標準化無線網(wǎng)絡的選擇方案

任何傳感器或傳感器基系統(tǒng)的主要任務是采集信息，包括溫度、流量、機器正常狀態(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)仍然是一個問題，這是由安裝和維護通信網(wǎng)絡成本的復雜性所致。特別是無線網(wǎng)絡缺乏業(yè)界標準，使傳感器集成過程變得復雜，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，往往不能把數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h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)濟的無線解決方案。無線標準(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險。但是，很多對無線感興趣的公司仍然不清楚采有哪種技術。無線通信安裝容易和系統(tǒng)靈活已說了很長時間，但是所關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。專門為遠程監(jiān)視和控制設計的第一個無線標準ZigBee可顯著地改善無線網(wǎng)絡 
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)絡適合于需要時間苛刻或任務苛刻的數(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高達80%的總系統(tǒng)成本。而且，一旦纜線安裝好，要重新布線，其成本和時間都要花費不少。

       選擇專利還是標準化無線方案?

       對于需要無線網(wǎng)絡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，用戶可在專利和標準化方案之間選擇。由于專利系統(tǒng)通常為應用定制的，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)通常不比標準化更可靠，而且它們的專利性意味著不可能實現(xiàn)單件大批量和集聚標準化系統(tǒng)的業(yè)內(nèi)投入。

       專利無線系統(tǒng)的主要缺點是它們的復雜性、依賴于單位供應商的風險和相當高的成本。由于缺乏RF通信和傳感器基網(wǎng)絡的標準，導致市場分割，迫使用戶不是依靠單供應商就是雇用高專業(yè)化的工程師。由于迫使大多數(shù)公司重作無線電網(wǎng)絡軟件方面的工作，所以，研究和發(fā)展資源被轉向為一個品種傳感器開發(fā)可靠RF通信平臺的基本功能。隨著在多種應用和多種行業(yè)中大量開發(fā)標準化無線產(chǎn)品，硅經(jīng)濟的“有效力的周期”(“virtuous cycle”)導致大批量驅(qū)使成本降低。

       無線標準

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

       無線寬域網(wǎng)

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

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

       Wi-Fi

       技術上稱之為IEEE802.11的Wi-Fi技術近來市場上的成功使成本大幅度下降，這為用戶把此技術運用在產(chǎn)品設計中提供了機會?，F(xiàn)在Wi-Fi技術做為大多數(shù)新便攜產(chǎn)品的標準特性，它對高數(shù)據(jù)應用(如大文件傳輸，email,web接入)是最佳的。IEEE802.11流行幾個版本，包括“a”(在5.8GHz為54MBps)、“b”(在2.4GHz為11MBps)和“g”(在2.4GHz為22MBps)。這種復雜性為用戶選擇標準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)絡層。其優(yōu)異帶寬得到功耗大的代價，大多數(shù)便攜Wi-Fi裝置希望能常規(guī)重新充電。Wi-Fi 應用于膝上型計算機或PDA以及不需要大型網(wǎng)絡支持的供電系統(tǒng)。Wi-Fi的傳感器基應用包括供電、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，并且成功應用于2.4GHz頻段的一些傳感器網(wǎng)絡實驗中。Bluetooth峰值吞吐量為720KBps，使其成為高數(shù)據(jù)應用中的可靠方案，特別適合大型網(wǎng)絡、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，而結果是由于大批量導致價格顯著下降。

       Bluetooth 
規(guī)定集成協(xié)議棧，包括PHY、MAC、網(wǎng)絡和應用層。它對語音和特定網(wǎng)絡的支持有助于為協(xié)議棧提供它的250KB系統(tǒng)開銷，它增加了系統(tǒng)成本和集成復雜性。另外Bluetooth的每“Piconet"(微微網(wǎng))7個節(jié)點的網(wǎng)絡限制，限制了它在大型傳感器網(wǎng)絡開發(fā)中的應用。Bluetooth應該在傳感器應用中工作得很好，這包括病人監(jiān)護和虛擬定向設備監(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)絡標準，它是專為遠程監(jiān)視和控制應用而設計的。去年5月批準的IEEE805.15.4 是一種簡單而又強大的分組數(shù)據(jù)協(xié)議，此協(xié)議通過確認、誤差檢查、優(yōu)先通信、直接時序擴頻、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個無許可證頻段(2.4GHz，915MHz，868MHz)。若2.4GHz頻段對特殊應用不是最佳的，它為用戶提供一個選擇的頻率。每個節(jié)點傳輸30~100米范圍是可能的，通過采用功率放大器和多跳躍網(wǎng)形可擴大傳輸距離。也可以利用IEEE802.15.4硬件頂端的專利網(wǎng)絡配置。

       ZigBee規(guī)定IEEE802.15.4 PHY 和MAC層頂上的網(wǎng)絡、安全和應用層并支持星、網(wǎng)絡和簇樹網(wǎng)絡拓撲結構。在IEEE802.15.4標準支持每個物理網(wǎng)絡255個節(jié)點時，ZigBee的64位網(wǎng)絡地址支持擴展每個物理網(wǎng)絡多達65000個節(jié)點以上。ZigBee工作良好的傳感器基應用包括照明和HVAC(加熱通風空調(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)絡拓撲結構

       用戶除選擇一個專門的無線技術外，也需要確定最適合于應用的網(wǎng)絡拓撲結構。這是網(wǎng)絡的邏輯形式，而且它決定網(wǎng)絡中不同的節(jié)點如何彼此連接和它們?nèi)绾瓮ㄐ拧＞W(wǎng)絡拓撲結構包括星、網(wǎng)絡和橋結構。對于不同的應用，每種結構都有自身的強項。對于相當簡單或低功率應用，星拓撲結構工作得很好。在星拓撲結構中，所有無線節(jié)點連接到網(wǎng)絡協(xié)調(diào)和網(wǎng)關上。當物理干擾或強RF干擾單元通信時，通常的規(guī)定是去除受影響的節(jié)點。一旦采納這些受影響的節(jié)點，對大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡應用來講這是不能接受的。

       網(wǎng)格網(wǎng)絡用一種分散、多跳躍結構，在這種結構中每個節(jié)點是與最接近的節(jié)點直接通信。這使得靠從一個節(jié)點到另一個節(jié)點的中繼可提供一個擴展的搜索區(qū)域。如果由于任一種原因(包括強RF干擾)使一個單節(jié)點失效，則信息可以自動地沿一條或更多的另外通路進行通信。最佳的路由選擇通常由任何兩個節(jié)點間的被測信號強度和節(jié)點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或反應性的，這取決于應用要求。用前激勵路由，其專門節(jié)點之間網(wǎng)絡路由總是維持。這可加速數(shù)據(jù)傳輸，但對大型網(wǎng)絡的管理可能變復雜。用反應路由，需要發(fā)現(xiàn)和更新網(wǎng)絡路由，這基于網(wǎng)絡現(xiàn)在的條件和源節(jié)點生成數(shù)據(jù)的要求。反應路由靠路由表的最小復雜化可簡化網(wǎng)絡開發(fā)，但可能導致信息等待時間，這對于近似的實時應用來講是不實用的。一個典型的網(wǎng)格網(wǎng)絡跳躍需50ms時間。網(wǎng)絡拓撲可為設備監(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)格和星拓撲結構對于低數(shù)據(jù)率應用(在節(jié)點上需要長電池壽命和網(wǎng)絡高可靠性)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撲結構到每層或每個家庭中電源供電的無線裝置，然后再連接成網(wǎng)格拓撲結構。

       結語

       為專門應用選擇最適合的網(wǎng)絡技術是一個復雜的任務，一種技術不能適合所有的應用。然而，一旦清楚地確定了應用的通信要求和了解可選擇的各種網(wǎng)絡技術，通常就能容易地確定最適合的網(wǎng)絡方案(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)濟和可靠的基于全球標準的產(chǎn)品使用戶不再局限于專利無線方案。