標(biāo)準(zhǔn)化無線網(wǎng)絡(luò)選擇方案

2004年5月A版

　　任何傳感器或傳感器基系統(tǒng)的主要任務(wù)是采集信息，包括溫度、流量、機(jī)器正常狀態(tài)或其他測量參量。傳感器數(shù)據(jù)產(chǎn)生是相當(dāng)容易做到和很好理解的，但從傳感器傳輸數(shù)據(jù)到監(jiān)視或控制系統(tǒng)仍然是一個(gè)問題，這是由安裝和維護(hù)通信網(wǎng)絡(luò)成本的復(fù)雜性所致。特別是無線網(wǎng)絡(luò)缺乏業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，使傳感器集成過程變得復(fù)雜，限制了板基開發(fā)。所以，在傳感器繼續(xù)變成智能化的同時(shí)，往往不能把數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程系統(tǒng)。

　　大多數(shù)傳感器是硬線連接到監(jiān)視和控制系統(tǒng)，這是由于缺乏合適可靠、又經(jīng)濟(jì)的無線解決方案。無線標(biāo)準(zhǔn)(包括Wi-Fi,Bluetooth,ZigBee)比有線系統(tǒng)增加了靈活性，并降低了集成專利無線通信的風(fēng)險(xiǎn)。但是，很多對無線感興趣的公司仍然不清楚采有哪種技術(shù)。無線通信安裝容易和系統(tǒng)靈活已說了很長時(shí)間，但是所關(guān)心的成本和可靠性問題仍然消除不了。現(xiàn)在，每年采用Wi-Fi和Bluetooth的裝置有幾千萬件，其成本大幅度下降。專門為遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制設(shè)計(jì)的第一個(gè)無線標(biāo)準(zhǔn)ZigBee可顯著地改善無線網(wǎng)絡(luò)的有效范圍和可靠性。

選擇有線還是無線?

　　有線通信協(xié)議，如ModBus、LonTalk或DeviceNet把傳感器集成到目標(biāo)環(huán)境中能良好地工作，并能提供高水平的可靠性和安全性。有線網(wǎng)絡(luò)適合于需要時(shí)間苛刻或任務(wù)苛刻的數(shù)據(jù)和閉環(huán)控制。但是，在已有裝置中建造自動化工程的布線和安裝可能要花費(fèi)高達(dá)80%的總系統(tǒng)成本。而且，一旦纜線安裝好，要重新布線，其成本和時(shí)間都要花費(fèi)不少。

選擇專利還是標(biāo)準(zhǔn)化無線方案?

　　對于需要無線網(wǎng)絡(luò)靈活性和能夠允許新型信息潛在因素的傳感器基系統(tǒng)來講，用戶可在專利和標(biāo)準(zhǔn)化方案之間選擇。由于專利系統(tǒng)通常為應(yīng)用定制的，所以，它們的優(yōu)越性是在傳輸距離、很低的功耗和單件成本方面。然而，這種系統(tǒng)通常不比標(biāo)準(zhǔn)化更可靠，而且它們的專利性意味著不可能實(shí)現(xiàn)單件大批量和集聚標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)的業(yè)內(nèi)投入。

　　專利無線系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是它們的復(fù)雜性、依賴于單位供應(yīng)商的風(fēng)險(xiǎn)和相當(dāng)高的成本。由于缺乏RF通信和傳感器基網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致市場分割，迫使用戶不是依靠單供應(yīng)商就是雇用高專業(yè)化的工程師。由于迫使大多數(shù)公司重作無線電網(wǎng)絡(luò)軟件方面的工作，所以，研究和發(fā)展資源被轉(zhuǎn)向?yàn)橐粋€(gè)品種傳感器開發(fā)可靠RF通信平臺的基本功能。隨著在多種應(yīng)用和多種行業(yè)中大量開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化無線產(chǎn)品，硅經(jīng)濟(jì)的“有效力的周期”(“virtuous cycle”)導(dǎo)致大批量驅(qū)使成本降低。

無線標(biāo)準(zhǔn)

　　一旦公司決定集成標(biāo)準(zhǔn)化無線通信到其產(chǎn)品中，仍然需要選擇最合適的無線技術(shù)?，F(xiàn)在，用戶可從下列幾種無線選擇方案中進(jìn)行選擇：GPRS，Wi-Fi，Bluetooth，ZigBee(見表1和表2 )。

無線寬域網(wǎng)

　　蜂窩或?qū)ず艋鶡o線通信是最廣泛采用標(biāo)準(zhǔn)化無線遙測技術(shù)格式的，所用技術(shù)包括CDPD、GPRS、CDMA/1XRTT和FLEX。衛(wèi)星技術(shù)也用于遙測，特別用于遠(yuǎn)程環(huán)境。

　　盡管這些技術(shù)可提供可靠的寬域通信，但應(yīng)用通常限制在單個(gè)節(jié)點(diǎn)，如油田井架或大型商業(yè)空調(diào)裝置。無線寬域網(wǎng)的傳感器基應(yīng)用很好適合于遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控和運(yùn)輸貴重物件的跟蹤。

Wi-Fi

　　技術(shù)上稱之為IEEE802.11的Wi-Fi技術(shù)近來市場上的成功使成本大幅度下降，這為用戶把此技術(shù)運(yùn)用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中提供了機(jī)會。現(xiàn)在Wi-Fi技術(shù)做為大多數(shù)新便攜產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)特性，它對高數(shù)據(jù)應(yīng)用(如大文件傳輸，email,web接入)是最佳的。IEEE802.11流行幾個(gè)版本，包括“a”(在5.8GHz為54MBps)、“b”(在2.4GHz為11MBps)和“g”(在2.4GHz為22MBps)。這種復(fù)雜性為用戶選擇標(biāo)準(zhǔn)化無線平臺增加了困難。

　　Wi-Fi規(guī)定協(xié)議的物理(PHY)層和媒體接入控制(MAC)層并依賴TCP/IP做為網(wǎng)絡(luò)層。其優(yōu)異帶寬得到功耗大的代價(jià)，大多數(shù)便攜Wi-Fi裝置希望能常規(guī)重新充電。Wi-Fi 應(yīng)用于膝上型計(jì)算機(jī)或PDA以及不需要大型網(wǎng)絡(luò)支持的供電系統(tǒng)。Wi-Fi的傳感器基應(yīng)用包括供電、IP基視頻監(jiān)視和高分辨率傳感器數(shù)據(jù)采集。

Bluetooth

　　Bluetooth官方稱之為802.15.1，它正在被市場接受，并且成功應(yīng)用于2.4GHz頻段的一些傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)中。Bluetooth峰值吞吐量為720KBps，使其成為高數(shù)據(jù)應(yīng)用中的可靠方案，特別適合大型網(wǎng)絡(luò)、距離小于10米、不需要電池電源的場合。Bluetooth芯片組第3和第4代，主要針對蜂窩電話和PC外設(shè)，而結(jié)果是由于大批量導(dǎo)致價(jià)格顯著下降。

　　Bluetooth規(guī)定集成協(xié)議棧，包括PHY、MAC、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層。它對語音和特定網(wǎng)絡(luò)的支持有助于為協(xié)議棧提供它的250KB系統(tǒng)開銷，它增加了系統(tǒng)成本和集成復(fù)雜性。另外Bluetooth的每“Piconet"(微微網(wǎng))7個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)限制，限制了它在大型傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)中的應(yīng)用。Bluetooth應(yīng)該在傳感器應(yīng)用中工作得很好，這包括病人監(jiān)護(hù)和虛擬定向設(shè)備監(jiān)視，它們都需要數(shù)據(jù)和視頻。

ZigBee和IEEE802.15.4

　　基于IEEE802.15.4的ZigBee是一種低功率、低數(shù)據(jù)率無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，它是專為遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。去年5月批準(zhǔn)的IEEE805.15.4 是一種簡單而又強(qiáng)大的分組數(shù)據(jù)協(xié)議，此協(xié)議通過確認(rèn)、誤差檢查、優(yōu)先通信、直接時(shí)序擴(kuò)頻、避免干擾的變頻能力以及用戶選擇安全來提供高可靠性。IEEE802.15.4規(guī)定PHY和MAC層并定義3個(gè)無許可證頻段(2.4GHz，915MHz，868MHz)。若2.4GHz頻段對特殊應(yīng)用不是最佳的，它為用戶提供一個(gè)選擇的頻率。每個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸30~100米范圍是可能的，通過采用功率放大器和多跳躍網(wǎng)形可擴(kuò)大傳輸距離。也可以利用IEEE802.15.4硬件頂端的專利網(wǎng)絡(luò)配置。

　　ZigBee規(guī)定IEEE802.15.4 PHY 和MAC層頂上的網(wǎng)絡(luò)、安全和應(yīng)用層并支持星、網(wǎng)絡(luò)和簇樹網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)支持每個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)255個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，ZigBee的64位網(wǎng)絡(luò)地址支持?jǐn)U展每個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)多達(dá)65000個(gè)節(jié)點(diǎn)以上。ZigBee工作良好的傳感器基應(yīng)用包括照明和HVAC(加熱通風(fēng)空調(diào))控制系統(tǒng)、AMR和分表、工業(yè)數(shù)據(jù)采集和電池供電安全監(jiān)控。

無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　用戶除選擇一個(gè)專門的無線技術(shù)外，也需要確定最適合于應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這是網(wǎng)絡(luò)的邏輯形式，而且它決定網(wǎng)絡(luò)中不同的節(jié)點(diǎn)如何彼此連接和它們?nèi)绾瓮ㄐ拧＞W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括星、網(wǎng)絡(luò)和橋結(jié)構(gòu)。對于不同的應(yīng)用，每種結(jié)構(gòu)都有自身的強(qiáng)項(xiàng)。對于相當(dāng)簡單或低功率應(yīng)用，星拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)工作得很好。在星拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，所有無線節(jié)點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)和網(wǎng)關(guān)上。當(dāng)物理干擾或強(qiáng)RF干擾單元通信時(shí)，通常的規(guī)定是去除受影響的節(jié)點(diǎn)。一旦采納這些受影響的節(jié)點(diǎn)，對大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用來講這是不能接受的。

　　網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)用一種分散、多跳躍結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)是與最接近的節(jié)點(diǎn)直接通信。這使得靠從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的中繼可提供一個(gè)擴(kuò)展的搜索區(qū)域。如果由于任一種原因(包括強(qiáng)RF干擾)使一個(gè)單節(jié)點(diǎn)失效，則信息可以自動地沿一條或更多的另外通路進(jìn)行通信。最佳的路由選擇通常由任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的被測信號強(qiáng)度和節(jié)點(diǎn)間傳輸信息所需的跳躍累積數(shù)確定。

　　路由算法可以是前激勵(lì)或反應(yīng)性的，這取決于應(yīng)用要求。用前激勵(lì)路由，其專門節(jié)點(diǎn)之間網(wǎng)絡(luò)路由總是維持。這可加速數(shù)據(jù)傳輸，但對大型網(wǎng)絡(luò)的管理可能變復(fù)雜。用反應(yīng)路由，需要發(fā)現(xiàn)和更新網(wǎng)絡(luò)路由，這基于網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在的條件和源節(jié)點(diǎn)生成數(shù)據(jù)的要求。反應(yīng)路由靠路由表的最小復(fù)雜化可簡化網(wǎng)絡(luò)開發(fā)，但可能導(dǎo)致信息等待時(shí)間，這對于近似的實(shí)時(shí)應(yīng)用來講是不實(shí)用的。一個(gè)典型的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)跳躍需50ms時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇蔀樵O(shè)備監(jiān)視和控制提供所需的工業(yè)高可靠性。

　　混合簇樹配置組合網(wǎng)格和星拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對于低數(shù)據(jù)率應(yīng)用(在節(jié)點(diǎn)上需要長電池壽命和網(wǎng)絡(luò)高可靠性)往往是最佳方案。家庭或單層建筑中的傳感器可連接成星拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)到每層或每個(gè)家庭中電源供電的無線裝置，然后再連接成網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

結(jié)語

　　為專門應(yīng)用選擇最適合的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)，一種技術(shù)不能適合所有的應(yīng)用。然而，一旦清楚地確定了應(yīng)用的通信要求和了解可選擇的各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通常就能容易地確定最適合的網(wǎng)絡(luò)方案(表2)，在此情況下，可采用混合方法，用低功率、短距離干網(wǎng)(ZigBee)為GPRS/GSM或Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)寬域通信聚集傳感器數(shù)據(jù)，用戶不再受限于布線安裝，而且用經(jīng)濟(jì)和可靠的基于全球標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品使用戶不再局限于專利無線方案?！?益林)