作者:Jonathan Simon 和 Thomas Watteyne
我們生活在一個(gè)充滿傳感器的世界。我們工作的建筑物都有傳感器監(jiān)控溫度、占用率、煙霧和火災(zāi)以及安全性。我們的汽車(chē)包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)傳感器,監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)性能、制動(dòng)和乘客安全設(shè)備,僅舉幾例。制造環(huán)境需要傳感器,因?yàn)槟鸁o(wú)法控制無(wú)法測(cè)量的東西。在滿足安全、質(zhì)量和效率目標(biāo)的同時(shí)制造產(chǎn)品需要大量的傳感器。
在過(guò)去的幾十年里,傳感器變得更小、更便宜、功耗更低,部分原因是摩爾定律和MEMS革命。不幸的是,安裝傳感器的成本并沒(méi)有跟上。通過(guò)電線傳輸電力和數(shù)據(jù)的成本通常使傳感器本身的成本相形見(jiàn)絀。以最近的電燈開(kāi)關(guān)為例:即使在新建筑中,1美元開(kāi)關(guān)的布線也可能花費(fèi)50美元,主要是人工。如果要將該開(kāi)關(guān)移動(dòng)到相鄰的墻壁上,則改造的價(jià)格要高得多。在工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化中,公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)法則是安裝傳感器(即使是簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān))需要 10,000 美元。在這種成本環(huán)境中,許多傳感器僅向本地控制器報(bào)告數(shù)據(jù) - 當(dāng)安裝數(shù)百或數(shù)千個(gè)傳感器時(shí),可能很少或根本沒(méi)有“大局”。我們需要的是一種廉價(jià)、可靠的傳感器聯(lián)網(wǎng)方式。
幾乎從馬可尼時(shí)代開(kāi)始,人們就使用無(wú)線技術(shù)來(lái)傳輸來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù),結(jié)果好壞參半。傳統(tǒng)上,這些鏈路是線供電和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的,由于環(huán)境條件,通常具有時(shí)變的可靠性。這對(duì)于某些應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)很好,但對(duì)大多數(shù)應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)限制性太強(qiáng)。
市場(chǎng)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的市場(chǎng)包括樓宇自動(dòng)化、工業(yè)控制、家庭自動(dòng)化、智能電網(wǎng)和自動(dòng)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施(AMI)、工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化、環(huán)境監(jiān)測(cè)、停車(chē)和運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施、能源監(jiān)控和庫(kù)存控制。
在大多數(shù)情況下,這些是雙向非對(duì)稱數(shù)據(jù)收集應(yīng)用程序 - 大量檢測(cè)點(diǎn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到中央主機(jī),中央主機(jī)可能會(huì)響應(yīng)過(guò)程設(shè)定點(diǎn)或其他配置更改。
技術(shù)選擇
理想情況下,客戶需要一種低成本的技術(shù),允許不受限制的傳感器放置,以低延遲可靠地接收定期數(shù)據(jù),并在設(shè)備使用壽命內(nèi)運(yùn)行而無(wú)需更換電池。最近的技術(shù)進(jìn)步使我們能夠在許多市場(chǎng)提供這些功能。
有幾種技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)來(lái)填補(bǔ)這一角色,包括衛(wèi)星,蜂窩,Wi-Fi和基于IEEE 802.15.4無(wú)線電的大量解決方案。這些技術(shù)允許用戶形成WSN來(lái)收集傳感器數(shù)據(jù)。
衛(wèi)星和蜂窩在許多應(yīng)用中運(yùn)行良好,但每包的能源成本最高。數(shù)據(jù)計(jì)劃費(fèi)用也可能令人望而卻步,盡管隨著運(yùn)營(yíng)商開(kāi)發(fā)適合相對(duì)稀疏的數(shù)據(jù)流的計(jì)費(fèi)模型,這種情況可能會(huì)發(fā)生變化。覆蓋范圍也可能是一個(gè)問(wèn)題。顯然,衛(wèi)星或手機(jī)信號(hào)很難從嚴(yán)重阻塞的結(jié)構(gòu)中出來(lái),而且傳感器通常沒(méi)有能力從一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)并詢問(wèn)“你現(xiàn)在能聽(tīng)到我的聲音嗎?然而,對(duì)于以非常低的數(shù)據(jù)速率(例如,每天一個(gè)數(shù)據(jù)包)發(fā)送且連接良好的應(yīng)用程序,衛(wèi)星或蜂窩可能很有意義。
Wi-Fi(IEEE 802.11b,g)傳感器現(xiàn)已廣泛使用。Wi-Fi數(shù)據(jù)包的能源成本遠(yuǎn)低于蜂窩網(wǎng)絡(luò),并且沒(méi)有經(jīng)常性的數(shù)據(jù)費(fèi)用。連接性和覆蓋范圍仍然是重要的問(wèn)題,因?yàn)榕c固定傳感器進(jìn)行可靠通信所需的接入點(diǎn)密度通常高于使用小工具的移動(dòng)人員所需的密度。
由于干擾和多徑衰落,構(gòu)建可靠無(wú)線系統(tǒng)的關(guān)鍵是利用信道和路徑分集。
參考 OSI 層模型,802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層 (PHY) 和介質(zhì)訪問(wèn)控制 (MAC) 層,用于短距離、低功耗操作,非常適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線電的數(shù)據(jù)速率相對(duì)較低(高達(dá)250kbps);數(shù)據(jù)包很短(< 128 字節(jié))且能耗低。例如,使用路由、加密和其他標(biāo)頭發(fā)送幾字節(jié)的傳感器數(shù)據(jù)需要不到1ms的時(shí)間,消耗的能量不到30μJ(見(jiàn)圖1),包括接收安全鏈路層確認(rèn)。傳感器可以轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自對(duì)等方的無(wú)線電數(shù)據(jù)包,將網(wǎng)絡(luò)的范圍擴(kuò)展到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出單個(gè)無(wú)線電的范圍,并為網(wǎng)絡(luò)提供對(duì)任何單個(gè)無(wú)線電鏈路故障的免疫力。
圖1.傳輸短 802.15.4 數(shù)據(jù)包并接收確認(rèn)的能量。
性能指標(biāo)
對(duì)各種WSN解決方案的評(píng)估基于兩個(gè)問(wèn)題,”我能足夠快地獲得所有數(shù)據(jù)嗎?“和”要花多少錢(qián)?“WSN 必須設(shè)計(jì)為在鏈路層數(shù)據(jù)包交付比率 (PDR) 低至 50% 左右的環(huán)境中工作。
在開(kāi)發(fā)無(wú)線數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)時(shí),必須滿足一些性能目標(biāo)。首先,系統(tǒng)必須滿足最低可靠性目標(biāo)。對(duì)于工業(yè)應(yīng)用,目標(biāo)通常是接收至少99.9%的生成數(shù)據(jù),因?yàn)閬G失數(shù)據(jù)可能會(huì)觸發(fā)昂貴的警報(bào)條件。其次,系統(tǒng)必須支持一定的吞吐量,即每秒多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)包。第三,這些數(shù)據(jù)包僅在最大延遲期內(nèi)收到時(shí)才有用。許多流程依賴于新的數(shù)據(jù)更新 — 為了控制,過(guò)時(shí)的數(shù)據(jù)可能沒(méi)有用處。第四,許多系統(tǒng)必須在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中運(yùn)行,包括寬溫度范圍和本質(zhì)安全限制。只有滿足所有這四個(gè)要求的解決方案才被認(rèn)為適合進(jìn)一步評(píng)估。
在考慮滿足要求的各種解決方案時(shí),關(guān)鍵的選擇標(biāo)準(zhǔn)是擁有成本和靈活性。擁有成本包括幾個(gè)方面:產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、安裝、硬件以及在安裝的整個(gè)生命周期內(nèi)供電。與有線解決方案相比,無(wú)線技術(shù)大大降低了安裝成本,但電池供電的無(wú)線設(shè)備可能需要在網(wǎng)絡(luò)的生命周期內(nèi)更換電池。在構(gòu)建具有少量高功率設(shè)備以降低硬件成本的網(wǎng)絡(luò)與使用大量低功耗設(shè)備之間也存在權(quán)衡。對(duì)于由能量收集電池供電的設(shè)備(例如,太陽(yáng)能、熱電),電容器尺寸可能決定成本的很大一部分。具有確定性調(diào)度的解決方案,如時(shí)分多址(TDMA),可以幫助盡可能分離大電流事件,以降低電容尺寸要求。
由于最終部署條件是不可預(yù)測(cè)的,因此網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)必須具有靈活性。網(wǎng)絡(luò)必須從少量傳感器擴(kuò)展到大量傳感器,從低密度擴(kuò)展到高密度。為了在各種無(wú)線環(huán)境中保持穩(wěn)健,資源配置應(yīng)確保設(shè)備在中等干擾下可靠地通信,并且網(wǎng)絡(luò)在單個(gè)設(shè)備丟失的情況下幸存下來(lái)。其他資源(包括更多無(wú)線鏈路、每個(gè)設(shè)備的更多鄰居或更多信號(hào)放大)可提高可靠性和延遲。所有這些增加都會(huì)增加電力成本,這可以通過(guò)動(dòng)態(tài)分配來(lái)最小化。
基于標(biāo)準(zhǔn)的解決方案可以不受單個(gè)供應(yīng)商組件的供應(yīng)鏈變幻莫測(cè)的影響,并保證社區(qū)已就運(yùn)營(yíng)指導(dǎo)原則(例如安全架構(gòu))達(dá)成一致。
挑戰(zhàn)
無(wú)線信道本質(zhì)上是不可靠的,許多現(xiàn)象會(huì)阻止傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包到達(dá)接收器。干擾就是其中一種現(xiàn)象。如果兩個(gè)獨(dú)立的發(fā)射器在同一信道上傳輸,使得它們的信號(hào)重疊,則它們可能會(huì)在接收器的無(wú)線電上破壞彼此的信號(hào)。這需要發(fā)射器重新傳輸,但代價(jià)是額外的時(shí)間和精力。
如果底層介質(zhì)訪問(wèn)技術(shù)未安排無(wú)爭(zhēng)用通信,則干擾可能來(lái)自同一網(wǎng)絡(luò)。如果兩個(gè)發(fā)射器可以聽(tīng)到接收器的聲音,但彼此聽(tīng)不到對(duì)方的聲音,這尤其成問(wèn)題——這被稱為”隱藏終端問(wèn)題“,它需要退避和確認(rèn)機(jī)制來(lái)解決沖突。
干擾也可能來(lái)自在同一無(wú)線電空間中運(yùn)行的另一個(gè)網(wǎng)絡(luò),或者來(lái)自使用相同頻段的不同無(wú)線電技術(shù)。后者被稱為”外部“干擾,尤其存在于未經(jīng)許可的頻段中,例如 2.400GHz 至 2.485GHz 儀器儀表、科學(xué)和醫(yī)療 (ISM) 頻段,這些頻段擠滿了 Wi-Fi、藍(lán)牙和 802.15.4。
圖 2 是通過(guò)在辦公環(huán)境中部署 45 個(gè) 802.15.4 節(jié)點(diǎn)并讓它們交換 1200 萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)包,平均分布在 16 個(gè) 802.15.4 通道上得到的。它將這些數(shù)據(jù)包的平均數(shù)據(jù)包傳輸比率繪制為它們傳輸?shù)耐ǖ赖暮瘮?shù);在與 Wi-Fi 信道重疊的信道上,此交付比率較低。
圖2.2.400GHz至2.485GHz頻段的Wi-Fi和802.15.4之間的干擾。
第二種現(xiàn)象是多徑衰落,如圖3所示,可能會(huì)阻止傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包到達(dá)接收器,并且更具破壞性且更難量化。通常被描述為”自我干擾“,當(dāng)接收者接收到來(lái)自發(fā)射器的視線路徑上的信號(hào),以及從環(huán)境中的物體(地板、天花板、門(mén)、人等)反彈的相同信號(hào)的”回波“時(shí),就會(huì)發(fā)生這種情況。由于這些副本傳播的距離不同,因此它們?cè)诓煌臅r(shí)間到達(dá)接收器,可能會(huì)產(chǎn)生破壞性干擾。20dB至30dB的淡入淡出并不少見(jiàn)。
圖3.多徑衰落會(huì)導(dǎo)致鏈路質(zhì)量發(fā)生巨大變化,即使僅將接收器移動(dòng)幾厘米也是如此。
圖3是通過(guò)將發(fā)射器向5m外的接收器發(fā)送1000個(gè)數(shù)據(jù)包,并在接收器位于35cm×20cm網(wǎng)格中的每個(gè)點(diǎn)上重復(fù)此操作而獲得的。z 軸表示該鏈路上的數(shù)據(jù)包傳遞比率。雖然鏈路在大多數(shù)位置都很好,但在某些位置,由于多路徑衰落,沒(méi)有成功接收數(shù)據(jù)包。
多徑衰落取決于環(huán)境中每個(gè)對(duì)象的位置和性質(zhì),在任何實(shí)際設(shè)置中都是不可預(yù)測(cè)的。一個(gè)很好的特性是圖3中描繪的地形隨頻率變化。也就是說(shuō),如果由于多路徑衰落而未收到數(shù)據(jù)包,則以不同頻率重新傳輸成功的可能性很高。
由于環(huán)境中的對(duì)象不是靜態(tài)的,例如,汽車(chē)駛過(guò),門(mén)被打開(kāi)和關(guān)閉,因此多路徑的影響會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化。圖4顯示了26天內(nèi)兩個(gè)工業(yè)傳感器之間單個(gè)無(wú)線路徑上的數(shù)據(jù)包傳輸率,以及系統(tǒng)使用的16個(gè)通道中每個(gè)通道的數(shù)據(jù)包傳輸率。每周都有工作日和周末清晰可見(jiàn)的周期。在任何給定時(shí)間,有些渠道是好的(高交付),有些是壞的,還有一些是高度變化的。渠道 17 雖然總體上不錯(cuò),但至少有一個(gè)零交付期。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)路徑都表現(xiàn)出質(zhì)相似的行為,但具有不同的信道性能,并且網(wǎng)絡(luò)中從來(lái)沒(méi)有任何一個(gè)信道是好的。1
圖4.無(wú)線鏈路的數(shù)據(jù)包傳送比率隨時(shí)間而變化。
由于干擾和多徑衰落,構(gòu)建可靠無(wú)線系統(tǒng)的關(guān)鍵是利用信道和路徑分集。
解決 方案
如前所述,IEEE 802.15.4–802.15.4 無(wú)線電非常適合解決 WSN 問(wèn)題的一種技術(shù),它在多個(gè)免許可頻段(包括北美可用的 915MHz 頻段和全球可用的 2.4GHz ISM 頻段)中提供低功耗、低數(shù)據(jù)速率 PHY。2.4GHz 頻段擴(kuò)頻 PHY 提供抗噪聲能力,這對(duì)于設(shè)計(jì)用于在潛在擁擠、未經(jīng)許可的頻段中運(yùn)行的低功耗設(shè)備來(lái)說(shuō),這是一個(gè)特別重要的特性。該標(biāo)準(zhǔn)還定義了具有可選加密和身份驗(yàn)證的可靠、確認(rèn)、基于數(shù)據(jù)包(或幀)的 MAC 層。這種靈活的解決方案構(gòu)成了幾種專(zhuān)有和基于標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議的基礎(chǔ),包括ZigBee協(xié)議(使用它來(lái)形成不同步的單通道網(wǎng)絡(luò))和WirelessHART協(xié)議,2使用它來(lái)形成時(shí)間同步的多通道網(wǎng)絡(luò)。
Dust Networks幫助開(kāi)發(fā)的WirelessHART協(xié)議具有802.15.4 2.4GHz PHY和基于802.15.4的鏈路層,該協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)802.15.4 MAC增加了同步,信道跳頻,優(yōu)先級(jí)和基于時(shí)間的身份驗(yàn)證。它有一個(gè)提供路由和端到端安全性的網(wǎng)絡(luò)層,以及一個(gè)薄的不可靠/可靠的網(wǎng)狀傳輸層。WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了時(shí)隙時(shí)序,設(shè)備如何保持同步,以及設(shè)備如何通過(guò)將時(shí)間劃分為重復(fù)超幀上的時(shí)隙通信機(jī)會(huì)(時(shí)隙)來(lái)安排時(shí)間/通道通信機(jī)會(huì)。該協(xié)議旨在允許無(wú)線設(shè)備無(wú)縫集成到現(xiàn)有的有線HART裝置中,廣泛用于工業(yè)過(guò)程監(jiān)測(cè)和控制應(yīng)用。WirelessHART擴(kuò)展了HART應(yīng)用層命令集,增加了用于管理無(wú)線資源和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況的命令。WirelessHART網(wǎng)絡(luò)是高度可靠的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò),即使對(duì)于沒(méi)有視線的設(shè)備,并且間隔數(shù)十到數(shù)百米,每個(gè)設(shè)備都有多個(gè)可以向其發(fā)送數(shù)據(jù)的鄰居,從而提供了可靠性所需的路徑多樣性。無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)是集中管理的,大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)智能駐留在管理器中。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(無(wú)線傳感器)報(bào)告管理器用于整理和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息,并將傳感器數(shù)據(jù)報(bào)告給稱為網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用程序代理。
應(yīng)用
凌力爾特的粉塵網(wǎng)絡(luò)智能網(wǎng)格?產(chǎn)品線包含符合 WirelessHART 和 6LoWPAN 標(biāo)準(zhǔn)的 IPv6 產(chǎn)品,這些產(chǎn)品利用 802.15.4 提供市場(chǎng)上最可靠、功耗最低的 WSN 解決方案。塵埃網(wǎng)絡(luò)永恒?微塵(LTC5800 系列)是單芯片器件,可將 Cortex-M3 微處理器、存儲(chǔ)器和外設(shè)耦合到目前功耗最低的 802.15.4 無(wú)線電(圖 5)。設(shè)計(jì)人員在其傳感器封裝中嵌入微塵,并可以依靠網(wǎng)絡(luò)來(lái)形成、優(yōu)化傳感器數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)狡鋺?yīng)用中。Dust Networks 管理器允許從數(shù)十臺(tái)設(shè)備優(yōu)雅地?cái)U(kuò)展到數(shù)千臺(tái)設(shè)備,為網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)和配置接口。這兩個(gè)產(chǎn)品系列均構(gòu)建了高度可靠的多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò),能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的可配置數(shù)據(jù)速率。它們適用于解決各種 WSN 問(wèn)題。使用灰塵的一些應(yīng)用程序示例??微塵和管理器包括:
停車(chē):街線4是一家智能停車(chē)提供商,監(jiān)控城市停車(chē)位的實(shí)時(shí)可用性。車(chē)輛探測(cè)器安裝在停車(chē)位下方、人行道一側(cè)并與道路齊平。這帶來(lái)了挑戰(zhàn),因?yàn)閭鞲衅髟O(shè)備的天線位于地下,然后在空間被占用時(shí)被金屬車(chē)輛覆蓋。無(wú)線路徑多樣性至關(guān)重要,因?yàn)椴煌能?chē)輛位置會(huì)改變?cè)O(shè)備對(duì)之間的路徑質(zhì)量。Streetline在附近的路燈上安裝高架中繼器設(shè)備,以獲得失速傳感器的視線。這些中繼器形成一個(gè)多跳網(wǎng)格,將所有占用數(shù)據(jù)收集到本地網(wǎng)絡(luò)管理器,在那里它被聚合到一個(gè)可供客戶和執(zhí)法機(jī)構(gòu)使用的全市數(shù)據(jù)庫(kù)中。無(wú)線技術(shù)對(duì)于此應(yīng)用至關(guān)重要,因?yàn)樗茈y將傳感器連接到每個(gè)空間,而低功耗無(wú)線降低了電池更換的頻率。
煉油廠過(guò)程控制:雪佛龍使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)監(jiān)控石油開(kāi)采和精煉設(shè)施。這些網(wǎng)絡(luò)通常部署在惡劣的環(huán)境中(由于危險(xiǎn)的溫度、化學(xué)品或爆炸風(fēng)險(xiǎn)),在這些環(huán)境中,有線傳感器無(wú)法運(yùn)行導(dǎo)管。此外,無(wú)線功能還可以監(jiān)控旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商。對(duì)于一次部署(圖 6),無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安裝在大型煉油設(shè)施周?chē)牟煌恢?。為了將?shù)據(jù)收集到集中控制中心,使用思科 IEEE 802.11a 無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)作為每個(gè) IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)管理器的回程連接。這允許低功耗傳感器設(shè)備向其本地管理器報(bào)告,在那里數(shù)據(jù)被聚合并可靠地穿梭。此部署代表了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之間的強(qiáng)大融合。
能源監(jiān)控:保持警惕5為室內(nèi)環(huán)境(如環(huán)境控制至關(guān)重要的數(shù)據(jù)中心)提供智能能源管理系統(tǒng)。由于數(shù)據(jù)中心任何位置的溫度升高都可能導(dǎo)致設(shè)備故障,因此空調(diào)經(jīng)常以全功率連續(xù)運(yùn)行,從而浪費(fèi)能源。設(shè)施管理人員不愿意危及其內(nèi)部網(wǎng)絡(luò),因此 Vigilent 部署了不會(huì)干擾正常運(yùn)行的無(wú)線設(shè)備。這些設(shè)施對(duì)安全性也很敏感,因此無(wú)線協(xié)議需要對(duì)所有數(shù)據(jù)包進(jìn)行端到端加密,并在網(wǎng)絡(luò)管理器上提供額外的安全性。數(shù)據(jù)中心的檢測(cè)點(diǎn)通常很密集,Vigilent 已經(jīng)成功地部署了多個(gè)重疊網(wǎng)絡(luò),以實(shí)現(xiàn)所需數(shù)量的傳感器。
圖5.LTC5800 粉塵永恒的框圖
圖6.用于煉油廠過(guò)程控制的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
結(jié)論
基于 802.15.4 無(wú)線電的多通道時(shí)間同步網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)解決了構(gòu)建靈活、可靠、低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所涉及的許多挑戰(zhàn)。
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