用無線傳感器組成無線傳感器網絡

　　低功率數據包交換─采用TSCH 允許節點在預定的通信操作之間處于超低功耗的休眠狀態。每個設備僅在發送數據包或檢測相鄰設備是否發送數據包時才處于工作狀態。更重要的是，因為每個節點都知道自己的設定喚醒時間，所以每個節點都始終可用于轉發相鄰設備的信息。因此，TSCH網絡常常達到<1%的占空比，同時保持網絡完全可用。此外，因為每個數據包的收發時間都是設定好的，所以在TSCH網絡中不存在網絡內數據包碰撞問題。網絡可以很密集和增加規模，而不會產生逐漸衰減的 RF自干擾。

　　配對的通道跳頻─時間同步允許在每對發送器接收器上進行通道跳頻，實現頻率多樣性。在TSCH網絡中，每個數據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，不同成對設備之間的多通道傳輸可能同時在不同的通道上發生，從而擴大了網絡帶寬。

　　全面的路徑和頻率多樣性─ 每個設備都有冗余路徑，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據包傳輸失敗，那么節點將自動嘗試下一條可用路徑和不同的RF通道。與其他網狀網絡技術不同，TSCH網絡不需要由電源供電的路由器和耗費時間的路徑再發現。

　　基于TSCH的網絡已經成功用于多種應用，例如智能停車應用^[1]，在數據中心中監視能效^[2]，用于工廠^[3]中。諸如管道監視、橋梁及隧道的結構監視以及電力傳輸線監視等很多應用都要求無線傳感器網絡跨越很長的距離。然而，跨越這么長的距離建立無線網絡并成功保持可靠性和低功率，需要一種更加富有挑戰性的拓撲。按照定義，深跳網絡意味著，來自最遠節點的信息需要經過很多次跳轉，才能到達目的地。盡管這么做能夠使單一網絡覆蓋很大的地理范圍，而且收發器的功率相對較低，但是這種方法有時會產生一個問題，即一個覆蓋面積很大的網絡是否能夠成功保持所有無線節點都有均勻的數據流量，以及是否能夠以可接受的延遲和電流消耗，保持這樣的數據流量。

　　案例分析—深跳網狀網絡

　　為了描述這類網絡的特征，我們用Dust Networks的SmartMesh IP網絡構建了一個100個節點、32跳的深跳網絡，并對其進行了測量。100個節點中的每一個都是每隔30秒產生并發送一個數據包，預計每個數據包的接收都在30秒的延遲時間內完成 (即在同一節點產生下一個數據包之前完成)。

　　該深跳網絡是由真實的無線設備構成的，其中7款設備(以編號1~7表示)直接與管理器通信。設備8~10通過上述7個節點通信，其余設備(設備 11~101)在編號位于其前后3 個設備的覆蓋范圍之內。例如，設備50在設備47、48、49、51、52和53的覆蓋范圍之內。在這種拓撲中，到達設備101 的最小傳輸(跳轉)次數為32，盡管實際上大多數數據包需要更多跳轉次數。

　　截至本文截稿時，這個網絡已經連續運行52天。總共接收了1700萬個數據包，由于跳轉深度和重試，所以進行了總數超過4億次的單獨傳輸。在所發送的1700萬個數據包中，一個都沒丟，因此數據傳輸可靠性達到了 100%。在這些數據包中，約針對2.5 萬個提交了“健康報告”，即節點周期性發送的診斷信息。

　　對延遲和電流消耗的分析

　　每個數據包在傳感器節點上產生時以及在管理器上接收時，都有時間戳，因此每個數據包的延遲都可以監視。圖3所示是這個網絡在一個超過90分鐘的時段內的數據分布情況。正如所預期的那樣，編號較大的那些節點，即處于網絡較深處的節點，延遲時間較長，每個數據包的變化也較大，因為路徑選擇隨深度加大而成指數上升。盡管這樣，來自最遠節點 (編號101)的數據包全部在不到30秒的預定延遲時間內到達了目的地。

　　所有節點內部都保持一份所消耗電池電量的數據，并周期性地向管理器報告這一信息。從這一信息中，可以畫出整個網絡的平均電流曲線，如圖4所示。編號較小的節點之電流消耗最大，因為這些節點需要傳輸來自較遠節點的數據流量。如圖4所示，在這個32跳的深跳網絡中，即使負載最重的路由器，平均電流消耗也僅為幾百微安。既然電流消耗這么低，那么路由節點就可以用一對D-cell鋰電池供電，可持續工作超過15年。

　　結論

　　在富有挑戰性的應用中，基于時間同步通道跳頻的SmartMesh IP網絡通常提供>99.999%的數據可靠性，功耗也非常低。因為用相當小的鋰電池可工作10至15年，所以無線傳感器實際上可以放置在任何地方，從而可實現真正城市級的物聯網應用。

　　參考文獻：
　　[1]Streetline[R/OL].www.linear.com/docs/41387
　　[2]Vigilent[R/OL].www.linear.com/docs/41384
　　[3]Emerson Process[R/OL].www.linear.com/docs/41383