低功耗传感对于物联网的重要性
【导读】低功耗无线技术能够大幅降低传统有线传感系统的成本，并为传感器网络开辟新的可能性，这是有线无法实现的。
低功耗无线技术能够大幅降低传统有线传感系统的成本，并为传感器网络开辟新的可能性，这是有线无法实现的。
低功耗无线传感器网络 (WSN) 标准，特别是利用时间同步信道跳变 (TSCH) 的网状架构，使网络中的每个节点都能够依靠电池或收集的能量运行，而不会牺牲可靠性或数据吞吐量。这使得应用程序开发人员可以将传感器放置在任何地方——不仅是有电源的地方，而且是应用程序需要传感器数据的地方。
这些技术齐头并进，为应用程序开发人员提供了更多机会来部署几乎不需要更换电池的系统，从而进一步降低部署无线传感器的生命周期成本，并促进物联网 (IoT) 的进步。
ON World 2012 年的一项研究表明，对于工业客户来说重要的 WSN 两个属性是可靠性和低功耗（图 1）。成本排在第三位：在不解决可靠性和功耗问题的情况下，成本还不是客户优先考虑的问题。
图 1：WSN 属性的重要性认知
根据Dust Networks 多年对TSCH 的研究和开发，很明显，同步的时隙、信道跳频和超低功耗无线电的结合可实现功耗、可靠的WSN。这种对低功耗的关注使所有节点能够依靠低成本电池运行多年，并且还为各种能源（包括能量收集电源）提供了可能性。
低功率无线电
IEEE 802.15.4 标准的推出为 WSN 创建了一个出色的无线电平台。IEEE 802.15.4 定义了 2.4GHz、16 通道扩频低功耗物理 (PHY) 层，许多物联网技术都建立在该层上，包括 ZigBee 和 WirelessHART。它还定义了媒体访问控制（MAC）层，这是 ZigBee 的基础。然而，该 MAC 的单通道特性使其可靠性难以预测。
为了提高可靠性，WirelessHART协议（也称为IEC62591）定义了基于15.4 MAC的多通道链路层，以实现工业WSN应用所需的高可靠性（>99.9%）。2012 年初，802.15.4 MAC 的新版本（称为 802.15.4e）获得批准，该 MAC 体现了多通道网格和时隙。符合 802.15.4 标准的无线电的典型功率输出约为 0dBm，发射和接收电流在 15-30mA 范围内。0dBm 时的同类发射电流为 5.4mA，同类接收电流为 4.5mA（基于 Linear 的 LTC5800）。
低功耗和信道跳频的时间同步
原始 802.15.4 MAC 要求网状网络中从相邻节点路由信息的节点始终处于开启状态，而仅发送/接收自己数据的节点（通常称为“精简功能设备”） ” 可以在传输之间休眠。为了使网络中的每个节点都是低功耗的，节点之间的通信必须进行调度，并且需要在网络中具有共享的时间感。
同步越紧密，路由节点无线电处于“开启”状态的时间就越短，从而限度地降低功耗。一流的 TSCH 系统可在几十微秒内同步多跳网状网络中的所有节点。一旦网络中存在对准确时间的共享感知，以及用于网络中节点之间成对传输的时隙调度，就可以将信道分配合并到该调度中，从而实现信道跳跃。信道跳频可减少干扰和多径衰落
无线信道本质上是不可靠的，许多现象会阻止传输的数据包到达接收器；随着无线电功率的降低，这些问题可能会加剧。当多个发射器通过同一频率同时发送时，就会发生干扰。如果他们无法互相听到对方的声音，但接收器可以听到所有发射器的声音，这尤其成问题——“隐藏终端问题”。
需要退避、重传和确认机制来解决冲突。干扰可能来自网络内部、在同一无线电空间中运行的另一个类似网络，或者来自带内运行的不同无线电技术——这在 Wi-Fi、蓝牙和 802.15.4 共享的 2.4GHz 频段中很常见。
第二种称为多径衰落的不可预测现象可能会阻止成功传输，即使视距链路裕度预计足够。当传输的多个副本反射环境中的物体（天花板、门、人）时，就会发生这种情况，每个反射副本行进的距离不同。当发生破坏性干扰时，20-30dB 的衰落是常见的。多径衰落取决于传输频率、设备位置以及附近的每个物体；预测它实际上是不可能的。
图 2显示了 26 天内两个工业传感器之间的单个无线路径上以及系统使用的 16 个通道中每个通道的数据包传输率。在任何给定时间，有些渠道很好（高交付），有些渠道不好，还有一些渠道变化很大。重要的是，没有观察到网络中任何地方的所有路径上的信道都处于良好状态的时期。
图 2：26 天内跨 16 个渠道的数据包传送
由于这些原因，无线传感器网络采用多个通道至关重要。通过对网络进行时间同步和调度到时隙中，可以在特定的已知信道上地调度传输，并且信道的选择可以随着每次传输而改变。此外，调度网络传输解决了“隐藏终端问题”并几乎消除了网络内冲突。这种机制已在超过 10,000 个 WirelessHART 网络中得到现场验证，通常可以实现多年的电池寿命和 > 99.9% 的可靠性。
能量收集考虑因素
一旦无线传感器网络的功率需求被适当化，电源的选择范围就会扩大。环境能量无处不在：光、振动和热只是可以自由获取并转换为足够电能来运行低功率 TSCH WSN 的能量的几个例子。以下示例说明了一些实用的能量收集技术，这些技术可产生超过 150μW 的能量功率——足以在 802.15.4e 网络中运行典型的 IPv6 路由节点（例如，Dust Networks 的 SmartMesh IP）。
灯光。 典型办公楼的大部分区域都有足够的室内光线来运行低功率 TSCH WSN。根据为美国公共建筑制定指导方针的美国总务管理局的说法，光线较明亮的区域，例如工作站区域和阅读表面，具有 500 勒克斯的照明。即使在被视为“正常照明”的区域（例如大堂、楼梯间以及机械和通讯间），也至少有 200 勒克斯的光线，而大多数会议室通常为 300 勒克斯。在 200-300 勒克斯的光照下，有许多室内小型光伏电池（例如 G24i 4100 低光太阳能电池板或 Sanyo AM-1815 室内电池）可以提供足够的电力来运行 802.15.4e TSCH 网络中的 IPv6 路由器。
热能。 热发电机 (TEG) 通过热表面的散热产生电力，例如通常被认为非常热的常见设备（例如计算机显示器或大电流电机）的废热。随着无线解决方案变得更加节能，由小至 10°C 的常见温差产生的能量就可以用作能源。作为参考，体内温度与室温之间的典型差异约为 15°C。
许多能量收集传感器仅产生几百毫伏的输出，因此通常需要升压 DC/DC 转换器来转换到可用的电源电压范围。LinearTechnology 的LTC3105等 IC提供功率点控制，以便传感器以效率运行，并为电路添加备用电池。由于这些电路中的电池仅在环境能源不足或不存在时使用，因此可以显着延长电池寿命，从而降低与更换电池相关的成本。如果能源恰好是间歇性的，例如周末关闭灯或机械，则在能量收集电路中加入备用电池可以提供额外的保证和电力连续性。
总结
通过使传感器变得实用且易于无处不在，加速了物联网的实现。低功耗、可靠的无线传感器网络意味着客户和开发人员无需布线/无需担心。时间同步、时隙多通道系统为无线传感器网络带来了客户关键的优势：可靠性和全网络低功耗运行。
WirelessHART 和 802.15.4e 标准是这种联网方法的体现。低功耗运行确保了电源选择的极大灵活性，并提供了供电的潜力。这些因素加在一起使得将传感器放置在任何地方都变得更加容易和实用。
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