利用安全、可靠的无线传感器网络实现多场景应用

随着电子设备数量的爆炸式增长，不同应用间相互通信的需求正在导致各种问题的出现。为了解决这一问题，制造商们使用各种不同的通信接口或者通信标准，例如专有的或者是根据自己的公司特定所创建的一些标准或接口来实现应用间的相互通信。

无线传感器网络（WSN）由多个具有信息传输能力和检测能力的小传感器节点设备组成，通过无线连接来形成控制网络有效获取信息，同时将所收集的信息传输到系统的网关节点中，进而实现远程监控和目标检测。本文以全球领先的高性能半导体企业亚德诺半导体（ADI）解决方案为例，详细说明无线传感器网络在各领域的广泛运用与独特优势。

相较有线通信，无线传感器网络的三大优势

传统的通信链路通过有线方式给控制器和外围供电，为两者之间提供可靠的信号传输。但是当这些外围设备实体并不被包含在控制器内时，有线这种方式将会带来安装成本增加、安全性以及在某些特定环境下线缆操作不具备便利性等难题。此外，有线连接需要很多连接件，而这些连接件可能由于震动环境等因素，或频繁接入相邻的设备变得接触不良或受损。

无线传感器网络作为无线网络的一个分支，能够不使用有线连接的方式，使传感器和驱动器之间建立连接。相较有线网络，它主要有以下三大优势：

• 更低的传感器安装成本。传统传感器网络安装，例如一个工业压力传感器，可能只需要花几百块钱，但是把它连接起来，需要加上人工、布线、测试以及验证的成本可能要比传感器的价格要贵得多。

• 无线传感器网络形成了更底层的智能维护系统，使得在传感器密集的环境下能够获取大量可用于改进工业流程的数据，可以有效降低有线网络所导致的复杂性难题。

• 可移动性是无线传感器网络相较有线连接的另一大优势，因为在一些运动的机器内部，如果内部传感器只与特定设备通信，有线连接就很难实现。

下图是ADI公司的SmartMesh解决方案示例，作为业界功耗较低并且最可靠的基于标准的无线传感器网络产品，SmartMesh能帮助客户更容易的开发出更可靠的嵌入SoC。例如在信号链中数据完整性十分关键，如果通信不一致、丢失或损坏，优化检测和测量的数据几乎没有价值。此外，存在电气噪声的工业环境可能十分恶劣和艰苦，尤其是在存有大量金属物体情况下进行射频通信，因此必须在系统架构设计期间预先设计鲁棒的通信协议，SmartMesh无线传感器网络可实现大于99.999%的数据可靠性，非常有效的解决了数据通信的可靠性。ADI不仅需要确保边缘节点数据安全无虑，还必须确保其对网络网关的访问免受恶意攻击，决不允许仿冒边缘节点来获取网络访问以进行不法活动，SmartMesh无线传感器网络具有加密、身份验证和消息完整性检查功能，保证无线网络通信的安全性。

ADI SmartMesh无线传感器网络

SmartMesh网络由高度可扩展的自成形多跃点节点网格和网络管理器构成，这些节点称为智能微尘，用于收集和中继数据，网络管理器用于监控和管理网络性能和安全，并与主机应用程序交换数据。值得一提的是，SmartMesh还是一个时间同步网络，可以做到各个节点的时间精确同步。凭借以上特性，部署与维护便利的SmartMesh正在成为更多工业应用场景的网络连接补充选项，目前已经被应用于全球工业自动化、交通运输等多个领域。

基于无线传感器网络实现多场景应用

ADI提供的2.4 GHz频段的SmartMesh lP网络具有典型的代表性，使得在最具挑战性的工作环境中部署无线网络变得实际可行，包括苛刻的射频环境，数千个节点在彼此的无线电射程内工作的密集部署场景，正在成为更多工业应用场景的网络连接补充选项，已应用于工业自动化、环境监测与智能交通等多个领域。

• 无线水质监测系统

饮料生产、制****厂、废水处理厂等多个行业都依靠水质监测系统对重要水质指标进行测量和控制。通常整个加工厂中如果部署单独的有线传感器，现场传感器则需要经常清洗、校准和更换。

采用新的测量和网络技术可以实现高可靠性的无线传感器网络，将ADI ADuCM355通用传感器接口功能与SmartMesh IP技术可靠性相结合，就可构成稳健的低功耗无线水质监测系统，专用于水质指标pH值的测量，将该原理轻松扩展到其他电化学参数，还可以针对每个无线传感节点形成一系列水质测量。

PH传感器连接到ADuCM355和SmartMesh无线传感器节点

• 交通基础设施监测

ADI作为为数不多的几家同时拥有多轴加速度计、陀螺仪及惯性测量单元的半导体厂商之一，除了能够结合精密校准、传感器滤波和融合，在智能驾驶高精度地图及导航中起到关键作用之外，也曾在业界展会上展示了利用MEMS传感器与SmartMesh IP相结合，实现对交通基础设施健康状况的监测。

例如通过沿着跑道布置极低功耗的冲击传感器ADXL372，用来检测车辆何时撞上跑道周围的护栏。利用ADXL372与SmartMesh IP相结合的监测方案，一旦车辆撞击到护栏，市政工作人员就能在第一时间收到通知并在短时间内更换被撞坏的护栏，这就极大加快了道路车辆撞击事故的处理速度。

• 电动汽车无线BMS（wBMS）

目前，汽车BMS系统按通信方式可分为有线BMS与无线BMS。有线BMS系统是通过CAN总线或iosSPI总线作为菊花链形式，将电池组、从控芯片与主控芯片连接起来，实现数据监测传输；无线BMS系统则是通过无线组网的形式，将电池组、从控芯片与主控芯片连接，通过无线通信完成电池组的状态监测和数据传输。 

ADI的wBMS系统示意图 

ADI电动汽车无线BMS系统解决方案便是利用SmartMesh实现电池状态监控和数据的无线传输，由于SmartMesh采用了自适应随机跳频技术，当系统识别到当前通讯频段出现干扰时，wBMS系统中的无线主节点芯片就会判断下一个时间窗口的通讯频段（非固定频段顺序），并在判断好后会通知从节点芯片，这样两个芯片就同时自动改变到不受干扰的频段，从而避免了干扰。并且，整个过程系统可以进行自主学习，通过算法识别出高堵塞的信道，能够主动降低该信道的占有率。

此外，ADI的SmartMesh网络架构使用的是时间同步通道跳变(TSCH)链路层进行通信，网络中的终端可以在数微秒内进行同步，网络通信被组织成时隙，可以实现低功耗分组交换、成对通道跳变和全路径分集。并且，每个器件都有冗余的路径以克服由于干扰、物理遮挡或多径衰落导致的通信中断。如果一个路径上的数据包传输失败，智能微尘会自动在下一个可用路径和不同射频通道上重试。