用無線傳感器組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　低功率數(shù)據(jù)包交換─采用TSCH 允許節(jié)點在預(yù)定的通信操作之間處于超低功耗的休眠狀態(tài)。每個設(shè)備僅在發(fā)送數(shù)據(jù)包或檢測相鄰設(shè)備是否發(fā)送數(shù)據(jù)包時才處于工作狀態(tài)。更重要的是，因為每個節(jié)點都知道自己的設(shè)定喚醒時間，所以每個節(jié)點都始終可用于轉(zhuǎn)發(fā)相鄰設(shè)備的信息。因此，TSCH網(wǎng)絡(luò)常常達(dá)到<1%的占空比，同時保持網(wǎng)絡(luò)完全可用。此外，因為每個數(shù)據(jù)包的收發(fā)時間都是設(shè)定好的，所以在TSCH網(wǎng)絡(luò)中不存在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)包碰撞問題。網(wǎng)絡(luò)可以很密集和增加規(guī)模，而不會產(chǎn)生逐漸衰減的 RF自干擾。

　　配對的通道跳頻─時間同步允許在每對發(fā)送器接收器上進(jìn)行通道跳頻，實現(xiàn)頻率多樣性。在TSCH網(wǎng)絡(luò)中，每個數(shù)據(jù)包交換通道都會跳頻，以避開不可避免的RF干擾和衰落。此外，不同成對設(shè)備之間的多通道傳輸可能同時在不同的通道上發(fā)生，從而擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)帶寬。

　　全面的路徑和頻率多樣性─ 每個設(shè)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題。如果一條路徑上的數(shù)據(jù)包傳輸失敗，那么節(jié)點將自動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間的路徑再發(fā)現(xiàn)。

　　基于TSCH的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成功用于多種應(yīng)用，例如智能停車應(yīng)用^[1]，在數(shù)據(jù)中心中監(jiān)視能效^[2]，用于工廠^[3]中。諸如管道監(jiān)視、橋梁及隧道的結(jié)構(gòu)監(jiān)視以及電力傳輸線監(jiān)視等很多應(yīng)用都要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨越很長的距離。然而，跨越這么長的距離建立無線網(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(zhàn)性的拓?fù)?。按照定義，深跳網(wǎng)絡(luò)意味著，來自最遠(yuǎn)節(jié)點的信息需要經(jīng)過很多次跳轉(zhuǎn)，才能到達(dá)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，但是這種方法有時會產(chǎn)生一個問題，即一個覆蓋面積很大的網(wǎng)絡(luò)是否能夠成功保持所有無線節(jié)點都有均勻的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)流量。

　　案例分析—深跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

　　為了描述這類網(wǎng)絡(luò)的特征，我們用Dust Networks的SmartMesh IP網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了一個100個節(jié)點、32跳的深跳網(wǎng)絡(luò)，并對其進(jìn)行了測量。100個節(jié)點中的每一個都是每隔30秒產(chǎn)生并發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，預(yù)計每個數(shù)據(jù)包的接收都在30秒的延遲時間內(nèi)完成 (即在同一節(jié)點產(chǎn)生下一個數(shù)據(jù)包之前完成)。

　　該深跳網(wǎng)絡(luò)是由真實的無線設(shè)備構(gòu)成的，其中7款設(shè)備(以編號1~7表示)直接與管理器通信。設(shè)備8~10通過上述7個節(jié)點通信，其余設(shè)備(設(shè)備 11~101)在編號位于其前后3 個設(shè)備的覆蓋范圍之內(nèi)。例如，設(shè)備50在設(shè)備47、48、49、51、52和53的覆蓋范圍之內(nèi)。在這種拓?fù)渲?，到達(dá)設(shè)備101 的最小傳輸(跳轉(zhuǎn))次數(shù)為32，盡管實際上大多數(shù)數(shù)據(jù)包需要更多跳轉(zhuǎn)次數(shù)。

　　截至本文截稿時，這個網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)連續(xù)運行52天?？偣步邮樟?700萬個數(shù)據(jù)包，由于跳轉(zhuǎn)深度和重試，所以進(jìn)行了總數(shù)超過4億次的單獨傳輸。在所發(fā)送的1700萬個數(shù)據(jù)包中，一個都沒丟，因此數(shù)據(jù)傳輸可靠性達(dá)到了 100%。在這些數(shù)據(jù)包中，約針對2.5 萬個提交了“健康報告”，即節(jié)點周期性發(fā)送的診斷信息。

　　對延遲和電流消耗的分析

　　每個數(shù)據(jù)包在傳感器節(jié)點上產(chǎn)生時以及在管理器上接收時，都有時間戳，因此每個數(shù)據(jù)包的延遲都可以監(jiān)視。圖3所示是這個網(wǎng)絡(luò)在一個超過90分鐘的時段內(nèi)的數(shù)據(jù)分布情況。正如所預(yù)期的那樣，編號較大的那些節(jié)點，即處于網(wǎng)絡(luò)較深處的節(jié)點，延遲時間較長，每個數(shù)據(jù)包的變化也較大，因為路徑選擇隨深度加大而成指數(shù)上升。盡管這樣，來自最遠(yuǎn)節(jié)點 (編號101)的數(shù)據(jù)包全部在不到30秒的預(yù)定延遲時間內(nèi)到達(dá)了目的地。

　　所有節(jié)點內(nèi)部都保持一份所消耗電池電量的數(shù)據(jù)，并周期性地向管理器報告這一信息。從這一信息中，可以畫出整個網(wǎng)絡(luò)的平均電流曲線，如圖4所示。編號較小的節(jié)點之電流消耗最大，因為這些節(jié)點需要傳輸來自較遠(yuǎn)節(jié)點的數(shù)據(jù)流量。如圖4所示，在這個32跳的深跳網(wǎng)絡(luò)中，即使負(fù)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(jié)點就可以用一對D-cell鋰電池供電，可持續(xù)工作超過15年。

　　結(jié)論

　　在富有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用中，基于時間同步通道跳頻的SmartMesh IP網(wǎng)絡(luò)通常提供>99.999%的數(shù)據(jù)可靠性，功耗也非常低。因為用相當(dāng)小的鋰電池可工作10至15年，所以無線傳感器實際上可以放置在任何地方，從而可實現(xiàn)真正城市級的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

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