可靠、低功耗无线传感器网络适用于物联网: 使无线传感器像网络服务器一样易于使用
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作者:pro75e66c
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发布时间: 2014-06-03
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物联网革命近在咫尺，到 2020 年，全世界将有超过 300 亿个互联物体。在世界人口不断增加、资源变得越来越宝贵之际，这种互联有望提供真实世界的数据，以促进效率提高，简化业务实践。
随着互联网协议 (IP) 得到广泛采用，处理数据和充分利用信息变得越来越容易了。《财富》500 强公司为数据存储提供企业及数据库解决方案，并提供软件工具，以简化资产跟踪、过程控制系统和楼宇管理系统 (参见图 1) 等业务流程。智能手机和平板电脑为人们提供了非常有用的信息，例如提供实时停车信息，或者实时提供有关机器健康状况的监视信息，以制定维修计划。迄今为止已经部署了许多无线传感器，但是为了测量和优化以前未曾涉及的流程，仍然急需更多的传感器来提供数据。
连接到互联网上的所有设备都利用 IP 相互通信。每个设备都获得一个 IP 地址，该地址在互联网上明白无误地代表该设备。所交换的数据包包含一个 IP 头标以及一系列字节 (建立该数据包的设备之地址编码和目的设备的地址编码)。形成一个协议栈还需要其他许多协议 (TCP、HTTP … 等)，但 IP 协议是共同点。用 IP 协议将低功耗网格网络设备连接至互联网，为促进物联网发展做出了一大贡献。
若干标准化组织为物联网 (参见图 3) 制定了标准。挑战是要与互联网实现全面集成，同时纳入公认的时间同步化通道跳频网格网络的技术。今天的互联网使用之大多数协议都是由互联网工程任务组 (IETF) 制定的，该标准化组织的 CoRE 工作组已经制定了应用层协议 CoAP (Constrained Application Protocol)。CoAP 在 UDP 协议之上运行，而且非常容易转换到 HTTP，以使无线传感器节点实现类似网络的互动。6LoWPAN 工作组制定了一个 IP 适配层协议，该协议将 IP 数据包的大型头标压缩成小型无线帧或数据包，使传感器节点能够通过 IP 地址单独寻址。尽管这些上层协议实现了类似网络的互动以及与互联网的集成，但是决定无线传感器网络通信质量的是这些上层协议之下的那些协议层。
图3：用于低功耗、可靠无线传感器网络的 IP 协议栈
IETF 制定的标准一般运行在遵循 IEEE802.15.4 标准的无线芯片上。IEEE802.15.4 在数据传送速率 (250kbps)、范围 (10 至 100 米)、功耗 (发送或接收时为 5mA 至 20mA ) 和数据包大小 (高达 127 字节) 之间进行了健康的权衡。这种权衡使 IEEE802.15.4 非常适用于低功耗网格网络技术，因此该标准已经成为这类网络链接技术的事实标准。
2012 年，IEEE 公布了可运行在 IEEE802.15.4 兼容型无线电上之新介质访问标准 IEEE802.15.4e。其时隙通道跳频 (TSCH) 模式纳入了 Dust Networks 的时间同步化网格协议，以实现精确的时隙同步和 RF 通道跳频。
尽管 IEEE802.15.4e 定义了两个节点实现同步数据包传送的机制，但是它没有定义怎样给每个节点分配时间表。该通信时间表使 TSCH 网络能够灵活匹配网络节点之间的通信需求 (参见图 4)。例如，一个网络可以配置为低数据传送速率和极低功耗的小型网络，就像远程环境监视应用中常见的那样。同样的网络还可以配置为大型网络，为更快的数据传送速率而优化。此外，自动分配但灵活的时间表使 TSCH 网络能够适应周围环境。尤其是，通过调度可以实现自愈、路由优化和负载均衡等网络功能，这些网络功能对于在网络寿命期内提供高性能是至关重要的。建立和分配 TSCH 时间表的解决方案可以开发出来，但是在标准出台之前，这类解决方案不可能实现无线传送的互操作性。
