如何利用低功耗節(jié)點搭建可托管且可擴展的長距離網(wǎng)絡(luò)的方法分析

目前，借助于多種不同的無線技術(shù)，將低功耗節(jié)點連接至互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為可能。在所有的無線技術(shù)中，利用Sub-1 GHz波段進行通信能夠在系統(tǒng)總成本和復(fù)雜度更低的情況下實現(xiàn)最遠的范圍。同時，Sub-1 GHz更加適合用于例如辦公室、樓宇和家庭等室內(nèi)環(huán)境，并且擁有最低的功耗。但是，如果要釋放物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的全部潛能，僅僅創(chuàng)建一條連接節(jié)點和互聯(lián)網(wǎng)的鏈路是遠遠不夠的。

用于診斷和自動化的云端管理系統(tǒng)需要僅僅有條的控制大量傳感器。而工廠、樓宇和零售業(yè)的中央服務(wù)器必須實現(xiàn)大規(guī)模的程序管理和自動化，以減少維護費用。

在家中的消費者需要一個類似于安防系統(tǒng)告警面板的中央樞紐，以保證各種低功耗傳感器和節(jié)點的數(shù)據(jù)通信流保持協(xié)調(diào)一致，同時隨時可以連接至互聯(lián)網(wǎng)。

無線連接作為IoT的一種解決方案，能夠滿足系統(tǒng)部署對于大量（從數(shù)十個到數(shù)百個）“鮮活”節(jié)點的需求。這也意味著定義技術(shù)的目的在于識別不同場景中節(jié)點所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型。

那么，我們?nèi)绾尾拍艹浞掷肧ub-1 GHz作為無線通信鏈路時帶來的巨大優(yōu)勢，并實現(xiàn)這一潛能，同時將其改造成一個連通性“系統(tǒng)”解決方案呢？

?我們需要提供一個網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，以確保能夠輕松搭建和維護大量節(jié)點，并保證通信安全。所有的節(jié)點必須搜索可連接的網(wǎng)絡(luò)，并且利用此網(wǎng)絡(luò)進行通信。它們的角色和服務(wù)必須隨著時間的遷移而擴展，同時保持鏈路的維護。

?我們必須保證節(jié)點在傳輸和接收數(shù)據(jù)時的可靠通性，并且充分利用傳輸空間，以避免數(shù)據(jù)通信阻塞和網(wǎng)絡(luò)失效，造成不好的用戶體驗或影響節(jié)點自身的電池使用壽命。

?在各種各樣的場景下，我們需要能夠服務(wù)不同類型的流量規(guī)格。例如在像診斷系統(tǒng)等普通傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)會被報告給一個中央樞紐。而另一方面，在諸如零售網(wǎng)絡(luò)中，大部分數(shù)據(jù)將會被發(fā)送至外設(shè)，比如零售服務(wù)器向終端發(fā)送更新后的定價信息。

?在滿足以上條件的同時還必須保持低功耗運行，當節(jié)點不處于數(shù)據(jù)通信狀態(tài)時進入睡眠模式。不過，尋求最佳功耗還意味著盡可能降低傳輸和接收的“啟動”時間，并且在激活的模式下使用最少的電量。

?最后，我們必須能夠通過IP與互聯(lián)網(wǎng)連接實現(xiàn)Sub-1 GHz網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的本地數(shù)據(jù)通信。

現(xiàn)在，設(shè)計人員在試圖滿足所有上述要求時所面臨的設(shè)計挑戰(zhàn)均可以由全新的TI 15.4 Stack軟件解決方案解決。TI所開發(fā)的這款軟件為IoT提供了真正的應(yīng)用型Sub-1 GHz連接解決方案。

圖1：全新TI 15.4 Stack是一款標準的Sub-1 GHz無線網(wǎng)絡(luò)解決方案

TI 15.4 Stack是一款在SimpleLink Sub-1 GHz CC1310無線微控制器（MCU）上運行的軟件開發(fā)套件（SDK）?；诰媒?jīng)驗證的IEEE 802.15.4標準，其能夠執(zhí)行Sub-1 GHz波段在北美和歐洲運行技術(shù)規(guī)格的‘g’修訂版（分別由FCC和ETSI制定）。

IEEE 802.15.4標準被用作目前市面上很多常見網(wǎng)絡(luò)互連標準的數(shù)據(jù)鏈路層，例如6LoWPAN、Wi-SUN、ZigBee、Thread和WHART等。由于諸如空中調(diào)停（通過CSMA-CA實現(xiàn)）、接受、重傳以及內(nèi)置AES安全性等特性，其保障了無線基礎(chǔ)的穩(wěn)定。

為了提升鏈路的魯棒性和可靠性，TI開發(fā)出一個針對U.S. FCC波段的跳頻機制。這個機制依賴于Wi-Sun FAN標準，而TI對其進行了低功耗運行的優(yōu)化。由于鏈路的魯棒性能夠提供更低的數(shù)據(jù)延遲和低功耗節(jié)能（避免了重傳），應(yīng)用可以直接從中受益。

TI 15.4 Stack軟件可被配置為異步或同步運行模式，一方面用于電池供電類傳感器的運行，另一方面還能支持具有低功耗節(jié)點的接收協(xié)同下行鏈路流量運行，從而滿足了不同應(yīng)用類型的需求。

此外， TI 15.4 Stack軟件基于TI-RTOS的基礎(chǔ)，并配備了整套針對傳感器和采集器設(shè)備的應(yīng)用示例。這兩個應(yīng)用都擁有一個基于802.15.4標準運行的邏輯鏈路控制器模塊，包含網(wǎng)絡(luò)和器件管理程序。

這為使用軟件的用戶提供了一個完整的參考解決方案，能夠解決構(gòu)建可托管低功耗網(wǎng)絡(luò)時所遇到的設(shè)計挑戰(zhàn)。TI 15.4 Stack軟件能夠基于選定的配置，支持從10s至100s的器件部署。

TI 15.4 Stack軟件還包括一個基于Linux的網(wǎng)關(guān)軟件，能夠執(zhí)行本地網(wǎng)絡(luò)控制器和采集器應(yīng)用。通過網(wǎng)關(guān)軟件，由Sub-1 GHz外設(shè)節(jié)點輸入的數(shù)據(jù)能夠在網(wǎng)絡(luò)瀏覽器界面中進行監(jiān)控和激活。

這款全新的軟件基于TI低功耗開發(fā)平臺設(shè)計，包括TI SimpleLink CC1310 LaunchPad 開發(fā)套件和Sitara AM335x處理器BeagleBone Black開發(fā)板。憑借BoosterPack 的開發(fā)套件生態(tài)系統(tǒng)和插入式模塊以及TI-RTOS框架的支持，用戶能夠輕松實現(xiàn)應(yīng)用的擴展。

使用窄頻帶調(diào)制能夠在外部晶體成本有限的情況下獲得最佳的靈敏性和抗擾度，TI 15.4 Stack軟件釋放了Sub-1 GHz無線在IoT中的所有優(yōu)勢。

通過提供一個用于低功耗托管網(wǎng)絡(luò)的完全參考系統(tǒng)解決方案，用戶可以將Sub-1 GHz無線功能性輕松集成到他們現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)中。

現(xiàn)在，創(chuàng)建包含大量低功率節(jié)點、覆蓋整幢建筑、整個房屋或停車場區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用已經(jīng)不僅僅是一個無線技術(shù)專家的任務(wù)。