物聯(lián)網(wǎng)革命近在咫尺，到 2020年，全世界將有超過(guò) 300億個(gè)互聯(lián)物體。在世界人口不斷增加、資源變得越來(lái)越寶貴之際，這種互聯(lián)有望提供真實(shí)世界的數(shù)據(jù)，以促進(jìn)效率提高，簡(jiǎn)化業(yè)務(wù)實(shí)踐。

隨著互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)得到廣泛采用，處理數(shù)據(jù)和充分利用信息變得越來(lái)越容易了。《財(cái)富》500強(qiáng)公司為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供企業(yè)及數(shù)據(jù)庫(kù)解決方案，并提供軟件工具，以簡(jiǎn)化資產(chǎn)跟蹤、過(guò)程控制系統(tǒng)和樓宇管理系統(tǒng)等業(yè)務(wù)流程。智能手機(jī)和平板電腦為人們提供了非常有用的信息，例如提供實(shí)時(shí)停車(chē)信息，或者實(shí)時(shí)提供有關(guān)機(jī)器健康狀況的監(jiān)視信息，以制定維修計(jì)劃。迄今為止已經(jīng)部署了許多無(wú)線(xiàn)傳感器，但是為了測(cè)量和優(yōu)化以前未曾涉及的流程，仍然急需更多的傳感器來(lái)提供數(shù)據(jù)。

為了進(jìn)一步擴(kuò)大傳感器部署規(guī)模，正在進(jìn)行有關(guān) IP 標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，目標(biāo)是使小型無(wú)線(xiàn)傳感器像網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器一樣易于使用。在標(biāo)準(zhǔn)制定工作的背后有兩股推動(dòng)力：其一是，公認(rèn)的低功耗、時(shí)間同步化網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的高度可靠性能;其二是，正在進(jìn)行的 IP 標(biāo)準(zhǔn)制定工作可實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的無(wú)縫集成。這兩股力量合二為一，將有效促進(jìn)小型、低功耗傳感器的可靠通信，并使這類(lèi)傳感器最終能夠支持 IP。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的挑戰(zhàn)

無(wú)線(xiàn)從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是不可靠的，因此重要的是了解不可靠性的來(lái)源，以在通信系統(tǒng)中解決不可靠性問(wèn)題。在低功耗無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，不可靠性的主要來(lái)源是外部干擾和多徑衰落。當(dāng)外部信號(hào)(例如 WiFi 信號(hào))暫時(shí)妨礙兩個(gè)無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)通信時(shí)，就會(huì)發(fā)生干擾。這就需要它們重新發(fā)送信號(hào)，因此會(huì)消耗更多功率。當(dāng)無(wú)線(xiàn)信號(hào)遇到鄰近發(fā)送器中的物體而彈回時(shí)，就會(huì)發(fā)生多徑衰落，而且各種回波都會(huì)對(duì)接收器天線(xiàn)造成破壞性干擾。這現(xiàn)象是設(shè)備位置、所用頻率以及周?chē)h(huán)境的函數(shù)。因?yàn)槿魏螣o(wú)線(xiàn)系統(tǒng)周?chē)沫h(huán)境都隨時(shí)間而變化，所以在無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行壽命期內(nèi)，任一 RF 頻道都會(huì)遇到問(wèn)題。不過(guò)，多經(jīng)衰落是受頻率影響。因此，盡管某個(gè)頻率可能遇到了問(wèn)題，但是仍然會(huì)有其他 RF 頻道在正常工作。由于干擾和多徑衰落，因此建立可靠無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵是，在不犧牲低功耗工作這一優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)通道和路徑多樣化。Dust Networks(現(xiàn)在是凌力爾特公司的一個(gè)業(yè)務(wù)部)率先提供了這樣的系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用時(shí)間同步、通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

時(shí)間同步、通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)

在時(shí)間同步化通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中，多跳網(wǎng)絡(luò)上的所有無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)都同步至幾十微秒時(shí)間之內(nèi)，而且時(shí)間被分成時(shí)隙。通信通過(guò)一個(gè)時(shí)間表來(lái)協(xié)調(diào)，該時(shí)間表指示每個(gè)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)隙中該做什么(發(fā)送、接收、休眠)。因?yàn)樗鼈兌际峭降模詢(xún)H當(dāng)通信時(shí)，這些節(jié)點(diǎn)才接通其無(wú)線(xiàn)電，從而極大地降低了無(wú)線(xiàn)電占空比(常見(jiàn)占空比<1%)，并延長(zhǎng)了電池的壽命。此外，因?yàn)樵摃r(shí)間表可以靈活設(shè)定，所以網(wǎng)絡(luò)始終可供應(yīng)用使用，不像其他“休眠”網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，需要徹底關(guān)斷網(wǎng)絡(luò)很長(zhǎng)時(shí)間。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送的所有數(shù)據(jù)包都在以偽隨機(jī)跳頻方式計(jì)算出來(lái)的頻率上傳送。所產(chǎn)生的頻率多樣化是一種有效抵抗干擾和多徑衰落的方式。時(shí)間同步化網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá) 10年的電池壽命和>99.999%的端到端可靠性。

時(shí)間同步化網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)取得了成功

近幾年，時(shí)間同步化通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。2004年，Dust Networks 首次推出了 SmartMesh?系統(tǒng)，工業(yè)過(guò)程是最早采用該系統(tǒng)的領(lǐng)域之一。

有些工業(yè)應(yīng)用的運(yùn)行環(huán)境堪稱(chēng)最為嚴(yán)酷，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)完整性又有最為嚴(yán)格的要求，如果能保證這么高的數(shù)據(jù)完整性，就能極大地提高工業(yè)設(shè)備的效率、生產(chǎn)率和安全性。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的有線(xiàn)工業(yè)傳感器安裝費(fèi)用高昂，所以在工廠(chǎng)中一般僅對(duì)少量可能的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。盡管這為無(wú)線(xiàn)傳感器在工業(yè)應(yīng)用中的使用創(chuàng)造了極大的需求，但是傳統(tǒng)點(diǎn)到點(diǎn)無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)缺乏所需的可靠性，而且難以安裝，從而限制了無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)在小型和隔離應(yīng)用中的使用。

隨著時(shí)間同步化網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的推出，無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)可提供通常僅有線(xiàn)系統(tǒng)才能提供的可靠性，因此低功耗無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用變成了現(xiàn)實(shí)。低功耗無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) IEC62591(也稱(chēng)為 WirelessHART)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，使工業(yè)過(guò)程市場(chǎng)上的設(shè)備實(shí)現(xiàn)了互操作性。大部分大型工業(yè)制造商(例如 Emerson Process、西門(mén)子、ABB、Endress&Hauser、Pepperl&Fuchs 和 Phoenix Contact)都在交付 Wireless HART 產(chǎn)品。如今，SmartMesh 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)得到廣泛使用，在全球 120多個(gè)國(guó)家部署了 3萬(wàn)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，提高了各種場(chǎng)所的安全性和效率，包括鋼鐵廠(chǎng)和煉油廠(chǎng)、偏遠(yuǎn)的油田和海上鉆井平臺(tái)、以及食品和飲料廠(chǎng)。

除工業(yè)過(guò)程領(lǐng)域，SmartMesh 系統(tǒng)也成功地部署在數(shù)據(jù)中心和商用寫(xiě)字樓中，用以?xún)?yōu)化空調(diào)費(fèi)用。Streetline Networks 是一家智能停車(chē)服務(wù)供應(yīng)商，實(shí)時(shí)監(jiān)視城區(qū)停車(chē)位的可用情況。車(chē)輛檢測(cè)器安裝在停車(chē)位下方、車(chē)道的路面內(nèi)。這帶來(lái)了挑戰(zhàn)，因?yàn)閭鞲衅髟O(shè)備的天線(xiàn)位于地下，而且當(dāng)停車(chē)位被占用時(shí)，又被金屬車(chē)體覆蓋著。這樣的應(yīng)用以前被認(rèn)為是不可能或不實(shí)際的，現(xiàn)在則可用時(shí)間同步化通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。