低功耗無線檢測

與傳統有線檢測系統相比，低功耗無線技術正在使傳感器網絡的成本大幅降低，并為采用有線方法根本不可能實現的傳感器網絡提供了實現的可能性。低功耗無線傳感器網絡 (WSN) 標準，尤其是采用時間同步通道跳頻 (TSCH) 技術的網格架構，使網絡中的所有節點都能靠電池或收集的能量工作，而不會犧牲可靠性或數據吞吐率。這使應用開發人員能自由地將傳感器放置在任何地方，而不僅是有電源可用的地方，但是無論在哪里，應用都需要傳感器數據。在高度可靠的低功耗 TSCH WSN 和能量收集領域，凌力爾特 (包括Dust Networks產品部) 已經走在了技術創新的前列。這些技術齊頭并進，可為那些部署電池更換需求量極少 (如果有的話) 之系統的應用開發人員提供更多的機會，從而進一步降低部署無線傳感器的壽命成本并刺激物聯網 (IoT) 的發展。

ON World 2012年進行的一項研究顯示，WSN 的兩個屬性對工業客戶最重要：可靠性和低功耗 (圖 1)。成本在研究結果中排在第三位。如果不解決可靠性和功耗問題，成本就不會是客戶優先考慮的問題。

圖 1：被認為重要的 WSN 屬性

Satisfaction：滿意度

Importance：重要性

Data reliability：數據可靠性

Cost/affordability：成本 / 可負擔能力

Battery lifetime：電池壽命

Source：數據來源

Dust Networks多年來一直研發 TSCH，客戶已采用了數千個 Dust產品，根據 Dust Networks 的豐富經驗，很顯然，精確同步的時隙、通道跳頻和超低功耗無線電相結合，能實現功耗最低、最可靠的 WSN。由于這種對低功耗的專注，所以所有節點都能靠低成本電池工作很多年，也為使用各種能源提供了可行性，其中包括能量收集電源。

低功耗無線電

IEEE 802.15.4 標準為 WSN 提供了卓越的無線電平臺。IEEE 802.15.4 標準定義了一個 2.4GHz、16 通道擴頻低功率物理 (PHY) 層，許多 IoT 技術就是以該物理層為基礎構建的，包括 ZigBee 和 WirelessHART。另外，該標準還定義了一個媒體接入控制 (MAC) 層，其為 ZigBee 的基礎。然而，這個 MAC 的單通道本質使其可靠性不可預測。為了改善可靠性，WirelessHART 協議 (又稱為 IEC62591) 基于 15.4 MAC 定義了多通道鏈路層，以實現高可靠性 (>99.9%)，工業 WSN 應用就是需要這樣的可靠性。在 2012 年初，稱為 802.15.4e 的新版 802.15.4 MAC 獲得批準，這個 MAC 包括多通道網格和時隙。符合 802.15.4 的無線電之典型功率輸出大約為 0dBm，同時發送和接收電流范圍為 15mA 至 30mA。0dBm 時同類最佳發送電流為 5.4mA，同類最佳接收電流為 4.5mA (基于凌力爾特的 LTC5800)。

時間同步使節省功率和通道跳頻得以實現

最初的 802.15.4 MAC 要求在網格網絡中發送來自相鄰節點信息的節點始終保持接通，而僅發送 / 接收自己數據的節點 (常稱為“精簡功能節點”) 可以在發送之間休眠。為了使網絡中的所有節點都成為低功率節點，節點之間的通信必須排定時間，而且在網絡中必要擁有一個共同的時間感。同步越嚴格，路由節點無線電必須處于“接通”狀態的時間就越短，這最大限度地降低了功耗。在多跳網格網絡中，同類最佳的 TSCH 系統在幾十微秒時間內同步所有節點。一旦網絡中有一個共同和準確的時間感，而且針對網絡中節點之間的兩兩傳送有一個時隙安排表，那么通道分配就可以納入該時間以實現通道跳頻。

通道跳頻減輕了干擾和多徑衰落

無線通道本質上是不可靠的，很多現象可能使所發送的數據包無法到達接收器，隨著無線電功耗降低，這種情況可能惡化。多個發送器同時通過同一頻率發送信息時就會發生干擾。如果這些發送器相互之間接收不到對方的信息，但是接收器能接收到所有發送器的信息 (“隱藏終端問題”)，那么這種干擾尤其成問題。人們需要延時、重發和確認機制來解決沖突問題。干擾可能來自網絡的內部、工作在相同無線電空間中的另一個類似的網絡、或者來自于某種同頻段工作的不同無線電技術，這在 Wi-Fi、Bluetooth 和 802.15.4 技術共用的 2.4GHz 頻段中是一種常見現象。

第二種不可預知的現象被稱為“多徑衰落”，即使在預計的視線鏈路裕量充足的情況下，這種現象也可能妨礙成功發送。當傳輸信號的多個副本被環境中的物體 (天花板、門、人等等) 反彈、而各反射副本的傳播距離不同時就會出現這種狀況。當發生相消干涉時，20dB 至 30dB 的衰落是很常見的。多徑衰落取決于傳輸頻率、設備位置以及每一個鄰近的物體;對其進行預測幾乎是不可能的。圖 2 顯示了在 26 天時間內，在兩個工業傳感器之間的單條無線通路上的數據包投送率，該系統采用 16 個通道，圖中顯示了每一個通道的情況。在任何給定時間，一些通道很好 (高投送率)，而另一些很差，還有一些處于高度變化之中。重要的是，沒有任何一段時間能看到在網絡各處所有通路的通道狀態處于良好情況。