超低功耗 MESH 工业物联网

来源：骏龙科技

MESH 网络简介

MESH 网络是如今物联网技术中最理想的网络拓扑之一，它是一种基于多跳连接方式的局域网。目前常见的物联网以星型拓扑无线局域网居多，而无线 MESH 网络是网状拓扑结构，它的所有节点都互相连接，每个节点拥有多条连接通道，所有的节点之间形成一个整体的网络，它最大的特点就是当某条通道拥塞或故障时，数据可以“跳转到”其他通畅完好的节点再进行传输。生活中最常用的场景是室内智能家居，如图1所示，由于房间之间的墙壁阻隔，各智能节点之间很难通过单一无线信号覆盖，MESH 网络技术可以让节点间通过最短路径连接，最终组成整体局域网。

图1 MESH网络应用于智能家居

实际上，工业场景中也存在类似的问题，传感节点之间会有大型设备、金属货架、墙壁等的阻隔，甚至节点还会时刻变换位置，因此工业生产中同样非常适合使用 MESH 物联网技术。ADI 公司推出的 SmartMesh 物联网技术方案是行业内最可靠的 MESH 网络之一，下面将进行详细方案介绍。

智能微尘网络

SmartMesh 又被称为微尘网络（DUST Network），它是基于 2.4GHz 的 IEEE 802.15.4e 协议标准。网络传输可靠性大于 99.999%，超低功耗可使用单节纽扣电池持续工作 10 年，且具有加密传输、网络同步等工业物联网中的关键技术功能。如图2所示，SmartMesh 网络包含汇聚节点（Manager）和子节点（Mote），子节点彼此之间可以连 接，数据最终会上传至汇聚节点处，而后发送到其所连接的服务器主机，反之亦然，数据也可以下发到各个子节点。在空旷地带，子节点之间的最远连接距离可达到 200m。

图2 SmartMesh物联网方案

汇聚节点也叫网络管理器节点，除了用于作为数据接收分发的中枢，其最重要功能是作为网络管理器。网络管理器节点将不断收集网络内的各信号链路情况、节点工作状态、数据承载水平等，以此分配各节点的连接路由方案，最终目的是保持此 MESH 网络的稳健性能。

网络管理器

网络管理器用于接入 host 主机应用，同时最重要的工作是负责 SmartMesh 运行过程中的网络管理，维持良好路由及网络性能。网络管理器分为 EManager 和 VManager 两种，其中 EManager 嵌入式的管理器，所有软件功能运行在一个嵌入式处理器上，能够支持最多 100 个子节点，如图3所示。如果要拓展子节点的数量、提高网络规模，则需要增加网络管理器节点，部署新的网络。多个网络之间支持融合，具体操作可见 ADI 相关的用户开发指南。由于 SmartMesh 的每个节点均具备独立的 MAC 地址和 IPV6 地址，因此完全不用担心网络冲突。

图3 EManager的功能结构

如图4所示是 VManager 的功能结构，在此方式下嵌入式接入点和网络管理算法是分离的，VManager 的网络管理算法单独运行在计算机上，因此性能更强大，所以单个网络内能够容纳最多5万个子节点。此外，可以通过增加嵌入式接入点的个数，提高网络的整体带宽，因此还支持热故障切换网关冗余。 VManager 是运行在 x86 虚拟机 (VM) 上的软件，其中虚拟机是可以安装在各式平台上的，不仅限于一般的服务器，也可以安装在低功耗的 X86 嵌入式处理器。

图4 VManager的功能结构

MOTE 子节点

MOTE 子节点用来连接传感器，每个子节点都可以发送和接收消息（支持双向数据），并且它们可以有不同的数据报告速率，网络管理器会自动协调各个成对通信以便高效地路由流量。MOTE 子节点的网络控制程序已经由 ADI 开发调试完毕并运行在 ADI 的嵌入式处理器上，不需要用户参与底层网络功能的开发和调整。子节点提供了两种使用开发方法，如图5所示，分别为 Master 和 Slave 模式。

在 Master 模式下，用户可以使用 ADI 提供的 On-chip SDK 直接开发此节点的嵌入式处理器，它是一个 ARM Cortex-M3 处理器，用户可以将它当作独立的单片机，开发其 GPIO、ADC、时钟、接口等等资源，以及调用网络通信控制接口程序，而其上运行的网络功能固件程序独立运行，不会被客户改变。

在 Slave 模式下，用户需要使用自己的单片机，MOTE 节点作为从机，通过SPI 接口与用户单片机通信。ADI 提供了相应的 API 接口程序，用户可以设置和控制网络传输过程，以此进行组网通信。两种模式各有其优势，Master 模式集成度高、功耗低，而 Slave 模式更易于用户开发使用。

图5 MOTE子节点的两种工作模式

低功耗闪烁模式

除了常规的网络工作模式，SmartMesh 的网络节点还可以工作在被称为闪烁模式的超低功耗漫游模式下。当 MOTE 节点工作在闪烁模式下时，节点平时处于休眠状态，此时工作电流仅有 3uA，当节点需要发送数据时会被唤醒，不会参与复杂的网络算法，发送后立刻再返回休眠。节点在闪烁模式下的综合工作电流小于 50uA，这也是其能支持单节纽扣电池工作长达 10 年的秘诀。

闪烁模式通常用在不经常传输数据的节点、接收简单控制信号的节点、经常移动的低数据节点等。闪烁模式节点在唤醒后首先搜索网络广播信号，成功后经过简单的握手协议就会开始发送数据包，而无需正常节点加入网络时的繁琐连接步骤，发送结束后节点将断开网络连接，实际上，闪烁模式节点的大部分能量都消耗在唤醒后搜索广播信号的阶段。如图6所示，闪烁模式的节点一般都会与正常模式的节点融合在同一个网络中，用户会根据其自身的工作特点，将其设置为闪烁模式。

图6 闪烁模式节点融合在网络中

便捷的评估套件

对于 SmartMesh 网络方案，ADI 公司提供了完整的评估板套件，供用户进行开发测试。图7所示的是 SmartMesh 入门套件，其包含了5个 MOTE 节点开发板和两种网络管理器、各种转接板等硬件设备，以及相应的开发及测试软件等，客户可以快熟部署和评估 SmartMesh 的性能。ADI 提供了免费配套软件，可以用来测试 SmartMesh 网络的工作参数、拓扑状态以及进行数据传输试验。对于更深度的低功耗要求，ADI 还提供了 Excel 表格形式的 SmartMesh功率和性能估算器，使得用户能够输入不同的网络形状、大小和数据报告速率并查看估计的网络性能，例如：平均电流消耗、延迟、网络形成时间和管理器。

图7 SmartMesh入门套件

ADI 给用户提供了3种产品形态进行开发，如图8所示，分别为芯片级产品LTC5800、板载陶瓷天线的模块级产 品LTP5901、外接 IPEX 天线的模块级产品 LTP5902。产品可以烧写相应的固件程序，以配置其作为网络管理器 (EManager)、接入节点 (VManager) 或 MOTE 节点。

图8 ADI提供的3种SmartMesh产品形态

总结

ADI 公司推出的 SmartMesh 无线物联网方案，采用多跳式网状拓扑网络，可在恶劣的工业环境中实现 >99.999% 的数据可靠性和超低功耗，是业界功耗最低并且最可靠的基于标准的无线传感器网络（WSN）产品。SmartMesh 产品经过现场验证，已在 120 个国家/地区部署了数以千计的客户网络。SmartMesh 无线网状网络可在苛刻的射频环境中实现极高的数据安全性，深受工业物联网解决方案提供商的信任，它可以多年可靠地传输关键传感器和控制数据而不需要干预。
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