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感測器/MEMS  

實現低功耗、長效且可靠的無線感測器網路

上網時間: 2015年04月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:無線感測器網路  WSN  無線節點  TSCH  深跳網路 

作者:Lance Doherty、Jonathan Simon、Thomas Watteyne、Ross Yu;凌力爾特Dust Networks 產品部

物聯網(IoT)的願景之一是能夠測量之前從未測量過的變數。無論應用是監測基礎建設老化(例如橋樑、隧道或電力傳輸線是否退化),還是即時提供停車及交通資訊,都需要無線感測器網路(WSN)提供與有線網路類似的性能,而且適合實際部署。這些WSN必須能夠擴展至包含大量無線節點,而且在很多情況下還需要跨越很長的距離。

WSN實現廣泛採用的關鍵

無線感測器網路若要得到廣泛採用,必須適合實際部署,並能夠可靠地運作多年(通常超過10年)。為了實現這樣的目標,無線感測器網路必須滿足一些關鍵要求:

在任何地方都能放置感測器:測量點必須置於最適合檢測的地方,但這樣的地方未必最適合通訊。因此,放置感測器節點的地方通常未必便於通訊連接或便於連接電力基礎設施,而且經常處於富挑戰性的RF環境中(例如,靠近接地、在隧道中、汽車底下或深入機器內部)。

很少需要維護:無線感測器網路必須能在大部分情況下進行自我維護,而且任何實體維護(例如更換電池)都必須在無需‘現場服務’或技術人員察訪的情況下完成。例如,在智慧停車應用中,嵌入於街道下的電池供電感測器僅在更換週期與道路定期維修週期相同時才可進行更換,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,WSN要能夠連續使用 10 年以上。

通訊可靠性:必須能夠可靠地與感測器通訊,儘管這些感測器可能位於非常嚴苛的 RF 環境中。

可擴展性:無線感測器網路必須滿足各種類似但又獨特的部署要求,例如適合各種網路規模(無線感測器節點數量以及覆蓋的地域範圍)、深度(即節點可從資料輸出點的無線跳轉次數),以及大小不同的資料流量等。

在不可預測的介質上建立可預測網路

如果不做出折衷,低功率將難以實現:有很多無線感測器聯網方法是針對低功耗運行情況而設計的。有些無線網路(例如ZigBee)僅在網路邊緣處的檢測裝置上實現低功率,但任何傳送節點都需要線性功率。其他一些網路則導入了基本的工作週期比方法,稱為‘信標’(beaconing),採用這種方法時,整個網路在很長的時段內都會關機,進入低功率休眠模式,但是卻犧牲了網路的可用性和網路總體容量。然而,針對物聯網的應用,無線感測器網路必須能夠滿足規模非常大的網路需求,並以一定的時間間隔發佈資料。因此,其挑戰在於以不犧牲可靠性或網路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訊介質。在有線通訊環境,通訊訊號透過電纜系統遮罩與外界隔離,相形之下,RF在開放的天空下傳播,並與周圍環境進行互動。其他RF傳輸來源可能引起主動干擾。較常見的是多徑衰減的影響,即RF訊號遇到周圍表面後,反射回來的相外訊號可能衰減本身的RF訊號。手機使用者每天都會經?多徑衰減問題,手機可能在一個地點訊號強度不佳,但是只需移動幾公分,訊號強度就會加以改善。

此外,多徑衰減的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)一般都會移動。最終結果是,隨著時間變化,任何RF通道都會遭遇訊號品質顯著變化的問題。不過,既然多徑衰減對每個RF通道的影響不同,那麼利用通道跳頻實現頻率多樣性,可以最大限度地減小多徑衰減的負面影響。因此,無線感測器網路面臨的挑戰就變成能否在大型網路上採用可多次跳轉的跳頻方法。

時間同步通道跳頻網狀網路

利用時間同步通道跳頻(TSCH)網狀網路,能夠實現可靠的低功率無線感測器網路。這種TSCH網狀網路是由凌力爾特Dust Networks產品部率先開發的,而且在某些嚴苛的環境中已被證實可行。TSCH已經成為WirelessHART(IEC62591)等現有工業無線標準的基本構件,也是實現新興和基於IP協定之無線感測器網路標準的有利部份。

在TSCH網路中,每個節點都有一個共同的時間標準,整個網路的準確度在幾十微秒內。網路通訊安排在各個時隙中,以實現低功率封包交換、配對的通道跳頻和全面的路徑多樣性。

低功率資料包交換:採TSCH 允許節點在預定的通訊操作之間處於超低功耗的休眠狀態。每個裝置僅在發送資料封包或檢測相鄰裝置是否發送資料封包時才處於工作狀態。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於轉發相鄰裝置的資訊。因此,TSCH網路常常達到<1%的工作週期比,同時保持網路完全可用。此外,因為每個封包的收發時間都是設定好的,所以在TSCH網路中不存在網路內資料封包碰撞的問題。網路可以密集化和增加規模,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網路中,每個封包交換通道都會跳頻,以避開不可避免的RF干擾和衰減。此外,不同的成對裝置之間,多通道傳輸可能同時在不同的通道上發生而擴大網路頻寬。

全面的路徑和頻率多樣性:每個裝置都有冗餘路徑,以克服由干擾、實體障礙或多徑衰減引起的通訊中斷問題。如果一條路徑上的封包傳輸失敗,那麼節點將自動嘗試下一條可用路徑和不同的RF通道。與其他網狀網路技術不同,TSCH網路並不需要得由電源供電的路由器和耗費時間的路徑重新發現。

圖1:路徑和頻率多樣性。
圖1:路徑和頻率多樣性。如果‘綠色’箭頭方向上的通訊失敗,那麼節點D就會嘗試使用‘紫色’箭頭所示的另一條通道。

由於TSCH的網路已經成功用於多種應用,例如智慧停車應用、在資料中心中監測能效以及用於工廠中。諸如管線監測、橋樑及隧道的結構監測以及電力傳輸線監測等許多應用都要求無線感測器網路跨越很長的距離。然而,跨越這麼長的距離來建立無線網路,又要成功保持可靠性和低功率,需要的是一種更富有挑戰性的架構。按照定義,深跳網路(deep-hop network)意味著來自最遠節點的資訊需要經過很多次跳轉,才能到達目的地。儘管這麼做能夠使單一網路覆蓋很大的地理範圍,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,即一個覆蓋面積廣大的網路是否能夠成功保持所有無線節點都有均勻的資料流量?以及是否能夠以可接受的延遲和電流消耗,保持這樣的資料流量?

案例分析:深跳網狀網路

為了描述這類網路的特徵,我們以Dust Networks的SmartMesh IP網路構建一個100個節點、32跳的深跳網路,並對其進行測量。在100個節點中,每隔30秒產生一個節點並發送一個封包,預計每個封包的接收都在30秒的延遲時間內完成(即在同一節點產生下一個資料封包之前完成)。

圖 2:深跳網路
圖 2:深跳網路——灰色的節點在第50號節點覆蓋範圍內。

該深跳網路是由真實的無線裝置構成的,其中7款裝置(以編號1至7表示)直接與管理器通訊。裝置8至10透過上述7個節點通訊,其餘裝置(裝置11至101)在編號位於其前後3個裝置的覆蓋範圍之內。例如,裝置50在裝置47、48、49、51、52和53的覆蓋範圍之內。在這種拓撲中,到達裝置101的最小傳輸(跳轉)次數為32,儘管實際上大多數資料封包需要更多跳轉次數。

截至本文截稿時,此網路已經連續運作52天了,共計接收1,700萬個資料封包,由於跳轉深度和重試,所以進行了總數超過4億次的單獨傳輸。在所發送的1,700萬個封包,一個都沒有丟失,因此資料傳輸可靠性達到100%。在這些封包中,約針對2.5萬個提交了‘健康報告’,即節點週期性發送的診斷資訊。

表 1:深跳網路的資料可靠性
表 1:深跳網路的資料可靠性

對延遲和電流消耗分析

每個封包在感測器節點上產生時以及在管理器上接收時,都有時間戳記,因此可監視每個封包的延遲。圖3所示是這個網路在一個超過90分鐘時段內的資料分佈情況。正如預期,編號較大的那些節點,即處於網路較深處的節點,延遲時間較長,每個封包的變化也較大,因為路徑選擇隨深度增加而呈指數上升。儘管這樣,來自最遠節點(編號 101)的封包全部都在不到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資料,並週期性地向管理器報告這一資訊。從這一資訊中,可以畫出整個網路的平均電流曲線,如圖4所示。編號較小的節點電流消耗最大,因為這些節點需要傳輸來自較遠節點的資料流程量。但正如所能看到的,在這32跳的深跳網路中,即使負載最重的路由器,平均電流消耗也僅為幾百微安。既然電流消耗這麼低,那麼路由節點就可以用一對D-cell鋰電池供電,而且可持續工作超過15年。

圖3:封包延遲
圖3:封包延遲——深跳網路中的封包在預定的30秒延遲時間內可靠地傳送。

圖4:節點平均電流
圖4:節點平均電流——在此深跳網路中,即使負載最重的路由器也僅消耗幾百微安電流。

結語

在富有挑戰性的應用中,基於時間同步通道跳頻的SmartMesh IP網路通常提供>99.999%的資料可靠性,功耗也非常低。無線感測器由於能夠以相當小的鋰電池運作10至15年,所以實際上可放置在任何地方,從而實現真正城市級的物聯網應用。





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