無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)和解決方案

在過去不長的幾十年里，傳感器的尺寸大為縮小，同時價格和功率也有所降低，這部分得益于摩爾定律 (Moore’s Law) 和 MEMS 革命的推動。不幸的是，傳感器的安裝成本卻沒有同步下降。與用于傳輸電力和數(shù)據(jù)的電線布設(shè)成本相比，傳感器本身的成本通常就是“小菜一碟”了。以離我們最近的電燈開關(guān)為例：即使在新的建筑物中，一個價值 1 美元的開關(guān)其電線排布成本也可達到 50 美元，其中大部分是人工費用。而如果想把這個開關(guān)移到相鄰的墻壁，那么這種翻新改造的代價則高得多了。在工業(yè)過程自動化中，可接受的經(jīng)驗法則是：安裝一個傳感器的成本為 10000 美元，即使只是一個簡單的開關(guān)也不例外。在這種造價昂貴的環(huán)境中，許多傳感器只是將數(shù)據(jù)報告給一個局部控制器 —— 當(dāng)安裝有幾百或幾千個傳感器時，幾乎或根本無法獲知“全局”。人們需要的是一種廉價和可靠的網(wǎng)絡(luò)傳感器方式。

幾乎從馬可尼 (Marconi) 時代起，人們就已經(jīng)開始使用無線方式傳輸來自傳感器的數(shù)據(jù)，獲得了復(fù)雜的結(jié)果。傳統(tǒng)上，此類鏈路采用線路供電并且是點對點型的，常常具有因環(huán)境條件而致的時變可靠性。這雖然適合于某些應(yīng)用，然而對于多數(shù)應(yīng)用而言局限性卻很大。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 的市場包括樓宇自動化、工業(yè)控制、家庭自動化、智能電網(wǎng)和自動化計量基礎(chǔ)設(shè)施 (AMI)、工業(yè)過程自動化、環(huán)境監(jiān)測、泊車與交通基礎(chǔ)設(shè)施、能耗監(jiān)測和庫存管理。

在大多數(shù)場合，這些都是雙向不對稱數(shù)據(jù)收集應(yīng)用，大量的檢測點將數(shù)據(jù)發(fā)送至一個中央主機，該中央主機可利用一個過程設(shè)定點或其他配置變更做出響應(yīng)。

從理想的角度來說，客戶當(dāng)然希望擁有這樣一種技術(shù)：成本低、可不受限制地安放傳感器、以低延遲可靠地接收周期性數(shù)據(jù)、并在不更換電池的情況下于設(shè)備的使用期限內(nèi)連續(xù)運行。近期的技術(shù)進步使我們能夠在許多市場上提供上述特性。

為擔(dān)負這項任務(wù)，有多種技術(shù)正在展開競爭，包括衛(wèi)星、蜂窩、Wi-Fi 以及一系列基于 IEEE 802.15.4 無線標(biāo)準(zhǔn)的解決方案。這些技術(shù)可幫助用戶組建用于收集傳感器數(shù)據(jù)的 WSN。

衛(wèi)星和蜂窩技術(shù)是許多應(yīng)用的合適之選，但它們每個數(shù)據(jù)包的能源成本是最高的。而且，數(shù)據(jù)包月費用也令人望而卻步 (雖然這種情況隨著運營商們推出適合相對稀疏數(shù)據(jù)流量的收費模式而有可能得到一定的改觀)。再有，覆蓋范圍也會是一個問題。顯然，衛(wèi)星或蜂窩電話信號很難走出阻礙嚴(yán)重的建筑物，而傳感器通常并不能夠左右移動并詢問“現(xiàn)在您能聽到嗎?”。不過，對于那些具有上佳連通性并以非常低數(shù)據(jù)速率 (例如：每天傳送一個數(shù)據(jù)包) 發(fā)送信息的應(yīng)用而言，衛(wèi)星或蜂窩技術(shù)是十分有用的。

Wi-Fi (IEEE 802.11b, g) 傳感器目前得到了廣泛的使用。Wi-Fi 數(shù)據(jù)包的能源成本遠低于蜂窩技術(shù)，而且沒有數(shù)據(jù)的經(jīng)常性費用。連通性和覆蓋范圍仍然是重要的問題，因為與移動人性化系統(tǒng)的需要相比，利用一個固定傳感器實現(xiàn)可靠通信所需的接入點密度通常會更高。

在參考 OSI 分層模型的基礎(chǔ)上，802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)定義了一個針對短程、低功率操作的物理層 (PHY) 和媒體接入控制 (MAC) 層，非常適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。該無線標(biāo)準(zhǔn)具有相對較低的數(shù)據(jù)速率 (至 250kbps 以下)；數(shù)據(jù)包簡短 (128 字節(jié)) 且為低能耗。例如：發(fā)送幾個字節(jié)的傳感器數(shù)據(jù)以及路徑、加密、和其他標(biāo)頭所需的時間少于 1ms。這過程采用少于 30µC 的電荷，包括接收一個安全鏈路層確認信號 (見圖 1)。傳感器能發(fā)送來自方鄰傳感器的無線數(shù)據(jù)包，從而擴展了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍 (遠遠超出了單無線射頻的覆蓋范圍)，并使網(wǎng)絡(luò)擁有了針對任何單無線鏈路故障的免疫力。

各種不同 WSN 解決方案的評估基于兩個問題：“我能否快速地獲得所有的數(shù)據(jù)?”和“成本將達到多少?”。WSN 必須專為在具有低至約 50% 的鏈路層數(shù)據(jù)包遞交率 (PDR) 的環(huán)境中工作而設(shè)計。

當(dāng)開發(fā)無線數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)時，有幾項性能指標(biāo)是必須滿足的。首先，系統(tǒng)必須滿足一個最小可靠性目標(biāo)。就工業(yè)應(yīng)用而言，目標(biāo)通常是至少接收 99.9% 的生成數(shù)據(jù)，因為丟失的數(shù)據(jù)會觸發(fā)代價高昂的警報條件。其次，系統(tǒng)必須支持一定的吞吐量，即每秒傳送若干個傳感器數(shù)據(jù)包。第三，這些數(shù)據(jù)包僅當(dāng)其在某個最大延遲周期以內(nèi)收到時才有效。許多處理器依靠的是最新數(shù)據(jù)更新 —— 對于控制來說，過期數(shù)據(jù)或許不具備實用性。第四，不少系統(tǒng)必須在嚴(yán)苛的環(huán)境中運作，此類環(huán)境包括寬溫度范圍及本質(zhì)安全限制條件。只有那些滿足了所有上述四項要求的解決方案才被認為適合做進一步的評估。

當(dāng)研究各種滿足相關(guān)要求的解決方案時，關(guān)鍵的選擇標(biāo)準(zhǔn)變成了“擁有成本”和“靈活性”。擁有成本涵蓋多個方面：產(chǎn)品開發(fā)、安裝、硬件以及設(shè)備使用期限內(nèi)的供電。與有線解決方案相比，無線技術(shù)大幅度地降低了安裝成本，不過，電池供電型無線設(shè)備卻有可能需要在網(wǎng)絡(luò)的使用期限內(nèi)更換電池。另外，還需要在以下兩種選擇方案之間進行權(quán)衡，即：構(gòu)建具有少量高功率設(shè)備的網(wǎng)絡(luò) (以降低硬件成本) 抑或構(gòu)筑采用大量低功率設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。對于那些由能量收集單元 (例如：太陽能、熱電) 供電的設(shè)備，大部分的成本或許取決于電容器尺寸。諸如時分多址 (TDMA) 等采用確定性調(diào)度的解決方案可幫助將大電流事件盡可能地分離開來，從而降低電容器尺寸要求。

由于最終的部署情況不可預(yù)知，因此網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計必須具備高度的靈活性。網(wǎng)絡(luò)所安裝的傳感器數(shù)量必須是可調(diào)節(jié)的 (從少到多)，網(wǎng)絡(luò)的密度也須具備從低到高的調(diào)節(jié)范圍。為了在多種多樣的無線環(huán)境中保持堅固性，資源配置應(yīng)確保設(shè)備可在適度干擾的條件下可靠地通信，而且當(dāng)個別設(shè)備丟失時，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能繼續(xù)正常運行。附加的資源 (包括更多的無線鏈路、用于每部設(shè)備的更多相鄰設(shè)備、或更多的信號放大) 可改善可靠性與延遲。所有這些附加資源都將導(dǎo)致功率成本的增加，可利用動態(tài)分配最大限度地減小這種功率成本的上漲。

基于標(biāo)準(zhǔn)的解決方案可避免采用單一供應(yīng)商組件時所遇到供應(yīng)鏈難以預(yù)測的變化，并可保證同意在運作的管理原理 (例如：安全性架構(gòu))。

就實質(zhì)而言，無線通道是不可靠的，而且許多現(xiàn)象都會阻止一個已發(fā)送的數(shù)據(jù)包到達接收器。此類現(xiàn)象之一就是干擾。假如兩個獨立的發(fā)送器在同一個通道上傳送數(shù)據(jù) (因而其信號重疊)，它們就有可能在接收器的無線電路中損壞彼此的信號。這就要求發(fā)送器進行重發(fā)，代價將是時間和能源消耗的增加。

如果基礎(chǔ)媒體接入技術(shù)未排定無爭用通信，則干擾可能來自同一個網(wǎng)絡(luò)。倘若兩個發(fā)送器能夠“聽到”接收器，但相互之間聽不到 (這被稱為“隱藏終端問題”)，那就特別成問題了，它需要退下來并用確認機理來解決沖突。

干擾也可能來自工作于相同無線電空間里的另一個網(wǎng)絡(luò)，或者一種使用同一頻段的不同無線電技術(shù)。后者 (被稱為“外部”干擾) 尤其存在于無需申請許可的頻段，例如：2.400 至 2.485GHz 的儀表、科學(xué)和醫(yī)學(xué) (ISM) 頻段、Wi-Fi、藍牙和 802.15.4 等都工作在此頻段上。

圖 2 中的曲線是通過以下方法獲得的：在一個辦公環(huán)境中部署 45 個 802.15.4 節(jié)點，讓它們交換 1200 萬個均勻分布在 16 個 802.15.4 通道上的數(shù)據(jù)包。該曲線圖描繪了這些數(shù)據(jù)包的平均數(shù)據(jù)包遞交率與用于傳送它們的通道之間之函數(shù)關(guān)系；在重疊了 Wi-Fi 通道的通道上，該遞交率較低。

第二種現(xiàn)象是圖 3 所示的多徑衰落，它會阻止一個已發(fā)送的數(shù)據(jù)包到達接收器，而且不僅更具破壞性，量化也更加困難。這通常被描述為“自干擾”，當(dāng)接收器同時接收到發(fā)送器通過視線路徑傳送的信號以及環(huán)境中的物體 (地板、天花板、門、人 … 等等) 所反射的同一信號時，就會發(fā)生此類現(xiàn)象。由于那些“拷貝信號”的傳輸距離不同，因此它們到達接收器的時間不一樣，從而有可能產(chǎn)生破壞性的干擾。20dB ~ 30dB 的衰落并不是少見。

圖 3 是通過以下方法獲得的：讓一個發(fā)送器將 1000 個數(shù)據(jù)包傳送至一個 5m 之外的接收器，并把該接收器輪流安放在一個 35cm x 20cm 網(wǎng)格的每個點以重復(fù)上述過程。z 軸代表該鏈路上的數(shù)據(jù)包遞交率。雖然鏈路在大多數(shù)位置上均處于良好狀態(tài)，但在某些位置上卻由于多徑衰落的原因而未能成功地接收數(shù)據(jù)包。

多徑衰落取決于環(huán)境中每個物體的位置和性質(zhì)，而且在任何實際設(shè)置中都是不可預(yù)知的。一個優(yōu)良的特性是：圖 3 中描繪的“分布狀況”會隨頻率而變化。即：假如某個數(shù)據(jù)包因多徑衰落之故而未被接收，那么在一個不同的頻率上重新進行發(fā)送其獲得成功的概率是很高的。

由于環(huán)境中的物體不是靜態(tài)的 (例如：有車輛從旁邊駛過以及門的開閉等)，因此多徑的影響隨時間而改變。圖 4 示出了兩個工業(yè)傳感器之間單個無線路徑上的數(shù)據(jù)包遞交率 (時間跨度為 26 天，且針對系統(tǒng)所采用的全部 16 個通道)。在圖中我們發(fā)現(xiàn)了周循環(huán)，工作日和周末清晰可見。在任意給定的時間，一些通道工作狀態(tài)良好 (擁有高遞交率)，一些則欠佳，而還會有這么一些通道處于高度易變的狀態(tài)。通道 17 雖然一般都處于良好狀態(tài)，但至少會有一個零遞交周期。從質(zhì)量的角度來看，網(wǎng)絡(luò)中的每個路徑均表現(xiàn)出相似的工作特性，但具有不同的通道性能，而且絕對不會有任何一個通道可在網(wǎng)絡(luò)中的所有位置上都保持良好的工作狀態(tài)。^【1】

由于干擾及多徑衰落的原因，構(gòu)建可靠無線系統(tǒng)的關(guān)鍵在于充分利用通道和路徑分集。

如前文所述，一項非常適合解決 WSN 問題的技術(shù)是 IEEE 802.15.4。802.15.4 無線標(biāo)準(zhǔn)在多個無需申請許可的頻段中提供了低功率、低數(shù)據(jù)速率 PHY，這些頻段包括可在北美地區(qū)使用的 915MHz 頻段和全球可用的 2.4GHz ISM 頻段。2.4GHz 頻段擴頻 PHY 可提供噪聲免疫力 —— 對于專為有可能工作于擁擠的免執(zhí)照頻段而設(shè)計的低能耗設(shè)備而言，這是一個特別重要的特性。該標(biāo)準(zhǔn)還定義了一個基于可靠和經(jīng)確認數(shù)據(jù)包 (或幀) 的 MAC 層，其具有任選的加密和驗證功能。這種靈活的解決方案構(gòu)成了多個專有和基于標(biāo)準(zhǔn)之協(xié)議的基礎(chǔ)，包括 ZigBee 協(xié)議 (它采用該解決方案以形成非同步化的單通道網(wǎng)絡(luò)) 和 WirelessHART 協(xié)議^{【2】 (其采用此解決方案以組建時間同步的多通道網(wǎng)絡(luò))。}

凌力爾特旗下的 Dust Networks 公司幫助制定的 WirelessHART 協(xié)議具有一個 802.15.4 2.4GHz PHY 和一個基于 802.15.4 的鏈路層，為標(biāo)準(zhǔn)的 802.15.4 MAC 增添了同步、通道跳頻、優(yōu)先級和基于時間的驗證。它具有一個提供了路徑和端到端安全性的網(wǎng)絡(luò)層，以及一個薄的不可靠/ 可靠網(wǎng)格傳輸層。WirelessHART 協(xié)議規(guī)定了時隙定時、設(shè)備保持同步的方法、以及設(shè)備如何通過在重復(fù)的超幀上將時間劃分為分隙式通信機會 (時隙) 來安排時間 / 通道通信機會。制定該協(xié)議的目的在于實現(xiàn)無線設(shè)備與工業(yè)過程監(jiān)視和控制應(yīng)用中廣泛使用的現(xiàn)有有線 HART 設(shè)備的無縫集成。WirelessHART 擴展了 HART 應(yīng)用層命令集，添加了用于管理無線資源和監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)健康狀況的命令。WirelessHART 網(wǎng)絡(luò)是高度可靠的網(wǎng)格，即使在設(shè)備不具備視線且間隔數(shù)十至數(shù)百米的情況下，每部設(shè)備都擁有多個其可發(fā)送數(shù)據(jù)的相鄰設(shè)備，從而提供了實現(xiàn)高可靠性所需的路徑分集。WirelessHART 網(wǎng)絡(luò)采取中央管理的方式，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)“智能”都存在于一個管理器之中。現(xiàn)場設(shè)備 (無線傳感器) 負責(zé)報告狀態(tài)信息，管理器利用這些信息來訓(xùn)練和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，而傳感器數(shù)據(jù)則被通報至一個被稱為網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用代理。

今年早些時候發(fā)布了新的 802.15.4e 修正案，其中正式確定了時隙式通道跳頻特性 (與 802.15.4 MAC 層上的 WirelessHART 中的特性相似)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了用于通告同步化信息 (以使設(shè)備能同步至一個網(wǎng)絡(luò)) 的機理，提供了基于時間的安全性，并規(guī)定了分隙式通信和跳頻序列。它在“信息元素”中大量運用了數(shù)據(jù)封裝，這使得能夠進行 MAC 的定制擴展，而不必等待標(biāo)準(zhǔn)的更新。其旨在簡化多層協(xié)議的開發(fā)，并專為耦合至一個 6LoWPAN 壓縮型 IPv6 網(wǎng)絡(luò)層 (定義于 IETF RFC 4944 和 6282^【3】) 而特別設(shè)計。

凌力爾特的 Dust Networks SmartMesh™ 產(chǎn)品線兼有符合 WirelessHART 及 6LoWPAN 標(biāo)準(zhǔn)的 IPv6 產(chǎn)品，它們利用 802.15.4 以提供市面上可靠最高和功率最低的 WSN 解決方案。Dust Eterna™ 微塵 (LTC5800 系列) 是單芯片器件，其將一個 Cortex-M3™ 微處理器、存儲器和外設(shè)耦合至目前功率最低的 802.15.4 無線線路 (圖 5)。設(shè)計人員將微塵芯片嵌入在其傳感器組件之中，并可依靠網(wǎng)絡(luò)形成和優(yōu)化，并將傳感器數(shù)據(jù)傳輸至其應(yīng)用。Dust 的管理器可實現(xiàn)從幾十到幾千個設(shè)備的平穩(wěn)調(diào)節(jié)，并提供用于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)及配置接口。兩個產(chǎn)品系列均適合構(gòu)建能提供可按節(jié)點配置之?dāng)?shù)據(jù)速率之高度可靠的多跳網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)。它們適于解決各種各樣的 WSN 問題。采用 Dust 微塵和管理器的部分應(yīng)用實例包括：

泊車 － Streetline 公司【4】是一家智能泊車解決方案供應(yīng)商，其產(chǎn)品可監(jiān)視城市泊車位的實時可用情況。車輛探測器安裝在泊車位的下方，位于鋪砌層的內(nèi)部并與路面齊平。這就帶來了挑戰(zhàn)，因為傳感器件的天線安放在地下，而后當(dāng)車位被占據(jù)時則被金屬車輛所覆蓋。無線路徑分集是必不可少的，因為不同的車輛停放位置會改變器件對之間的路徑質(zhì)量。Streetline 將高架的轉(zhuǎn)發(fā)器件安裝在附近的街燈上，以獲得至停車傳感器的視線。這些轉(zhuǎn)發(fā)器形成了一個多跳網(wǎng)格，用于把所有的車位占用數(shù)據(jù)收集至局部網(wǎng)絡(luò)管理器，并在此匯總到一個覆蓋全城的數(shù)據(jù)庫之中以供客戶和執(zhí)法機構(gòu)使用。無線技術(shù)對于此類應(yīng)用是至關(guān)緊要的，因為要想用電線將傳感器連接至每個車位操作起來是非常困難的，而低功率無線通信還可降低更換電池的頻度。

煉油廠過程控制 － 雪佛龍 (Chevron) 公司采用無線網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)視石油開采和提煉設(shè)備。這些網(wǎng)絡(luò)常常部署于嚴(yán)酷的環(huán)境 (因為存在危險的極端溫度和化學(xué)品，并存在發(fā)生爆炸的風(fēng)險)，在這里無法為有線傳感器布設(shè)導(dǎo)管。此外，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和移動運營商的監(jiān)視。以一種配置為例 (圖 6)，無線網(wǎng)絡(luò)被安裝在遍布一個大型煉油廠的不同位置。為了把數(shù)據(jù)收集到一個集中式控制中心，采用了一個 Cisco IEEE 802.11a 無線網(wǎng)格，作為每個 IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)管理器的回傳骨干連接。這使得低功率傳感器件能夠向其局部管理器進行報告，數(shù)據(jù)在局部管理器上聚集并可靠地往復(fù)傳送。該配置充分體現(xiàn)了兩種標(biāo)準(zhǔn)之間的強大融合。

能耗監(jiān)測 － Vigilent 公司【5】可提供用于室內(nèi)環(huán)境 (例如：環(huán)境控制至關(guān)重要的數(shù)據(jù)中心) 的智能型能耗管理系統(tǒng)。由于數(shù)據(jù)中心里任何位置的溫度上升都可能導(dǎo)致設(shè)備故障，因此空調(diào)常常以滿功率連續(xù)運行，從而造成能源浪費。設(shè)備管理人員不愿意其內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)受到危害，因此 Vigilent 部署了不會影響常規(guī)運作的無線器件。另外，設(shè)備對于安全性也十分敏感，因此需要采用無線協(xié)議對所有的數(shù)據(jù)包進行端到端加密，并在網(wǎng)絡(luò)管理器上提供附加的安全性。數(shù)據(jù)中心檢測點通常都很密集，Vigilent 成功地部署了多個重疊網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)所要求的傳感器數(shù)目。

基于 802.15.4 無線標(biāo)準(zhǔn)的多通道時間同步網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)可解決構(gòu)建靈活、可靠、低功率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所涉及的眾多難題。