LTC5800)。

时间同步使节省功率和通道跳频得以实现

最初的 802.15.4 MAC 要求在网格网络中发送来自相邻节点信息的节点始终保持接通，而仅发送 / 接收自己数据的节点 (常称为“精简功能节点”) 可以在发送之间休眠。为了使网络中的所有节点都成为低功率节点，节点之间的通信必须排定时间，而且在网络中必要拥有一个共同的时间感。同步越严格，路由节点无线电必须处于“接通”状态的时间就越短，这最大限度地降低了功耗。在多跳网格网络中，同类最佳的 TSCH 系统在几十微秒时间内同步所有节点。一旦网络中有一个共同和准确的时间感，而且针对网络中节点之间的两两传送有一个时隙安排表，那么通道分配就可以纳入该时间以实现通道跳频。

通道跳频减轻了干扰和多径衰落

无线通道本质上是不可靠的，很多现象可能使所发送的数据包无法到达接收器，随着无线电功耗降低，这种情况可能恶化。多个发送器同时通过同一频率发送信息时就会发生干扰。如果这些发送器相互之间接收不到对方的信息，但是接收器能接收到所有发送器的信息 (“隐藏终端问题”)，那么这种干扰尤其成问题。人们需要延时、重发和确认机制来解决冲突问题。干扰可能来自网络的内部、工作在相同无线电空间中的另一个类似的网络、或者来自于某种同频段工作的不同无线电技术，这在 Wi-Fi、Bluetooth 和 802.15.4 技术共用的 2.4GHz 频段中是一种常见现象。

第二种不可预知的现象被称为“多径衰落”，即使在预计的视线链路裕量充足的情况下，这种现象也可能妨碍成功发送。当传输信号的多个副本被环境中的物体 (天花板、门、人等等) 反弹、而各反射副本的传播距离不同时就会出现这种状况。当发生相消干涉时，20dB 至 30dB 的衰落是很常见的。多径衰落取决于传输频率、设备位置以及每一个邻近的物体;对其进行预测几乎是不可能的。图 2 显示了在 26 天时间内，在两个工业传感器之间的单条无线通路上的数据包投送率，该系统采用 16 个通道，图中显示了每一个通道的情况。在任何给定时间，一些通道很好 (高投送率)，而另一些很差，还有一些处于高度变化之中。重要的是，没有任何一段时间能看到在网络各处所有通路的通道状态处于良好情况。[p]

图 2：26 天内 16 个通道上的数据包投送

channel：通道

Time (days)：时间 (天)

出于这些原因，WSN 采用多个通道是至关重要的。通过时间同步和调度将网络划分为多个时隙，即可在特定的已知通道上对传输进行精准的调度，而且通道的选择能随着每一次传输而变更。此外，对网络传输进行调度还可解决“隐性终端问题”，并实际消除网络中的冲突。这样一种机制在超过 10,000 个 WirelessHART 网络中进行了现场实地验证，通常可实现多年的电池使用寿命和高于 99.9% 的可靠性。

在能量收集方面须考虑的问题

一旦 WSN 的功耗要求适当地最小化以后，电源的选择范围就变宽了。环境能源到处都有：光、振动和热量仅仅是这类能源的几个例子，这类能源可以不受限制地得到，并可转换成充足的电能，以运行低功耗 TSCH WSN。以下例子说明了一些实际的能量收集技术，这些技术产生超过 150µW 的功率，这在 802.15.4e 网络中运行一个典型的 IPv6 路由节点是富富有余了 (例如，Dust Networks 的 SmartMesh™ IP 产品)。

照明 ── 在一个典型的办公楼中，大多数区域都有充足的室内光线，可运行低功耗 TSCH WSN。根据美国 General Services Administration (其负责制定美国公共建筑的指引) 提供的数据，更明亮的区域 (例如：工作站区域和阅读面) 具有 500 lux 的照度。即使在那些被认为是“一般照明”的区域 (比如：大厅、楼梯间以及机械室和通信间) 中，照度至少也达到了 200 lux，而对于大多数会议室来说 300 lux 则是十分普遍的。就 200 至 300 lux 的光照强度而言，有很多室内小型光伏电池可供使用 (例如：G24i 4100 低照度太阳能电池板或 Sanyo AM-1815 室内太阳能电池)，其能为运作 802.15.4e TSCH 网络中的一个 IPv6 路由器提供足够的功率。

热能 ── 热电发生器 (TEG) 靠发热表面的热量产生功率，例如通常认为非常热的常见设备 (例如: 电脑监视器或大电流电动机) 产生的废热。由于无线解决方案变得越来越节能，所以从普遍存在和低至 10ºC 的温差所产生的能量就可作为能源使用了。以下数据可供参考：身体内部的温度和室温之间的典型温差约为 15º C。

很多能量收集传感器仅产生几百毫伏的输出，因此常常需要升压型DC/DC 电压转换器，以将这类输出转换至可用的电源电压范围。凌力尔特的 LTC3105 等 IC 提供最大功率点控制，以便传感器以峰值效率工作。LTC3105 还允许给电路增加备份电池。因为这些电路的电池仅在环境能源不足或不存在时使用，所以电池寿命可以显著延长，从而降低了与更换电池有关的费用。反过来，如果能源出现间歇 (例如，如果周末照明灯或机器关闭)，那么在能量收集电路中包括备份电池，可以提供更强的保证和电源连续性。

总结

通过使传感器的广泛部署具有实用性和简易性，加快了物联网的实现步伐。对于客户和开发人员的群体来说，低功率的可靠无线传感器网络将转化为“无电线 / 无担忧”。时间同步的槽隙式多通道系统为 WSN 赋予了客户关键型优势：可靠性和全网络的低功耗操作。WirelessHART 和 802.15.4e 标准是这种网络方案的绝佳体现。低功率运作在选择电源时确保了极大的灵活性，并提供了永久供电的可能性。所有这些因素合起来，使随处使用传感器变得容易得多，也实际得多。