用無線傳感器組成無線傳感器網絡

摘要：物聯網的愿景之一是能夠測量以前從未測量過的變量。無論應用是監視基礎設施老化（例如橋梁、隧道或電力傳輸線的老化），還是實時提供停車及交通信息，都需要無線傳感器網絡（WSN）提供與有線網絡類似的性能，而且適合實際部署。傳感器網絡要能夠擴展至包含大量無線節點，而且在很多情況下，需要跨越很長的距離。本文網絡版地址：http：∥www.eepw.com.cn/arricle/263361.htm關鍵詞：無線傳感器；長距離；低功耗；無線傳感器網絡

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2014.9.005

促進無線傳感器網絡廣泛采用的關鍵因素

無線傳感器網絡要想得到廣泛采用，必須適合實際部署，并能夠可靠地運行很多年（通常超過10年）。為了實現這樣的目標，無線傳感器網絡必須滿足一些關鍵要求：

·在任何地方都能夠放置傳感器一測量點必須置于最適合檢測的地方，但這種地方未必最適合通信。因此，放置傳感器節點的地方常常未必便于通信連接或便于連接電力基礎設施，而是常常處于富挑戰性的RF環境中（例如，靠近大地、在隧道中、在汽車底下或深入機器內部）。

·很少需要維護一無線傳感器網絡必須能夠在絕大部分情況下進行自我維護，而且任何物理維護（例如更換電池）都必須在無需“上門服務”或沒有技術人員到場的情況下完成。例如，在智能停車應用中，嵌入到街道下面的電池供電傳感器僅在滿足如下條件時才允許使用：其更換周期與道路定期維修周期相同，而道路定期維修通常為5至7年才進行一次。在其他應用中，無線傳感器網絡要能夠連續使用10年以上。

·通信可靠性一必須能夠可靠地與所有傳感器通信，盡管這些傳感器可能位于非常嚴苛的RF環境中。

·可擴展性一無線傳感器網絡必須滿足各種類似但又不完全相同的部署要求，例如適合各種網絡規模（無線傳感器節點數量及覆蓋的地域范圍）、深度（即節點與數據出口點之間的無線跳轉次數）及大小不同的數據流量等。

在不可預測的介質上建立可預測的網絡

如果不做出折中，低功率難以實現一有很多無線傳感器聯網方法是針對低功耗運行情況而設計的。有些無線網絡（例如ZigBee）僅在網絡邊緣處的檢測設備上實現低功率，但任何傳送節點都需要線路功率。其他一些網絡則引入了基本的占空比方法，稱為“信標”，采用這種方法時，整個網絡在很長的時段內停機，處于低功率休眠模式，但是這種方法犧牲了網絡可用性和網絡總體容量。然而，針對物聯網的應用，無線傳感器網絡必須能夠滿足規模非常大的網絡需求，并按照均勻的時間間隔發布數據。因此挑戰是，在不犧牲可靠性或網絡可用性的前提下實現低功率。

RF環境是不可預測—RF是一種不可預測的通信介質。在有線通信環境中，通信信號通過電纜系統屏蔽，與外界隔離，與此不同，RF露天傳播，需要與周圍環境互動。但是RF傳輸源有可能引起有源干擾。較常見的是多徑衰落的影響，即RF信號遇到周圍表面后，反射回來的異相信號可能衰減RF信號本身。手機用戶每天都會遭遇多徑衰落問題，例如手機可能在一個地點信號強度不佳，但是只需移動幾厘米，信號強度就可得到改善。此外，多徑衰落影響隨時間變化而改變，因為附近的反射表面（例如人、車、門等）一般會移動。最終結果是，隨著時間變化，任何RF通道都會遭遇信號質量顯著變化的問題。不過，既然多徑衰落對每個RF通道的影響是不同的.那么用通道跳頻實現頻率多樣性，可以最大限度地減小多徑衰落的負面影響。因此無線傳感器網絡面臨的挑戰就變成，能否在大型網絡上采用可多次跳轉的跳頻方法。時間同步通道跳頻網狀網絡

采用凌力爾特公司的DustNetworks產品部率先開發的時間同步通道跳頻（Time Synchronized ChannelHopping，簡稱TSCH）網狀網絡，可以實現可靠的低功率無線傳感器網絡，而且這種網絡在某些最嚴苛的環境中已經得到證實。TSCH已經成為WirelessHART（IEC62591）等現有工業無線標準的基本構件，也是實現新興和基于IP協議的無線傳感器網絡標準的有利部份。

在TSCH網絡中，每個節點都有一個共同的時間標準，整個網絡的準確度在幾十微妙內。網絡通信安排在各個時隙中，以實現低功率數據包交換、配對的通道跳頻和全面的路徑多樣性。

低功率數據包交換一采用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。

配對的通道跳頻一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一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，在數據中心中監視能效，用于工廠中。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、5l、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?？偣步邮樟?700萬個數據包，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。

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