深入理解低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)

藍(lán)牙、Wi-Fi和ZigBee在無線通信領(lǐng)域都有一席之地。但基于不同原因，上述幾種技術(shù)都不太適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。用于傳感和控制應(yīng)用的無線產(chǎn)品和技術(shù)正迅速變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。無線技術(shù)的大規(guī)模普及只是時(shí)間早晚的問題，但標(biāo)準(zhǔn)化組織和技術(shù)供應(yīng)商在解決競(jìng)爭(zhēng)方案和技術(shù)混亂等方面的工作尚未做到位。具體地講，就是許多方案和技術(shù)對(duì)其適用范圍語焉不詳，從而造成了整個(gè)無序的局面。

最終用戶和系統(tǒng)開發(fā)商有多種理由急需標(biāo)準(zhǔn)化，這些理由包括：符合全球管制的要求、各種供應(yīng)商產(chǎn)品間互操作性的需要、有備用的第二個(gè)貨源渠道、能進(jìn)行貨比三家式的砍價(jià)以及與大量知識(shí)接軌的可能等。但還有其他一些。一些技術(shù)的開發(fā)成本非常高，以至于必須通過大批量生產(chǎn)才能收回成本并盈利。若實(shí)現(xiàn)大批量，則全球市場(chǎng)的表現(xiàn)至關(guān)重要。標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)全球認(rèn)知的一個(gè)極佳載體，是全球市場(chǎng)繁榮的助推劑。

無線傳感器系統(tǒng)架構(gòu)

無線傳感器系統(tǒng)的基本架構(gòu)包括三層，如圖1所示。最底層的是無線收發(fā)器。在發(fā)射端，它負(fù)責(zé)將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為無線電磁信號(hào)并經(jīng)發(fā)射器傳送出去;在接收端，它將接收到的電磁信號(hào)恢復(fù)成數(shù)字信號(hào)。在以往的無線技術(shù)中，發(fā)射器只管發(fā)射，接收器也僅能接收?，F(xiàn)在，為了提高可靠性和性能，許多技術(shù)已將發(fā)射和接收設(shè)備整合在一起。

圖1：無線傳感器設(shè)備的基本架構(gòu)。

芯片廠商需要通過大批量銷售來獲得盈利，而大批量需要涉及到全球市場(chǎng)。要想讓全球性技術(shù)市場(chǎng)騰飛，歷史證明，標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。上述判斷對(duì)Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)(技術(shù)上稱為IEEE 802.11 a/b/g/n/)和藍(lán)牙(基于IEEE 802.15.1規(guī)范中定義的標(biāo)準(zhǔn))都適用。被無線個(gè)人局域工作組在2003年制定的IEEE 802.15.4 (a/b)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)治的傳感器網(wǎng)絡(luò)也不例外。

上述三種技術(shù)定位于不同應(yīng)用。Wi-Fi被認(rèn)為是有線以太網(wǎng)PC通信的替代技術(shù)，即中心有個(gè)基站、PC就在中心附近的高數(shù)據(jù)速率網(wǎng)絡(luò)(也即星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu))。為了實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域的高數(shù)據(jù)速率，Wi-Fi的功耗相當(dāng)大，一般需要采用筆記本電腦的電池供電。

數(shù)據(jù)速率將隨著與基站距離的增加而顯著降低。藍(lán)牙被認(rèn)為與手機(jī)一起構(gòu)成了眾人注目的中心：它能把手機(jī)與耳機(jī)、GPS設(shè)備和筆記本電腦連在一起。1Mbps的藍(lán)牙數(shù)據(jù)速率對(duì)傳送音頻是綽綽有余了，但它比Wi-Fi的數(shù)據(jù)速率起碼低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

但另一方面，藍(lán)牙的功耗低，通常采用手機(jī)電池供電。一般來說，藍(lán)牙的通信距離也比Wi-Fi短，當(dāng)然，它也反映了手機(jī)一般就與耳機(jī)、筆記本電腦和GPS設(shè)備一起使用這個(gè)事實(shí)。

傳感器應(yīng)用有截然不同的需求，特別是在功耗方面：在采用鈕扣電池或太陽能電池及振動(dòng)發(fā)電采集器等環(huán)境能源的場(chǎng)合，傳感器一般必須要工作發(fā)好幾年，而傳感器所用的電池?zé)o法象筆記本電腦或手機(jī)電池那樣充電。

其他一些傳感器特有的要求是由以下因素決定的，如可靠性、通信距離、在單一網(wǎng)絡(luò)中所需支持的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)以及自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)組織需求等。不過較低的數(shù)據(jù)速率一般即可滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)要求，因?yàn)榇蠖鄠鞲衅鳟a(chǎn)生的數(shù)據(jù)量并不大，而且一般并非連續(xù)輸出。

對(duì)無線傳感器收發(fā)器而言，IEEE 802.15.4規(guī)范可能是主要且可能唯一的實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)。2003年批準(zhǔn)了該規(guī)范的第一版，2006年進(jìn)行了升級(jí)。目前有多家公司提供這方面的收發(fā)器芯片。其中一些芯片僅實(shí)現(xiàn)了該標(biāo)準(zhǔn)的很少部分。另一些芯片提供對(duì)某些應(yīng)用來說有用的附加功能。例如，GreenPeak公司的GP-2000收發(fā)器就具有許多特別適用于鈕扣電池和低電能應(yīng)用的低功耗特性。

表1列舉了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的一些主要參數(shù)，并與藍(lán)牙進(jìn)行了比較。一直有人嘗試著把Wi-Fi和藍(lán)牙應(yīng)用于傳感器應(yīng)用。在這兩種場(chǎng)合，藍(lán)牙和Wi-Fi都以非標(biāo)準(zhǔn)方式加以利用，從而過迂回實(shí)現(xiàn)了IEEE 802.15.4的基本原理。人們普遍承認(rèn)，IEEE 802.15.4能為無線傳感器應(yīng)用提供最佳方案。

表1: IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)及藍(lán)牙的一些主要參數(shù)比較。

并非所有技術(shù)供應(yīng)商都遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。一些公司出于降低復(fù)雜性和成本的考慮，自己研制專用收發(fā)器。但這些專用方案是否能達(dá)到足以真正降低成本的批量尚待觀察。另外，降低復(fù)雜性一般以犧牲性能為代價(jià)，因此限制了這些方案的使用范圍。

網(wǎng)絡(luò)堆棧

網(wǎng)絡(luò)堆棧有兩個(gè)職責(zé)。首先，它構(gòu)成并維持該網(wǎng)絡(luò)。特別是無線網(wǎng)絡(luò)堆棧必須要能應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)間的無線鏈接通信質(zhì)量的頻繁變化。例如，在建筑自動(dòng)化應(yīng)用中，走來走去的人(即一個(gè)人站在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間)會(huì)對(duì)鏈接質(zhì)量帶來很大影響。因此，網(wǎng)絡(luò)堆棧必須考慮到鏈接隨時(shí)都可能消失進(jìn)而造成一個(gè)節(jié)點(diǎn)甚至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分支被隔絕的情況。

圖2：最主要的傳感器網(wǎng)絡(luò)堆棧標(biāo)準(zhǔn)示意圖。

為防范干擾，網(wǎng)絡(luò)堆棧必須能重新路由通信路徑并建立新連接，以便為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有部分提供不被打擾的連通性。網(wǎng)絡(luò)堆棧的第二個(gè)職能是確保訊息可靠高效地從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。高效意味著延時(shí)要求—消息的傳輸時(shí)間—應(yīng)被滿足，而且應(yīng)避免在信息的路由行程中出現(xiàn)瓶頸。

無線傳感器應(yīng)用的范圍很廣，要求差異也很大，因此通信技術(shù)要有一定的靈活性。單靠硬件無法提供這種靈活性。它需要一個(gè)可編程堆棧，借此來減少前期投入并支持供應(yīng)商以較低批量獲得可觀回報(bào)。目前，已出現(xiàn)了一些標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)堆棧，另有一些在開發(fā)中，它們?nèi)家訧EEE 802.15.4為基礎(chǔ)。

ZigBee聯(lián)盟的影響

ZigBee聯(lián)盟是由眾多技術(shù)供應(yīng)商和OEM支持的獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)組織。該組織最近里程碑式的工作是2007年底完成了對(duì)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)堆棧規(guī)范的定稿，這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)棧是：ZigBee和ZigBee PRO。從使用角度看，ZigBee堆棧很適合一般包含十到幾百個(gè)設(shè)備的住宅“家庭”網(wǎng)絡(luò)。ZigBee PRO是ZigBee的超集，它增加了一些功能，可對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展并更好地應(yīng)對(duì)來自其他技術(shù)的無線干擾。

這些特性使ZigBee PRO很適合諸如商用建筑等大規(guī)模應(yīng)用。目前來說，該功能需要越來越大的程序存儲(chǔ)器空間，從而增加了成本，進(jìn)而限制了ZigBee PRO在許多消費(fèi)市場(chǎng)的應(yīng)用。但歸功于芯片成本的不斷下降 ，我們預(yù)計(jì)，ZigBee和ZigBee PRO間的成本差異不久就會(huì)變得微不足道，屆時(shí)，許多應(yīng)用將采用ZigBee PRO。

ZigBee聯(lián)盟并沒明確要把工業(yè)應(yīng)用排除在外。但若干大的工業(yè)自動(dòng)化企業(yè)已經(jīng)確認(rèn)需要一些額外功能，而這些功能并不在ZigBee聯(lián)盟考慮的要事之列。兩個(gè)最主要的“工業(yè)”特性是確定的延時(shí)和確定的可靠性。

延時(shí)是信息從源到目的地所需時(shí)間。如果源是PLC、目的地是機(jī)器，則嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乜刂蒲訒r(shí)就很重要。這就是為什么明確以工業(yè)自動(dòng)化為目標(biāo)的那些標(biāo)準(zhǔn)在研發(fā)一種稱為“保證時(shí)隙”的IEEE 802.15.4特性，這一特性可以確保最壞情況下的信息延時(shí)。目前，ZigBee并沒有使用保證時(shí)隙功能。確定的可靠性指的是在兩個(gè)無線節(jié)點(diǎn)間提供有保證的通信信道的能力。

可靠性的主要敵人是來自相同無線頻段其他用戶的無線干擾。就工作在2.4GHz頻段的IEEE 802.15.4設(shè)備來說，最主要的干擾源是Wi-Fi收發(fā)器。大多數(shù)干擾源并不徹底阻斷IEEE 802.15.4設(shè)備。

但無論設(shè)備采用哪種網(wǎng)絡(luò)堆，干擾確實(shí)會(huì)造成無線數(shù)據(jù)的丟失。為緩解數(shù)據(jù)丟失造成的影響，工業(yè)設(shè)備采用的無線標(biāo)準(zhǔn)提供了一種允許數(shù)據(jù)丟失按時(shí)間均勻分布的機(jī)制，從而令傳輸更具預(yù)見性也更可靠。

ISA-100和無線HART

ISA-100和無線HART是兩個(gè)具有強(qiáng)勁推動(dòng)力的工業(yè)無線自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)。ISA-100是專注于工業(yè)自動(dòng)化的非盈利技術(shù)機(jī)構(gòu)—儀器儀表、系統(tǒng)與自動(dòng)化協(xié)會(huì)(ISA)開發(fā)的。ISA-100將在2008-2009年度推出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

無線HART不是一個(gè)完整工業(yè)傳感器協(xié)議，而是用于工業(yè)自動(dòng)化的歷史悠久但很流行的HART工業(yè)(有線)總線標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充。本質(zhì)上，無線HART是有線信息傳輸協(xié)議HART的替代技術(shù)。因ISA-100和無線HART本質(zhì)上解決的問題相同，最近，它們聯(lián)合起來檢討兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是否能合二為一。最初版本很可能不具互操作性且需要網(wǎng)絡(luò)橋接(即兩個(gè)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換器)。后續(xù)版本或許定義一種公共語言。

工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的性能增強(qiáng)也能轉(zhuǎn)換為商業(yè)建筑自動(dòng)化領(lǐng)域中的優(yōu)勢(shì)，但一般不是主要的。而且這種改進(jìn)也增加了不菲的成本，從而限制了其在住宅和商業(yè)應(yīng)用方面的使用前景。表2列出了上述一些商業(yè)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的特性。

表2：部分商業(yè)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的特性比較。

專用無線技術(shù)

除標(biāo)準(zhǔn)無線傳感器技術(shù)外，一些公司還有自己特有的專用技術(shù)。專用技術(shù)規(guī)范并非一定就是封閉的。它意味著一家公司控制了技術(shù)的方向，并將順理成章地導(dǎo)致壟斷。專用標(biāo)準(zhǔn)一般是為滿足單一或有限應(yīng)用而制定。實(shí)際上，專用技術(shù)的開發(fā)速度比標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)快得多，因?yàn)樗槐叵髽?biāo)準(zhǔn)技術(shù)那樣要在不同公司間達(dá)成共識(shí)。

對(duì)一些特定應(yīng)用來說，專用技術(shù)可能比標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)。Zensys公司的Z-Wave和Cornis公司的Wavenis就是兩種最著名的無線傳感器專用技術(shù)。Z-Wave定位于住宅自動(dòng)化，它最大支持237個(gè)節(jié)點(diǎn)就是例證。該節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)家用而言是足夠了，但無法滿足諸如飯店和寫字樓等大的商業(yè)機(jī)構(gòu)的需求。Wavenis雖然也面向其他應(yīng)用，但主要還是應(yīng)用于自動(dòng)抄表系統(tǒng)。

即使在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，也存在許多技術(shù)差異化機(jī)會(huì)。例如，GreenPeak公司提供的兼容IEEE 802.15.4的收發(fā)器和堆棧，它們?cè)黾恿朔浅＿m合超低功耗應(yīng)用的功能特性。該技術(shù)支持無線系統(tǒng)以鈕扣電池甚至環(huán)境能源(如太陽能電池、振動(dòng)發(fā)電采集器或其他環(huán)境能源轉(zhuǎn)換器)為工作電源。

GreenPeak還開發(fā)出了低功耗路由(LPR)技術(shù)，該技術(shù)有可能在不遠(yuǎn)的將來成為標(biāo)準(zhǔn)。在LPR網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，電池供電設(shè)備可接收來自附近設(shè)備的信息并將其沿更長通信鏈路轉(zhuǎn)發(fā)下去。目前的標(biāo)準(zhǔn)僅能在向主電源供電的設(shè)備提供這種功能。這是因?yàn)檫@些標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)備處在連續(xù)監(jiān)聽狀態(tài)，因此功耗相當(dāng)高。與此不同，LPR網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備并不一直工作，它增加了一種時(shí)間同步機(jī)制，該機(jī)制可以把各個(gè)設(shè)備同時(shí)喚醒并啟動(dòng)通信，從而降低了功耗。