低功耗无线检测

凌力尔特公司
Dust Networks 产品部
总裁 Joy Weiss
产品市场经理 Ross Yu
系统工程总监 Jonathan Simon

与传统有线检测系统相比，低功耗无线技术正在使传感器网络的成本大幅降低，并为采用有线方法根本不可能实现的传感器网络提供了实现的可能性。低功耗无线传感器网络 (WSN) 标准，尤其是采用时间同步通道跳频 (TSCH) 技术的网格架构，使网络中的所有节点都能靠电池或收集的能量工作，而不会牺牲可靠性或数据吞吐率。这使应用开发人员能自由地将传感器放置在任何地方，而不仅是有电源可用的地方，但是无论在哪里，应用都需要传感器数据。在高度可靠的低功耗 TSCH WSN 和能量收集领域，凌力尔特 (包括Dust Networks产品部) 已经走在了技术创新的前列。这些技术齐头并进，可为那些部署电池更换需求量极少 (如果有的话) 之系统的应用开发人员提供更多的机会，从而进一步降低部署无线传感器的寿命成本并刺激物联网 (IoT) 的发展。

ON World 2012年进行的一项研究显示，WSN 的两个属性对工业客户最重要：可靠性和低功耗 (图 1)。成本在研究结果中排在第三位。如果不解决可靠性和功耗问题，成本就不会是客户优先考虑的问题。

图 1：被认为重要的 WSN 属性

Satisfaction：满意度
Importance：重要性
Data reliability：数据可靠性
Cost/affordability：成本 / 可负担能力
Battery lifetime：电池寿命
Source：数据来源

Dust Networks多年来一直研发 TSCH，客户已采用了数千个 Dust产品，根据 Dust Networks 的丰富经验，很显然，精确同步的时隙、通道跳频和超低功耗无线电相结合，能实现功耗最低、最可靠的 WSN。由于这种对低功耗的专注，所以所有节点都能靠低成本电池工作很多年，也为使用各种能源提供了可行性，其中包括能量收集电源。

低功耗无线电

IEEE 802.15.4 标准为 WSN 提供了卓越的无线电平台。IEEE 802.15.4 标准定义了一个 2.4GHz、16 通道扩频低功率物理 (PHY) 层，许多 IoT 技术就是以该物理层为基础构建的，包括 ZigBee 和 WirelessHART。另外，该标准还定义了一个媒体接入控制 (MAC) 层，其为 ZigBee 的基础。然而，这个 MAC 的单通道本质使其可靠性不可预测。为了改善可靠性，WirelessHART 协议 (又称为 IEC62591) 基于 15.4 MAC 定义了多通道链路层，以实现高可靠性 (>99.9%)，工业 WSN 应用就是需要这样的可靠性。在 2012 年初，称为 802.15.4e 的新版 802.15.4 MAC 获得批准，这个 MAC 包括多通道网格和时隙。符合 802.15.4 的无线电之典型功率输出大约为 0dBm，同时发送和接收电流范围为 15mA 至 30mA。0dBm 时同类最佳发送电流为 5.4mA，同类最佳接收电流为 4.5mA (基于凌力尔特的 LTC5800)。

时间同步使节省功率和通道跳频得以实现

最初的 802.15.4 MAC 要求在网格网络中发送来自相邻节点信息的节点始终保持接通，而仅发送 / 接收自己数据的节点 (常称为"精简功能节点") 可以在发送之间休眠。为了使网络中的所有节点都成为低功率节点，节点之间的通信必须排定时间，而且在网络中必要拥有一个共同的时间感。同步越严格，路由节点无线电必须处于"接通"状态的时间就越短，这最大限度地降低了功耗。在多跳网格网络中，同类最佳的 TSCH 系统在几十微秒时间内同步所有节点。一旦网络中有一个共同和准确的时间感，而且针对网络中节点之间的两两传送有一个时隙安排表，那么通道分配就可以纳入该时间以实现通道跳频。

通道跳频减轻了干扰和多径衰落

无线通道本质上是不可靠的，很多现象可能使所发送的数据包无法到达接收器，随着无线电功耗降低，这种情况可能恶化。多个发送器同时通过同一频率发送信息时就会发生干扰。如果这些发送器相互之间接收不到对方的信息，但是接收器能接收到所有发送器的信息 ("隐藏终端问题")，那么这种干扰尤其成问题。人们需要延时、重发和确认机制来解决冲突问题。干扰可能来自网络的内部、工作在相同无线电空间中的另一个类似的网络、或者来自于某种同频段工作的不同无线电技术，这在 Wi-Fi、Bluetooth 和 802.15.4 技术共用的 2.4GHz 频段中是一种常见现象。

第二种不可预知的现象被称为"多径衰落"，即使在预计的视线链路裕量充足的情况下，这种现象也可能妨碍成功发送。当传输信号的多个副本被环境中的物体 (天花板、门、人等等) 反弹、而各反射副本的传播距离不同时就会出现这种状况。当发生相消干涉时，20dB 至 30dB 的衰落是很常见的。多径衰落取决于传输频率、设备位置以及每一个邻近的物体；对