低功耗無線技術不僅為傳統有線感測系統帶來可觀的成本降低效益，而且填補了有線感測器網路不可及的應用區塊。低功耗的無線感測器網路(WSN)標準，特別是採用時間同步跳頻(TSCH)的網狀架構，讓網路中的每個節點都能靠電池電力或採集環境中的能量來運作，而且不會犧牲可靠性或資料傳輸量。如此一來，應用開發者就能把感測器設置在任何地方 – 不光是能連上電源的地方，凡是任何需要感測器資料的應用都能隨處設置。凌力爾特及旗下Dust Networks產品事業群，長期以來都是創新研發的先鋒，該公司致力於開發高可靠度、低功耗的TSCH型WSN及各種能量採集技術。透過這些技術，應用開發業者可以發掘更多機會，以著手部署新型態的系統，這些產品需要充電的頻率極低，甚至完全不必充電，不僅可進一步降低部署無線感測器的產品生命週期成本，而且還推動了物聯網(IoT)的發展。
ON World在2012年曾發表一項研究報告，其中指出業界客戶對於WSN最重視的兩個屬性，分別是可靠性與低功耗(如圖1所示)。而排行第三的則是成本:但若無法解決可靠性與功耗的問題，成本並不會是客戶優先考量的議題。
圖1 各界對WSN各項屬性的重要性的看法
根據Dust Networks多年來在TSCH進行的研究與開發，加上Dust產品所累積之成千上萬的布署經驗，可明顯看出結合精準同步化的時槽配置、跳頻、以及超低功耗無線電，即可打造出功耗最低且最可靠的WSN。致力追求低功耗讓所有節點能使低成本電池連續運行達數年之久，其並能運用各種不同的能源，其中包括從環境採集的能源。
低功耗無線電
IEEE 802.15.4標準發表後，為WSN建構了一個絕佳的無線電平台。IEEE 802.15.4定義了一個2.4 GHz的16頻道展頻低功耗實體層(PHY)，可在此基礎上建構許多物聯網技術，其中包括ZigBee與WirelessHART。另外還定義了一個媒體存取控制(MAC)層，此層為ZigBee的基礎。然而這種MAC的單頻道特性使得其可靠性變得無法預測。為了提高可靠性，WirelessHART協定 – 亦稱為IEC62591 – 遂定義了一個多頻道鏈結層，其運用15.4 MAC來達到高可靠性(高於99.9%)，藉以因應各行業對WSN應用的要求。在2012年初，名為802.15.4e的新版802.15.4 MAC修訂完成，這個MAC規範實現了多頻道網路以及時槽配置。802.15.4相容無線電的輸出功率一般都在0dBm左右，其發送與接收電流範圍則在15至30mA。在0dBm下最佳的發送電流為5.4mA，最佳的接收電流則是4.5mA(以凌力爾特的LTC5800為準)。
時間同步協助節省電力與跳頻
原始的802.15.4 MAC要求網狀式網路中的節點必須常時啟動，以便轉送週圍節點的資訊，然而許多節點僅會傳送/接收自己的資料，這些節點通常稱為 “精簡功能裝置”，其會在傳輸作業之間的時間切換至休眠模式。為了讓網路中的每個節點降低功耗，節點之間的通訊必須妥善排程，因此網路中需要一個分享時間的機制。同步化做得越嚴密，轉送節點的無線電元件切換至 “啟動”狀態的時間就越短，如此即可盡可能降低功耗。頂級的TSCH系統會對多次轉傳(multi-hop)網狀網路的所有節點進行同步化，整個程序僅須數十微秒即會完成。一旦網路中存在精準的時間共用機制，加上網路各節點之間排定時槽來進行成對的傳輸作業，如此就能把頻道配置整合到時程表，進而支援跳頻作業。
藉由跳頻消除干擾與多重路徑衰減
無線頻道本身的特性就是不穩定，許多現象會導致發出的封包無法送達接收器; 當無線電功率下降時，這些現象產生的效應會變得更為嚴重。當有多個傳送器同時透過相同頻率發送訊號時，便會產生干擾。如果各傳送器無法聽到彼此的訊號，就會產生嚴重的問題，然而接收器則會聽到所有傳送器的訊號( “終端機隱匿問題”)。必須有暫停(Backoff)、重新傳送、以及收悉通知等機制才能解決碰撞問題。干擾來源可能來自網路內部、使用相同無線電空間的其他類似網路、或頻道中運行的其他種類無線電技術 – 常見共用2.4 GHz頻帶的干擾源包括Wi-Fi、藍芽、以及802.15.4技術。
第二，名為多重路徑衰減這種無法預測的現象，即使在能夠進行無障礙物的無線傳輸時，仍可能導致傳輸失敗。這種狀況發生在環境中有許多物體多次反射傳輸訊號(包括天花板、門、人體等)，每次反射的訊號傳輸的距離都不同。當產生破壞性的干擾時，訊號衰減幅度通常達到20至30dB。多重路徑衰減的程度會依傳輸頻率、裝置位置、以及所有鄰近物體等因素而定; 因此，實務上是無法預測的。圖2顯示兩個工業級感測器在26天期間中在單一無線路徑之間的封包傳抵比率，每個感測器各使用系統中的16個頻道。在任何時刻，總是有一些頻道狀況好(高傳送成功率)而有些狀況差，其他則時好時壞。重要的是，並無觀察到在任何一刻，網路中有頻道在所有路徑上都出現良好的傳輸狀況。
圖2: 26天中在16個頻道上的封包傳遞狀況
基於其他理由，WSN必須採用多重頻道。藉由時間同步化，並將網路分配成多個時槽，如此傳送作業就能精準排程，使其分別在已知的特定頻道上傳送，使得每次傳送都能改變頻道。此外，排定網路傳輸時程不僅解決了 “終端機隱匿問題”，而且幾乎消除了網路中的碰撞。此類機制已在超過1萬個WirelessHART網路中實際運作過，而且經常達到維持數年的電池續航力，其可靠度超過99.9%。
能量採集的考量
一旦WSN的功耗要求能大幅降低，能選用的能源種類就大幅增加。我們的週遭環境中，到處存在著能源:包括光線、震動、熱溫等，這些都是可以自由採集的能源，並能轉化成足夠的電能，以滿足低功耗TSCH WSN的運作所需。以下實例介紹了一些實際的能量採集技術，其能產生超過150µW的電能 – 遠遠足以供應802.15.4e網路中一個典型IPv6路由節點(如Dust Networks的SmartMesh™ IP產品)運作所需。
光線：一般辦公室建築物的多數區域都有足夠的室內光照來運行低功耗TSCH WSN。根據美國聯邦總務署對美國公共建築頒行的規定，包括工作區域與閱讀平面等光照較高的區域，必須有500流明的光照。即使在 “一般照度”的區域，如大廳、樓梯間、機房與通訊設備室，亦至少需有200流明的光照，大多數會議室則需要300流明。在200至300流明的光照部分，市面上有許多室內專用的小型光伏電池(像是G24i 4100 低照度太陽能光電板，或 Sanyo AM-1815 室內電池)足以為802.15.4e TSCH網路中的IPv6路由器供應電力。 溫差發電器(TEG)能從各種熱溫表面發散的熱量產生電力，包括各種常見高溫裝置所散發的廢熱(如電腦螢幕或高電流馬達)。隨著無線解決方案越來越省電的優點，僅攝氏10度的常見溫差所產生的能量就足以作為能源。這裡提供一項參考資訊，人體體溫與室內溫度的溫差通常約為攝氏15度。
解決方案
許多能量採集感測器僅能輸出數百毫伏的電力，因此通常需要一個升壓DC/DC變壓器將產生的電力轉換至可用的電源電壓。如凌力爾特的LTC3105，此IC結合最高功率控制機制，讓感測器能在最高峰的效率下運作。LTC3105還能在電路中加入電池備援功能。由於這些電路中的電池僅在周遭能源不足或缺乏時才會被使用，因此電池續航力可大幅延長，進而降低更換電池的成本。反之，若在能源採集電路中加入電池備援設計，當發生能源中斷的狀況時，可提供更多的保障以及持續供應的電力。(如週末關閉電燈或機器時)。
結論
物聯網的實現，已經因感測器之更可行及無所不在的簡易佈署而加速。低功耗、可靠的無線感測器可為客戶及相關開發業者提供無線/無須煩惱的網路傳輸。WirelessHART 及802.15.4e 標準，是這些網路方法的絕佳案例，低功耗操作對於電源而言可確保絕佳的彈性，同時為永久電源提供潛力。這些因素均使感測器的隨處布署可以更簡易、同時更可行。
