Dust Networks位于加州海沃德 (Hayward, CA)，由Kris Pister 博士創(chuàng)辦。Dust Networks 率先推出 SmartMesh® 網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡由一個負責收集和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的自成形網(wǎng)狀節(jié)點 (或“微塵”) 與一個用于監(jiān)視和管理網(wǎng)絡性能并向主機應用程序發(fā)送數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡管理器組成。如今，該技術(shù)已成為眾多創(chuàng)新網(wǎng)絡標準的基礎。Dust Networks 技術(shù)的特點是實現(xiàn)了低功率、基于相關(guān)標準的射頻技術(shù)、時間分集、頻率分集和物理分集的完美組合，可確保可靠性、可擴展性、無線電源靈活性及易用性。SmartMesh 網(wǎng)絡中的所有微塵 (甚至包括路由節(jié)點) 均為可通過電池運行數(shù)年而設計，從而使需要通過低成本的“即撕即貼”型安裝可準確地安放傳感器的場合實現(xiàn)了最終靈活性。

無線市場的潛力可謂無限，可是無線技術(shù)的可靠性以及通信標準一直制約著無線市場的發(fā)展。對于一個創(chuàng)新型的IC企業(yè)來說，解決這些技術(shù)瓶頸將會使其立于不敗之地。而對于Dust Networks來說，它自創(chuàng)辦以來就已經(jīng)站在了無線領域的最前沿：采用全網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)提高了無線傳輸?shù)目煽啃裕涓呶萁仓鱐SMP奠定了無線通信標準，而它開發(fā)的系列產(chǎn)品成本低廉性能可靠更是深受OEM廠商們的信賴。 要想深入了解這么一家無線傳感器網(wǎng)絡供應商，毫無疑問就得先從它領先技術(shù)的了解開始，本文就將以這個為切入點探討Dust Networks的無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)。

傳感器網(wǎng)絡的未來——無線傳感器網(wǎng)絡

首先來初步認識一下無線傳感器網(wǎng)絡這個概念，無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network, WSN）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡的三個要素。隨著微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)、片上系統(tǒng)（SOC，System on Chip）、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展,孕育出無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks, WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革。  

Dust Networks公司在無線傳感器網(wǎng)絡的領先技術(shù)確保了無線傳感器能夠無縫地嵌入到一個現(xiàn)有的網(wǎng)絡架構(gòu)上，并使得整個網(wǎng)絡能夠很好地運行。Dust Networks公司最領先的技術(shù)無疑是它的TSMP（時間網(wǎng)格網(wǎng)絡協(xié)議）協(xié)議，它也是本文的重點。

走近Dust Networks的TSMP

Dust Networks的核心技術(shù)TSMP得到了無線HART協(xié)議的采納以及艾默生和通用等流程控制設備制造商的廣泛支持,這使得基于全網(wǎng)格拓撲的TSMP協(xié)議能成為廣泛應用于工業(yè)環(huán)境的無線短程網(wǎng)協(xié)議。當前的TSMP是在IEEE 802.15.4的射頻2.4GHz ISM頻帶和專用射頻900MHz ISM頻帶上實現(xiàn)的。圖1顯示了在標準的無線網(wǎng)絡協(xié)議棧和OSI網(wǎng)絡協(xié)議棧中TSMP所對應的部分。

圖1 無線協(xié)議比較

TSMP 協(xié)議包括了5個關(guān)鍵要素，包括了時間同步通信、跳頻、節(jié)點自動加入和網(wǎng)絡自動構(gòu)成、全冗余網(wǎng)格路由，以及安全消息傳送。而最具創(chuàng)新設計的當數(shù)TSMP 協(xié)議中的時間同步通信、跳頻和全冗余網(wǎng)格路由技術(shù)。

讓無線同步呼吸-----時間同步通信

在TSMP網(wǎng)絡中，節(jié)點間的所有通信都是在一個特定的時間段執(zhí)行的。對于每一個的TSMP節(jié)點，它可以同時處理多個數(shù)據(jù)幀,而數(shù)據(jù)幀里面又包括了若干個的時間槽。數(shù)據(jù)幀有一個重要的組態(tài)參數(shù)----幀長度。幀長度的長短直接影響著TSMP網(wǎng)絡的輸送能力：幀長度越短，網(wǎng)絡的刷新率就越高，隨之有效帶寬也增加，功耗也跟著增大；反過來，幀長度越長，那么刷新率就越低，有效帶寬以及功耗也相應的降低。  

TSMP協(xié)議的成功之處還在于解決了網(wǎng)絡構(gòu)成節(jié)點共享發(fā)送、接收和休眠的精確時間同步這個關(guān)鍵問題。為什么時間同步顯得那么重要呢？無線設備不像有線設備可以一直接著電源而不用擔心電源用盡，它只能使用自帶電源提供自己的能量補充，因此尤其是在對電池功耗有嚴格要求的場合（如WSN），保證全部節(jié)點能同步喚醒和同步休眠就意味著延長了電池的使用壽命。TSMP使用與其它WSN所不同的信標策略，它不是在每個數(shù)據(jù)幀的起始處設立同步信標，而是按照TSMP節(jié)點來保持精確時間的讀出，為了保證時間同步TSMP還通過相鄰節(jié)點進行交換以補償信息。這種設計的高明之處就是它使帶寬可以預先配置，確保了信息發(fā)送的可靠性和零干擾，同時節(jié)點在每次發(fā)送時可以有效地改變頻率且讓接收節(jié)點保持鎖步，通過對帶寬進行自動調(diào)節(jié)適應了數(shù)據(jù)流的突增或突減。

讓無線更靈活-----跳頻技術(shù)  

與其它一些協(xié)議單純使用DSSS或FHSS所不同的是TSMP將FHSS和DSSS組合在一起進行使用，這使得它同時具有了FHSS避免射頻干擾的能力和DSSS提高編碼增益的性能。  

TSMP還在規(guī)定的2.4000-2.4835MHz ISM頻道內(nèi)，巧妙地利用偽隨機序列在802.15.4規(guī)范下制定16個信道進行跳頻。如圖2所示,當TSMP節(jié)點C加入網(wǎng)絡時，它至少能發(fā)現(xiàn)兩個已處在網(wǎng)絡中的節(jié)點（稱之為A 節(jié)點和B節(jié)點）并與之建立通信關(guān)系。在這個過程中，C節(jié)點會收到作為父節(jié)點A和B發(fā)來的同步信息和跳頻序列。當又有新的節(jié)點加入網(wǎng)絡時，C節(jié)點也會給它的子節(jié)點發(fā)送另外一個不同頻率起點的跳頻序列。當一個父節(jié)點傳輸信號受到射頻干擾后，另一個父節(jié)點就會選擇以另一個信道的頻率與子節(jié)點通信。這種傳輸路徑的選擇相當簡單同時又不失靈活性。

圖2  A節(jié)點和B節(jié)點為C節(jié)點的父節(jié)點

對大多數(shù)通信機制而言，增加信道數(shù)就意味著成正比例的增加了系統(tǒng)的通信能力。而TSMP在802.15.4的射頻范圍內(nèi)取16個信道并采用跳頻擴頻，使之有效帶寬提高了整整16倍。當然信道數(shù)的增加會影響到系統(tǒng)的通信能力以及穩(wěn)定性，下圖是dust networks官方網(wǎng)給出的不同信道數(shù)系統(tǒng)穩(wěn)定性的比較。

圖3  不同信道數(shù)穩(wěn)定性的比較

讓無線更智能-----網(wǎng)絡自動構(gòu)成  

TSMP網(wǎng)絡的關(guān)鍵屬性還在于其具有自我組織的功能。那么如何理解一個已建立的TSMP網(wǎng)絡呢？事實上可以簡單地把TSMP網(wǎng)絡看為一組可以共享網(wǎng)絡識別號ID和關(guān)鍵字，且彼此間能保持同步的節(jié)點。每一個TSMP節(jié)點都具有發(fā)現(xiàn)其相鄰節(jié)點，測量射頻信號的強度，獲取同步和跳頻信息以及建立與相鄰節(jié)點的連接路徑的能力。而網(wǎng)關(guān)節(jié)點是TSMP網(wǎng)絡的發(fā)源地，它執(zhí)行著向所有其它網(wǎng)絡節(jié)點接力傳輸組態(tài)信息和發(fā)出主時序信號的服務。除了承載著應用消息的那個時間槽外，還有其它一些時間槽是用來執(zhí)行網(wǎng)絡組態(tài)、發(fā)現(xiàn)相鄰節(jié)點和偵聽新加入節(jié)點請求的，這些時間槽也是組成幀長度的一部分。當TSMP節(jié)點被喚醒或復位時，它便開始偵聽這些代碼并確認這些節(jié)點的加入請求。

讓無線更安全------安全消息傳送

所有的TSMP消息包括網(wǎng)絡ID都被打成為一個數(shù)據(jù)包。網(wǎng)絡ID將所有具有同一ID的節(jié)點都綁定在同一個網(wǎng)絡里，這樣一來多個TSMP網(wǎng)絡可以在同一個無線空間內(nèi)運行，這樣也避免了消息路由至其它網(wǎng)絡的情況。節(jié)點偵聽的方式是對自己所在網(wǎng)絡的ID進行非同步的偵聽，一旦它偵聽到ID與自己相匹配的節(jié)點，它就會發(fā)出讓其參與的初始化指令。此外對消息進行打包時還增加了一個參與密鑰，如果節(jié)點的密鑰有誤，它參與的請求就不會被其父節(jié)點所接受，那么該節(jié)點將會超時，接著又返回到非同步偵聽中去。以上所述的措施確保了節(jié)點間消息安全迅捷的傳送。

讓無線更有可靠------完全冗余路徑  

一個具有節(jié)點自動加入和自我修復的全網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)才能保證的網(wǎng)絡保持長期的可靠性和可預測性，即使是射頻環(huán)境隨著時間可能發(fā)生很大的變化也不會導致整個網(wǎng)絡的失效。TSMP采用的是讓每個節(jié)點都能發(fā)現(xiàn)多個可用的父節(jié)點并建立兩個以上的鏈接以達到空間上的多種變化。而時間上的多種變化則是由重發(fā)和避免失效的機制來實現(xiàn)的。這種自組織、全網(wǎng)格拓撲的網(wǎng)絡能夠發(fā)現(xiàn)可供使用的網(wǎng)絡拓撲和利用大多數(shù)穩(wěn)定的路由，從而達到了資源的合理優(yōu)化配置。   

Dust Networks的這一系列創(chuàng)新技術(shù)使得其能在這一領域保持多年的穩(wěn)定地位。迄今為止，有10多家公司（大約占據(jù)了無線傳感器網(wǎng)絡市場的90％）展示的可互操作無線設備都是采用了Dust Networks的TSMP技術(shù)，這包括了艾默森、霍尼維爾、ABB、西門子和橫河等。而據(jù)市場調(diào)研公司ONWorld近期發(fā)布的一份報告，預計到2011年，世界市場無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）系統(tǒng)與服務將飛升至約46億美元，比現(xiàn)在大概增長5億美元，毫無疑義Dust Networks仍將在這一極具潛力的市場中分到大部份的蛋糕。 

本期關(guān)注的Dust Networks是眾多無線設備生產(chǎn)商的一個杰出代表，其高可靠性的技術(shù)無疑將推動這個市場進入下一個快速發(fā)展的階段。縱觀無線市場領域，完全可以斷言 Dust Networks已經(jīng)邁出了堅實有力的一步，相信不遠的將來Dust Networks將會給世人更大的驚喜。  

在2011年12月底Dust Networks被凌力爾特公司收購。