在過去幾十年，感測器的尺寸大為縮小，同時價格和功率也有所降低，這得益於摩爾定律(Moore's Law)和微機電系統(MEMS)革命的推動。但是，感測器的安裝成本卻沒有同步下降，與用於傳輸電力和資料的電線布設成本相比，感測器本身的成本通常不足為道。
在工業過程自動化中，可接受的經驗法則是：安裝一個感測器的成本為1萬美元，即使只是一個簡單的開關也不例外。在這種造價昂貴的環境中，許多感測器只是將資料提供給一個局部控制器--當安裝幾百或幾千個感測器時，幾乎或根本無法獲知全面的狀況。人們需要的，是一種廉價和可靠的網路感測器方式。
幾乎從馬可尼(Marconi)時代起，人們就已經開始使用無線方式傳輸來自感測器的資料，並獲得複雜的結果。傳統上，此類鏈路採用線路供電並且是點對點型式，常常具有因環境條件導致的時變可靠性。這雖然適合於某些應用，然而對於多數應用而言局限性卻很大。
WSN商機誘人 技術百家爭鳴
無線感測器網路(WSN)的市場包括建築物自動化、工業控制、家庭自動化、智慧電網和先進電表基礎設施(AMI)、工業流程自動化、環境監測、停車與交通基礎設施、能耗監測和庫存管理。在大多數場合中，這些都是雙向不對稱資料收集應用，大量的檢測點將資料發送至一個中央主機，該中央主機可利用一個過程設定點或其他配置變更做出回應。
從理想的角度來看，客戶當然希望擁有以下這樣的技術：成本低、可不受限制地安放感測器、以低延遲可靠地接收週期性資料，並且可以在不更換電池的情況下於設備的使用期限內連續運行。近期的技術進步，將能夠在許多市場上提供上述特性。
為執行此項任務，有多種技術正在展開競爭，包括衛星、蜂巢式、無線區域網路(Wi-Fi)，以及一系列基於IEEE 802.15.4無線標準的解決方案。這些技術可讓使用者組建用於收集感測器資料的WSN。
衛星和蜂巢式技術是許多應用的合適之選，但它們每個封包的能源成本是最高的。而且，封包月費用也令人望之卻步(雖然這種情況隨著營運商推出適合相對稀疏資料流程量的收費模式將可能改變)。再者，覆蓋範圍也是一個問題。顯然，衛星或蜂巢式電話訊號很難走出阻礙嚴重的建築物，而感測器通常不能夠左右移動並詢問確認。不過，對於那些具有優異連通性並以非常低資料速率(例如每天傳送一個封包)發送資訊的應用而言，衛星或蜂巢式技術十分有用。
Wi-Fi(IEEE 802.11b/g)感測器目前得到廣泛的使用。Wi-Fi封包的能源成本遠低於蜂巢式技術，而且沒有資料的經常性費用。連通性和覆蓋範圍仍然是重要的問題，因為與行動人性化系統的需要相比，利用一個固定感測器實現可靠通訊所需的接入點密度通常會更高。
在參考開放系統互連(OSI)分層模型的基礎上，802.15.4標準定義一個針對短程、低功率操作的實體層(PHY)和媒體存取控制(MAC)層，非常適用於無線感測器網路。該無線標準具有相對較低的資料速率(至250kbit/s以下)；封包簡短(<128位元組)且為低能耗。例如發送幾個位元組的感測器資料以及路徑、加密、與其他標頭所需的時間少於1毫秒(ms)。這過程採用少於30μC的電荷，包括接收一個安全鏈路層確認訊號(圖1)。感測器能發送來自方鄰感測器的無線封包，從而擴展網路的覆蓋範圍(遠遠超出單無線射頻的覆蓋範圍)，並讓網路擁有針對任何單一無線鏈路故障的免疫力。
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| 圖1 發送一個簡短802.15.4封包和接收一個確認訊號所需的能量 |
因應環境要求 性能指標嚴苛
各種不同WSN解決方案的評估基於兩個問題：能否快速獲得所有的資料及成本將達到多少。WSN必須專為在具有低至約50%的鏈路層封包遞交率(PDR)的環境中工作而設計。
當開發無線資料收集系統時，有幾項性能指標必須滿足。首先，系統必須滿足一個最小可靠性目標。就工業應用而言，目標通常是至少接收99.9%的產生資料，因為丟失的資料會觸發代價高昂的警報條件。其次，系統必須支援一定的輸送量，即每秒傳送若干個感測器封包。
第三，這些封包僅當其在某個最大延遲週期內收到時才有效。許多處理器依靠的是最新資料更新--對於控制來說，過期資料或許不具備實用性。第四，不少系統必須在嚴苛的環境中運作，此類環境包括寬廣溫度範圍及本質安全限制條件。只有那些可滿足所有上述四項要求的解決方案才被認為適合做進一步的評估。
當研究各種滿足相關要求的解決方案時，關鍵的選擇標準變成擁有成本與彈性。擁有成本涵蓋多個方面，例如產品開發、安裝、硬體及設備使用期限內的供電。與有線解決方案相比，無線技術大幅度地降低安裝成本，不過，電池供電型無線設備卻可能需要在網路的使用期限內更換電池。
另外，還需要在以下兩種選擇方案間進行權衡：建構具有少量高功率設備的網路(以降低硬體成本)，或是構築採用大量低功率設備的網路。對於那些由能量採集單元(如太陽能、熱電)供電的設備，大部分的成本或許取決於電容尺寸。諸如分時多工存取(TDMA)等採用確定性調度的解決方案，可幫助將大電流事件盡可能地分開，以降低電容尺寸要求。
由於最終的部署情況不可預知，因此網路的設計必須具備高度的彈性。網路所安裝的感測器數量必須可調節(從少到多)，網路的密度也須具備從低到高的調節範圍。
為了在多種多樣的無線環境中保持堅固性，資源配置應確保設備可在適度干擾的條件下可靠地通訊，而且當個別設備丟失時，網路應能繼續正常運行。如更多的無線鏈路、用於每部設備的更多相鄰設備或更多的訊號放大等的附加資源，則可改善可靠性與延遲。所有這些附加資源都將導致功率成本的增加，可利用動態分配最大限度地減小這種功率成本的上漲。
基於標準的解決方案可避免採用單一供應商元件時所遇到供應鏈難以預測的變化，並可保證同意在運作的管理原理，例如安全性架構。
干擾/多徑衰落問題帶來挑戰
就實質而言，無線通道並不可靠，而且許多現象都會阻止一個已發送的封包到達接收器。此類現象之一就是干擾。假如兩個獨立的發送器在同一個通道上傳送資料(因而其訊號重疊)，它們就有可能在接收器的無線電路中損壞彼此的訊號。然後，就要求發送器進行重發，而代價將是時間和能源消耗的增加。
如果基礎媒體接入技術未排定無競爭(Contention-free)通訊，則干擾可能來自同一個網路。倘若兩個發送器能夠察覺到接收器，但相互之間聽不到(被稱為隱藏終端問題)，那就特別有問題，必須退下來並透過確認機制來解決衝突。
干擾也可能來自工作於相同無線電空間裡的另一個網路，或者一種使用同一頻段的不同無線電技術。後者被稱為外部干擾，尤其存在於無須申請許可的頻段，例如2.400～2.485GHz的工業、科學和醫療(ISM)頻段、Wi-Fi、藍牙(Bluetooth)與802.15.4等都在此頻段上工作。
圖2中的曲線是透過以下方法獲得的：在一個辦公環境中部署四十五個802.15.4節點，讓它們交換1,200萬個均勻分布在十六個802.15.4通道上的封包。該曲線圖描繪這些封包的平均封包遞交率與用於傳送其通道間的函數關係；在重疊了Wi-Fi通道的通道上，該遞交率較低。
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| 圖2 在2.400～2.485GHz頻段中Wi-Fi和802.15.4間的干擾 |
第二種現象是圖3所示的多徑衰落，它會阻止一個已發送的封包到達接收器，而且更具破壞性，並且量化也更加困難。這通常被描述為「自干擾」，當接收器同時接收到發送器透過視線路徑傳送的訊號及環境中的物體如地板、天花板、門、人等，所反射的同一訊號時，就會發生此類現象。由於那些「拷貝訊號」的傳輸距離不同，因此其到達接收器的時間不一樣，從而有可能產生破壞性的干擾。20～30dB的衰落並不少見。
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| 圖3 多徑衰落導致鏈路品質發生顯著變化，即使在接收器僅僅移動幾公分時也不例外。 |
圖3是透過以下方法獲得的：讓一個發送器將一千個封包傳送至一個5公尺(m)外的接收器，並把該接收器輪流安放在一個35公分(cm)×20公分網格的每個點以重複上述過程。z軸代表該鏈路上的封包遞交率。雖然鏈路在大多數位置上均處於良好狀態，但在某些位置上卻由於多徑衰落的原因而未能成功地接收封包。
多徑衰落取決於環境中每個物體的位置和性質，而且在任何實際設置中都不可預知。一個優良的特性是，圖3中描繪的分布狀況會隨頻率而變化，換句話說，假如某個封包因多徑衰落之故而未被接收，那麼在一個不同的頻率上重新進行發送其獲得成功的機率很高。
由於環境中的物體不是靜態的，例如有車輛從旁邊駛過及門的開閉等，因此多徑的影響隨時間而改變。圖4所示為兩個工業感測器之間單一無線路徑上的封包遞交率，時間跨度為26天，且針對系統所採用的全部16個通道。
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| 圖4 無線鏈路的封包遞交率隨時間而改變 |
在圖4中，發現周迴圈，工作日和週末清晰可見。在任意給定的時間，一些通道工作狀態良好(擁有高遞交率)，一些則欠佳，而還有一些通道處於高度易變的狀態。通道17雖然一般都處於良好狀態，但至少會有一個零遞交週期。從品質的角度來看，網路中的每個路徑均表現出相似的工作特性，但具有不同的通道性能，而且絕對不會有任何一個通道可在網路內的所有位置上都保持良好的工作狀態。
由於干擾及多徑衰落的原因，建構可靠無線系統的關鍵在於充分利用通道和路徑分集。
IEEE 802.15.4解決方案被看好
如前文所述，一項非常適合解決WSN問題的技術是IEEE 802.15.4。802.15.4無線標準在多個無須申請許可的頻段中提供低功率、低資料速率PHY。這些頻段包括可在北美地區使用的915MHz頻段和全球可用的2.4GHz ISM頻段。2.4GHz頻段擴頻PHY可提供雜訊免疫力，這對於專為有可能工作於擁擠的免執照頻段而設計的低能耗設備而言，是一個非常重要的特性。
該標準還定義一個基於可靠和經確認封包(或幀)的MAC層，其具有任選的加密和驗證功能。這種彈性的解決方案構成多個專有和基於標準之協定的基礎，包括ZigBee協定(採用該解決方案以形成非同步化的單通道網路)和WirelessHART協定(採用此解決方案以組建時間同步的多通道網路)。
凌力爾特(Linear Technology)旗下的Dust Networks說明制定的WirelessHART協定具有一個802.15.4 2.4GHz PHY和一個基於802.15.4的鏈路層，為標準的802.15.4 MAC增添同步、通道跳頻、優先順序和基於時間的驗證。它具有一個提供路徑和端到端安全性的網路層，以及一個薄的不可靠/可靠網格傳輸層。
WirelessHART協定規定時隙定時、設備保持同步的方法，以及設備如何透過在重複的超幀將時間劃分為分隙式通訊機會(時隙)來安排時間/通道通訊機會。制定該協定的目的在於，實現無線設備與工業過程監視和控制應用中廣泛使用的現有有線高速可尋址遠程傳感器(HART)設備的無縫整合。
WirelessHART擴展了HART應用層命令集，添加用於管理無線資源和監視網路健康狀況的命令。WirelessHART網路是高度可靠的網格，即使在設備不具備視線且間隔數十至數百公尺的情況下，每部設備都擁有多個其可發送資料的相鄰設備，從而提供實現高可靠性所需的路徑分集。此外，WirelessHART網路採取中央管理的方式，大多數網路智慧都存在於一個管理器中。現場設備(無線感測器)負責報告狀態資訊，管理器利用這些資訊來訓練和優化網路，而感測器資料則被通報至一個被稱為閘道的應用代理。
新發布的802.15.4e修正案，正式確定時隙式通道跳頻特性(與802.15.4 MAC層的WirelessHART中的特性相似)。該標準定義用於通告同步化資訊(讓設備能同步至一個網路)的機制，提供基於時間的安全性，並規定分隙式通訊和跳頻序列。它在資訊元素中大量運用資料封裝，這使得能夠進行MAC的定制擴展，而不必等待標準的更新。其旨在簡化多層協定的開發，並專為耦合至一個6LoWPAN壓縮型IPv6網路層(定義於IETF RFC 4944和6282)而特別設計。
各類應用紛紛出爐
凌力爾特的Dust Networks SmartMesh產品線兼具符合WirelessHART及6LoWPAN標準的IPv6產品，它們利用802.15.4以提供可靠且功率最低的WSN解決方案。Dust Eterna微塵(Motes)(LTC5800系列)是單晶片元件，其將一個Cortex-M3微處理器、記憶體和外設耦合至目前功率最低的802.15.4無線線路(圖5)。
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| 圖5 LTC5800 Dust Eterna微塵架構 |
設計人員將微塵晶片嵌入在其感測器零組件中，並可依靠網路形成和優化，並將感測器資料傳輸至其應用。Dust的管理器可實現從幾十到幾千個設備的平穩調節，並提供用於網路的資料及配置介面。兩個產品系列均適合構建能提供可按節點配置資料速率之高度可靠的多跳網格網路，適於解決各種各樣的WSN問題。以下為採用Dust微塵和管理器的部分應用實例。
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Streetline公司是一家智慧停車解決方案供應商，其產品可監視城市停車位的即時可用情況。車輛探測器安裝在停車位的下方，位於鋪砌層的內部並與路面齊平，而這帶來了挑戰，因為感測元件的天線安放在地下，而後當車位被占據時則被金屬車輛所覆蓋。無線路徑分集是必不可少的，因為不同的車輛停放位置會改變元件對之間的路徑品質。Streetline將高架的轉發元件安裝在附近的街燈上，以獲得至停車感測器的視線。這些轉發器形成一個多跳網格，用於把所有的車位占用資料收集至局部網路管理器，並在此彙總到一個覆蓋全城的資料庫內，以供客戶和執法機構使用。無線技術對於此類應用至關緊要，因為要想用電線將感測器連接至每個車位操作是非常困難的，而低功率無線通訊還可降低更換電池的頻度。 |
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雪佛龍(Chevron)採用無線網路來監視石油開採和提煉設備。這些網路經常部署於嚴酷的環境(因為存在危險的極端溫度和化學品，並存在發生爆炸的風險)，在這裡無法為有線感測器布設導管。此外，無線網路技術還可實現旋轉結構和移動營運商的監視。以圖6的配置為例，無線網路被安裝在遍布大型煉油廠的不同位置。為了把資料收集到一個集中式控制中心，採用一個思科(Cisco)IEEE 802.11a無線網格，作為每個IEEE 802.15.4網路管理器的回傳骨幹連接。這使得低功率感測元件能夠向其局部管理器進行報告，資料在局部管理器上聚集並可靠地往復傳送。該配置充分體現兩種標準之間的強大融合。 |
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| 圖6 用於煉油廠程序控制的網路架構 |
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Vigilent公司可提供用於室內環境(如環境控制至關重要的資料中心)的智慧型能耗管理系統。由於資料中心內任何位置的溫度上升都可能導致設備故障，因此空調常常以滿功率連續運行，從而造成能源浪費。設備管理人員不願意其內部網路受到危害，因此Vigilent部署不會影響常規運作的無線元件。另外，設備對於安全性也十分敏感，因此須要採用無線協定對所有的封包進行端到端加密，並在網路管理器上提供附加的安全性。資料中心檢測點通常都很密集，Vigilent成功地部署多個重疊網路以實現所要求的感測器數目。 |
有此可見，基於802.15.4無線標準的多通道時間同步網格網路可解決構建彈性、可靠、低功率無線感測器網路所涉及的眾多難題。
(本文作者Jonathan Simon為凌力爾特系統工程總監、Lance Doherty與Thomas Watteyne為系統工程師)