耳目無所不在：嵌入式設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

耳目無所不在：嵌入式設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

有了低成本無線收發(fā)器，使網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到深層次嵌入式設(shè)備成為現(xiàn)實(shí)。

　　要點(diǎn)
　　●   低成本無線鏈路可以降低安裝和維護(hù)成本，并可提供移動(dòng)性。
　　●   電池壽命至關(guān)重要，最有效的節(jié)能方法是降低發(fā)送的頻率和距離。
　　●   混合發(fā)送機(jī)制可以使你在同一網(wǎng)絡(luò)上能更有效地支持多種多樣的應(yīng)用系統(tǒng)。
　　●   當(dāng)你要管理的成百臺(tái)設(shè)備沒有足夠的智能知道自己是網(wǎng)絡(luò)的一部分，使用方便性是必不可少的。

　　鑒于人工設(shè)備管理是一項(xiàng)勞動(dòng)密集型的工作，嵌入式網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍正隨著成本的降低而不斷擴(kuò)大。正如控制系統(tǒng)（例如照明控制系統(tǒng)）那樣，工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)是這一技術(shù)的基礎(chǔ)。新型應(yīng)用系統(tǒng)包括利用移動(dòng)端點(diǎn)跟蹤并監(jiān)視一個(gè)組件的供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)、利用傳感器從人體采集信號(hào)并將該信號(hào)發(fā)送給監(jiān)控站的遠(yuǎn)程健康監(jiān)控系統(tǒng)，以及使用傳感器快速地保護(hù)某個(gè)場(chǎng)所的安全系統(tǒng)。
　　許多公司正指望用無線技術(shù)將嵌入式設(shè)備連接起來，從而避免安裝電纜和電源線的高額費(fèi)用。諸如溫度傳感器等設(shè)備每分鐘可能只發(fā)送幾個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。對(duì)于這種設(shè)備來說，諸如 802.11、藍(lán)牙和 Zigbee 這些著名標(biāo)準(zhǔn)的成本太高，協(xié)議過于復(fù)雜，功耗也太大。你既不可能利用 X10 變焦技術(shù)可靠地監(jiān)控一個(gè)工廠，也不可能經(jīng)濟(jì)實(shí)惠地為一電燈配備 TCP/IP 協(xié)議棧。大量嵌入式網(wǎng)絡(luò)需要的是一條低成本的窄帶寬無線鏈路。
　　設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)用的無線網(wǎng)絡(luò)，需要了解涉及低成本連接的各種折衷方法。最主要的驅(qū)動(dòng)因素是電源，如果仍然必須為一個(gè)無線電裝置供電，則即使不采用數(shù)據(jù)電纜也節(jié)省不了很多錢。但是，你不希望用手動(dòng)收集數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)去換取手工更換電池的麻煩。為了獲得較長(zhǎng)的電池壽命——亦即連續(xù)使用幾年，你必須權(quán)衡帶寬、等待時(shí)間、距離、布局復(fù)雜性、安全性和通用性等多種因素。
　　基本原理
　　一個(gè)嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)有多個(gè)組成部分。端點(diǎn)是需要連接的實(shí)際設(shè)備。AP（接入點(diǎn)）或網(wǎng)關(guān)將多個(gè)端點(diǎn)連接在一起，而且常常橋接到一個(gè)有線網(wǎng)絡(luò)。轉(zhuǎn)發(fā)器或路由器將遙遠(yuǎn)的端點(diǎn)與有效范圍以外的 AP連接起來，并為網(wǎng)絡(luò)配置提供冗余路由。如果這些 AP 本身是無線的（考慮到在工廠地面鋪設(shè)數(shù)據(jù)電纜到各個(gè)點(diǎn)的成本），則可以采用一個(gè)第二層、帶寬更寬的網(wǎng)絡(luò)作為骨干網(wǎng)（圖 1）。也可以用無線或總線方式將數(shù)據(jù)在本地集中起來，然后再送到無線骨干網(wǎng)上。

圖1，一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)(a)使用 Ap（接入點(diǎn)）來把多個(gè)端點(diǎn)連接起來。每個(gè) AP 也有一個(gè)連接到有線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)。處于兩個(gè) AP 覆蓋范圍內(nèi)的端點(diǎn)必須只向一個(gè)AP注冊(cè)。在一個(gè)網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)(b) 中，每個(gè)端點(diǎn)可以作為一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，為距離遠(yuǎn)得無法連接網(wǎng)關(guān)的端點(diǎn)服務(wù)。網(wǎng)格都有冗余能力：來自端點(diǎn) 1 的數(shù)據(jù)可通過端點(diǎn) 2 到達(dá)網(wǎng)關(guān)，也可通過端點(diǎn) 3 和 4 到達(dá)網(wǎng)關(guān)。一種兩層方法(c)可通過使用諸如 802.11 這樣的帶寬較寬的技術(shù)作為與網(wǎng)關(guān)連接的干線，把多個(gè)接入點(diǎn)連接起來。

　　市場(chǎng)上有多種射頻裝置可供選用?？梢杂?1 美元的低價(jià)購買 Atmel 公司只發(fā)送的 RF裝置，或者花 2 美元購買有效范圍為 130 英尺、最大數(shù)據(jù)傳輸速率為 10kbps 的收發(fā)器。Cypress 公司的 WirelessUSB 具有 62.5～235 kbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率和 50 米的最大傳輸距離，售價(jià)為 2 美元?；ú坏?10 美元，你就可以買到 Xemics 公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)速率高達(dá) 152kbps、傳輸距離達(dá)到幾公里的插入式模塊， 或者 Millennial Net 公司生產(chǎn)的自配置 i-Bean 模塊，該模塊的傳輸距離為 100 米的 LOS（視距），數(shù)據(jù)速率為115kbps，而且功耗很低。還有帶寬更寬的射頻裝置，例如 Cirronet 公司的 WIT2410模塊，其數(shù)據(jù)速率為460.8 kbps，輸出功率有10mW 和100 mW 兩檔可供選擇，售價(jià)低于 200 美元。AP 的價(jià)格從遠(yuǎn)低于 100 美元至超過 1000 美元不等，視網(wǎng)絡(luò)的健全性和需要部署的功能而定。
　　鏈路可以是集成的 RF 芯片或完整的模塊。模塊一般具有比 RF 無線電裝置多得多的功能，例如 ADC、數(shù)字 I/O、PWM 發(fā)生器、存儲(chǔ)器或者附加的處理器。一開始你可能希望用模塊翻新現(xiàn)有設(shè)備。但模塊通常比自己制作的設(shè)備要昂貴，因?yàn)樗鼈儙в熊浖拖鄳?yīng)的 AP。要考慮有時(shí)候?yàn)楣?jié)省成本而集成模塊的難度：如果你無法用自動(dòng)裝配系統(tǒng)將模塊焊接到主板上，那就得在自己的裝配線上手工進(jìn)行勞動(dòng)量大的翻新。
　　不同端點(diǎn)具有不同的連接需求。周期性地監(jiān)控多臺(tái)設(shè)備可提供連貫的數(shù)據(jù)流。但是，在沒有爭(zhēng)用和干擾的情況下，10 臺(tái)以 5kbps 速率傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備就需要 50kbps 帶寬。為了防止出現(xiàn)爭(zhēng)用，AP 可以使用 TDMA 模式，以便有效地將帶寬分配給每個(gè)端點(diǎn)。這種方法對(duì)于可預(yù)測(cè)的信息傳輸很有用，但是對(duì)于突發(fā)傳輸則沒什么作用。雖然它們不需要傳輸補(bǔ)償和沖突機(jī)制，但是未用的時(shí)隙卻浪費(fèi)了帶寬。TDMA 對(duì)一個(gè) AP 能支持的端點(diǎn)數(shù)有嚴(yán)格的限制；當(dāng)增加更多端點(diǎn)時(shí)，特別是在支持移動(dòng)端點(diǎn)時(shí)，就會(huì)減小每臺(tái)設(shè)備的帶寬。如果打算達(dá)到帶寬的極限，則你就會(huì)希望有一種適當(dāng)?shù)?QoS（服務(wù)質(zhì)量）機(jī)制。舉例來說，在試圖使用信道之前，較低優(yōu)先級(jí)的設(shè)備可能要比較高優(yōu)先級(jí)的設(shè)備等待更長(zhǎng)的時(shí)間，從而對(duì)較高優(yōu)先級(jí)設(shè)備有利。
　　但是，連貫的傳輸使電池壽命縮短得最快。為了減少傳輸，你可以采用一種輪詢機(jī)制，亦即各端點(diǎn)只在AP 要求其傳輸時(shí)才傳輸數(shù)據(jù)。輪詢機(jī)制可減少端點(diǎn)爭(zhēng)用信道，從而提高帶寬使用率，但卻會(huì)增加兩次傳輸之間的等待時(shí)間，進(jìn)而限制響應(yīng)時(shí)間。輪詢還需要一種存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，亦即一個(gè)端點(diǎn)要存儲(chǔ)周期性的數(shù)據(jù)，直到它有機(jī)會(huì)發(fā)送為止。
　　存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制最適合于有可能短暫離開網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)端點(diǎn)；你可以在組件還在工廠里的時(shí)候?qū)λM(jìn)行跟蹤，保存運(yùn)輸過程中的溫度數(shù)據(jù)，并在組件到達(dá)目的地時(shí)恢復(fù)這些數(shù)據(jù)。網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常在有些端點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)其他端點(diǎn)的數(shù)據(jù)的場(chǎng)合使用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，或者在QOS 有效時(shí)緩存數(shù)據(jù)（見附文《網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)》）。
　　有一種事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制能使端點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自身的智能管理。舉例來說，當(dāng)其為高爾夫球場(chǎng)澆水時(shí)，你只需要知道濕度和溫度。這種機(jī)制只傳輸必需的信息，就可節(jié)約電能和帶寬。但是，它要求使用一種具有更多智能的端點(diǎn)。此外，你還需要一種“心跳”機(jī)制，務(wù)必使傳感器保持工作狀態(tài)。
　　如果網(wǎng)絡(luò)可以包含多種類型的端點(diǎn)，則一個(gè)能支持這些機(jī)制混合的協(xié)議就可以最有效地利用帶寬并節(jié)省電能。例如，你可以為事件驅(qū)動(dòng)的傳輸或者突發(fā)傳輸保留幾個(gè) TDMA 時(shí)隙，從而用同一個(gè) AP 同時(shí)支持輪詢端點(diǎn)和事件驅(qū)動(dòng)端點(diǎn)。