與傳統有線檢測系統相比，低功耗無線技術正在使傳感器網絡的成本大幅降低，并為采用有線方法根本不可能實現的傳感器網絡提供了實現的可能性。低功耗無線傳感器網絡 (WSN) 標準，尤其是采用時間同步通道跳頻 (TSCH) 技術的網格架構，使網絡中的所有節點都能靠電池或收集的能量工作，而不會犧牲可靠性或數據吞吐率。這使應用開發人員能自由地將傳感器放置在任何地方，而不僅是有電源可用的地方，但是無論在哪里，應用都需要傳感器數據。在高度可靠的低功耗 TSCH WSN 和能量收集領域，凌力爾特 (包括Dust Networks產品部) 已經走在了技術創新的前列。這些技術齊頭并進，可為那些部署電池更換需求量極少 (如果有的話) 之系統的應用開發人員提供更多的機會，從而進一步降低部署無線傳感器的壽命成本并刺激物聯網 (IoT) 的發展。
ON World 2012年進行的一項研究顯示，WSN 的兩個屬性對工業客戶最重要：可靠性和低功耗 (圖 1)。成本在研究結果中排在第三位。如果不解決可靠性和功耗問題，成本就不會是客戶優先考慮的問題。
圖 1：被認為重要的 WSN 屬性
Satisfaction：滿意度
Importance：重要性
Data reliability：數據可靠性
Cost/affordability：成本 / 可負擔能力
Battery lifetime：電池壽命
Source：數據來源
Dust Networks多年來一直研發 TSCH，客戶已采用了數千個 Dust產品，根據 Dust Networks 的豐富經驗，很顯然，精確同步的時隙、通道跳頻和超低功耗無線電相結合，能實現功耗最低、最可靠的 WSN。由于這種對低功耗的專注，所以所有節點都能靠低成本電池工作很多年，也為使用各種能源提供了可行性，其中包括能量收集電源。
低功耗無線電
IEEE 802.15.4 標準為 WSN 提供了卓越的無線電平臺。IEEE 802.15.4 標準定義了一個 2.4GHz、16 通道擴頻低功率物理 (PHY) 層，許多 IoT 技術就是以該物理層為基礎構建的，包括 ZigBee 和 WirelessHART。另外，該標準還定義了一個媒體接入控制 (MAC) 層，其為 ZigBee 的基礎。然而，這個 MAC 的單通道本質使其可靠性不可預測。為了改善可靠性，WirelessHART 協議 (又稱為 IEC62591) 基于 15.4 MAC 定義了多通道鏈路層，以實現高可靠性 (>99.9%)，工業 WSN 應用就是需要這樣的可靠性。在 2012 年初，稱為 802.15.4e 的新版 802.15.4 MAC 獲得批準，這個 MAC 包括多通道網格和時隙。符合 802.15.4 的無線電之典型功率輸出大約為 0dBm，同時發送和接收電流范圍為 15mA 至 30mA。0dBm 時同類最佳發送電流為 5.4mA，同類最佳接收電流為 4.5mA (基于凌力爾特的 LTC5800)。
時間同步使節省功率和通道跳頻得以實現
最初的 802.15.4 MAC 要求在網格網絡中發送來自相鄰節點信息的節點始終保持接通，而僅發送 / 接收自己數據的節點 (常稱為“精簡功能節點”) 可以在發送之間休眠。為了使網絡中的所有節點都成為低功率節點，節點之間的通信必須排定時間，而且在網絡中必要擁有一個共同的時間感。同步越嚴格，路由節點無線電必須處于“接通”狀態的時間就越短，這最大限度地降低了功耗。在多跳網格網絡中，同類最佳的 TSCH 系統在幾十微秒時間內同步所有節點。一旦網絡中有一個共同和準確的時間感，而且針對網絡中節點之間的兩兩傳送有一個時隙安排表，那么通道分配就可以納入該時間以實現通道跳頻。
通道跳頻減輕了干擾和多徑衰落
無線通道本質上是不可靠的，很多現象可能使所發送的數據包無法到達接收器，隨著無線電功耗降低，這種情況可能惡化。多個發送器同時通過同一頻率發送信息時就會發生干擾。如果這些發送器相互之間接收不到對方的信息，但是接收器能接收到所有發送器的信息 (“隱藏終端問題”)，那么這種干擾尤其成問題。人們需要延時、重發和確認機制來解決沖突問題。干擾可能來自網絡的內部、工作在相同無線電空間中的另一個類似的網絡、或者來自于某種同頻段工作的不同無線電技術，這在 Wi-Fi、Bluetooth 和 802.15.4 技術共用的 2.4GHz 頻段中是一種常見現象。
第二種不可預知的現象被稱為“多徑衰落”，即使在預計的視線鏈路裕量充足的情況下，這種現象也可能妨礙成功發送。當傳輸信號的多個副本被環境中的物體 (天花板、門、人等等) 反彈、而各反射副本的傳播距離不同時就會出現這種狀況。當發生相消干涉時，20dB 至 30dB 的衰落是很常見的。多徑衰落取決于傳輸頻率、設備位置以及每一個鄰近的物體；對其進行預測幾乎是不可能的。圖 2 顯示了在 26 天時間內，在兩個工業傳感器之間的單條無線通路上的數據包投送率，該系統采用 16 個通道，圖中顯示了每一個通道的情況。在任何給定時間，一些通道很好 (高投送率)，而另一些很差，還有一些處于高度變化之中。重要的是，沒有任何一段時間能看到在網絡各處所有通路的通道狀態處于良好情況。
圖 2：26 天內 16 個通道上的數據包投送
channel：通道
Time (days)：時間 (天)
出于這些原因，WSN 采用多個通道是至關重要的。通過時間同步和調度將網絡劃分為多個時隙，即可在特定的已知通道上對傳輸進行精準的調度，而且通道的選擇能隨著每一次傳輸而變更。此外，對網絡傳輸進行調度還可解決“隱性終端問題”，并實際消除網絡中的沖突。這樣一種機制在超過 10,000 個 WirelessHART 網絡中進行了現場實地驗證，通常可實現多年的電池使用壽命和高于 99.9% 的可靠性。
在能量收集方面須考慮的問題
一旦 WSN 的功耗要求適當地最小化以后，電源的選擇范圍就變寬了。環境能源到處都有：光、振動和熱量僅僅是這類能源的幾個例子，這類能源可以不受限制地得到，并可轉換成充足的電能，以運行低功耗 TSCH WSN。以下例子說明了一些實際的能量收集技術，這些技術產生超過 150µW 的功率，這在 802.15.4e 網絡中運行一個典型的 IPv6 路由節點是富富有余了 (例如，Dust Networks 的 SmartMesh™ IP 產品)。
照明 ── 在一個典型的辦公樓中，大多數區域都有充足的室內光線，可運行低功耗 TSCH WSN。根據美國 General Services Administration (其負責制定美國公共建筑的指引) 提供的數據，更明亮的區域 (例如：工作站區域和閱讀面) 具有 500 lux 的照度。即使在那些被認為是“一般照明”的區域 (比如：大廳、樓梯間以及機械室和通信間) 中，照度至少也達到了 200 lux，而對于大多數會議室來說 300 lux 則是十分普遍的。就 200 至 300 lux 的光照強度而言，有很多室內小型光伏電池可供使用 (例如：G24i 4100 低照度太陽能電池板或 Sanyo AM-1815 室內太陽能電池)，其能為運作 802.15.4e TSCH 網絡中的一個 IPv6 路由器提供足夠的功率。
熱能 ── 熱電發生器 (TEG) 靠發熱表面的熱量產生功率，例如通常認為非常熱的常見設備 (例如: 電腦監視器或大電流電動機) 產生的廢熱。由于無線解決方案變得越來越節能，所以從普遍存在和低至 10ºC 的溫差所產生的能量就可作為能源使用了。以下數據可供參考：身體內部的溫度和室溫之間的典型溫差約為 15º C。
很多能量收集傳感器僅產生幾百毫伏的輸出，因此常常需要升壓型DC/DC 電壓轉換器，以將這類輸出轉換至可用的電源電壓范圍。凌力爾特的 LTC3105 等 IC 提供最大功率點控制，以便傳感器以峰值效率工作。LTC3105 還允許給電路增加備份電池。因為這些電路的電池僅在環境能源不足或不存在時使用，所以電池壽命可以顯著延長，從而降低了與更換電池有關的費用。反過來，如果能源出現間歇 (例如，如果周末照明燈或機器關閉)，那么在能量收集電路中包括備份電池，可以提供更強的保證和電源連續性。
總結
通過使傳感器的廣泛部署具有實用性和簡易性，加快了物聯網的實現步伐。對于客戶和開發人員的群體來說，低功率的可靠無線傳感器網絡將轉化為“無電線 / 無擔憂”。時間同步的槽隙式多通道系統為 WSN 賦予了客戶關鍵型優勢：可靠性和全網絡的低功耗操作。WirelessHART 和 802.15.4e 標準是這種網絡方案的絕佳體現。低功率運作在選擇電源時確保了極大的靈活性，并提供了永久供電的可能性。所有這些因素合起來，使隨處使用傳感器變得容易得多，也實際得多。 |
