標準化無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的選擇方案

任何傳感器或傳感器基系統的主要任務(wù)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。傳感器數據產(chǎn)生是相當容易做到和很好理解的，但從傳感器傳輸數據到監視或控制系統仍然是一個(gè)問(wèn)題，這是由安裝和維護通信網(wǎng)絡(luò )成本的復雜性所致。特別是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )缺乏業(yè)界標準，使傳感器集成過(guò)程變得復雜，限制了板基開(kāi)發(fā)。所以，在傳感器繼續變成智能化的同時(shí)，往往不能把數據傳輸到遠程系統。

大多數傳感器是硬線(xiàn)連接到監視和控制系統，這是由于缺乏合適可靠、又經(jīng)濟的無(wú)線(xiàn)解決方案。無(wú)線(xiàn)標準(包括Wi-Fi,Bluetooth,ZigBee)比有線(xiàn)系統增加了靈活性，并降低了集成專(zhuān)利無(wú)線(xiàn)通信的風(fēng)險。但是，很多對無(wú)線(xiàn)感興趣的公司仍然不清楚采有哪種技術(shù)。無(wú)線(xiàn)通信安裝容易和系統靈活已說(shuō)了很長(cháng)時(shí)間，但是所關(guān)心的成本和可靠性問(wèn)題仍然消除不了?，F在，每年采用Wi-Fi和Bluetooth的裝置有幾千萬(wàn)件，其成本大幅度下降。專(zhuān)門(mén)為遠程監視和控制設計的第一個(gè)無(wú)線(xiàn)標準ZigBee可顯著(zhù)地改善無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )
的有效范圍和可靠性。

選擇有線(xiàn)還是無(wú)線(xiàn)?

有線(xiàn)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò )適合于需要時(shí)間苛刻或任務(wù)苛刻的數據和閉環(huán)控制。但是，在已有裝置中建造自動(dòng)化工程的布線(xiàn)和安裝可能要花費高達80%的總系統成本。而且，一旦纜線(xiàn)安裝好，要重新布線(xiàn)，其成本和時(shí)間都要花費不少。

選擇專(zhuān)利還是標準化無(wú)線(xiàn)方案?

對于需要無(wú)線(xiàn)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來(lái)講，用戶(hù)可在專(zhuān)利和標準化方案之間選擇。由于專(zhuān)利系統通常為應用定制的，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，這種系統通常不比標準化更可靠，而且它們的專(zhuān)利性意味著(zhù)不可能實(shí)現單件大批量和集聚標準化系統的業(yè)內投入。

專(zhuān)利無(wú)線(xiàn)系統的主要缺點(diǎn)是它們的復雜性、依賴(lài)于單位供應商的風(fēng)險和相當高的成本。由于缺乏RF通信和傳感器基網(wǎng)絡(luò )的標準，導致市場(chǎng)分割，迫使用戶(hù)不是依靠單供應商就是雇用高專(zhuān)業(yè)化的工程師。由于迫使大多數公司重作無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )軟件方面的工作，所以，研究和發(fā)展資源被轉向為一個(gè)品種傳感器開(kāi)發(fā)可靠RF通信平臺的基本功能。隨著(zhù)在多種應用和多種行業(yè)中大量開(kāi)發(fā)標準化無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品，硅經(jīng)濟的“有效力的周期”(“virtuous cycle”)導致大批量驅使成本降低。

無(wú)線(xiàn)標準

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

無(wú)線(xiàn)寬域網(wǎng)

蜂窩或尋呼基無(wú)線(xiàn)通信是最廣泛采用標準化無(wú)線(xiàn)遙測技術(shù)格式的，所用技術(shù)包括CDPD、GPRS、CDMA/1XRTT和FLEX。衛星技術(shù)也用于遙測，特別用于遠程環(huán)境。

盡管這些技術(shù)可提供可靠的寬域通信，但應用通常限制在單個(gè)節點(diǎn)，如油田井架或大型商業(yè)空調裝置。無(wú)線(xiàn)寬域網(wǎng)的傳感器基應用很好適合于遠程設備監控和運輸貴重物件的跟蹤。

Wi-Fi

技術(shù)上稱(chēng)之為IEEE802.11的Wi-Fi技術(shù)近來(lái)市場(chǎng)上的成功使成本大幅度下降，這為用戶(hù)把此技術(shù)運用在產(chǎn)品設計中提供了機會(huì )?，F在Wi-Fi技術(shù)做為大多數新便攜產(chǎn)品的標準特性，它對高數據應用(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)。這種復雜性為用戶(hù)選擇標準化無(wú)線(xiàn)平臺增加了困難。

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

Bluetooth官方稱(chēng)之為802.15.1，它正在被市場(chǎng)接受，并且成功應用于2.4GHz頻段的一些傳感器網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗中。Bluetooth峰值吞吐量為720KBps，使其成為高數據應用中的可靠方案，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(chǎng)合。Bluetooth芯片組第3和第4代，主要針對蜂窩電話(huà)和PC外設，而結果是由于大批量導致價(jià)格顯著(zhù)下降。

Bluetooth
規定集成協(xié)議棧，包括PHY、MAC、網(wǎng)絡(luò )和應用層。它對語(yǔ)音和特定網(wǎng)絡(luò )的支持有助于為協(xié)議棧提供它的250KB系統開(kāi)銷(xiāo)，它增加了系統成本和集成復雜性。另外Bluetooth的每“Piconet(微微網(wǎng))7個(gè)節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )限制，限制了它在大型傳感器網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)中的應用。Bluetooth應該在傳感器應用中工作得很好，這包括病人監護和虛擬定向設備監視，它們都需要數據和視頻。

ZigBee和IEEE802.15.4

基于IEEE802.15.4的ZigBee是一種低功率、低數據率無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準，它是專(zhuān)為遠程監視和控制應用而設計的。去年5月批準的IEEE805.15.4 是一種簡(jiǎn)單而又強大的分組數據協(xié)議，此協(xié)議通過(guò)確認、誤差檢查、優(yōu)先通信、直接時(shí)序擴頻、避免干擾的變頻能力以及用戶(hù)選擇安全來(lái)提供高可靠性。IEEE802.15.4規定PHY和MAC層并定義3個(gè)無(wú)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(hù)提供一個(gè)選擇的頻率。每個(gè)節點(diǎn)傳輸30~100米范圍是可能的，通過(guò)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(zhuān)利網(wǎng)絡(luò )配置。

ZigBee規定IEEE802.15.4 PHY 和MAC層頂上的網(wǎng)絡(luò )、安全和應用層并支持星、網(wǎng)絡(luò )和簇樹(shù)網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。在IEEE802.15.4標準支持每個(gè)物理網(wǎng)絡(luò )255個(gè)節點(diǎn)時(shí)，ZigBee的64位網(wǎng)絡(luò )地址支持擴展每個(gè)物理網(wǎng)絡(luò )多達65000個(gè)節點(diǎn)以上。ZigBee工作良好的傳感器基應用包括照明和HVAC(加熱通風(fēng)空調)控制系統、AMR和分表、工業(yè)數據采集和電池供電安全監控。

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )拓撲結構

用戶(hù)除選擇一個(gè)專(zhuān)門(mén)的無(wú)線(xiàn)技術(shù)外，也需要確定最適合于應用的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。這是網(wǎng)絡(luò )的邏輯形式，而且它決定網(wǎng)絡(luò )中不同的節點(diǎn)如何彼此連接和它們如何通信。網(wǎng)絡(luò )拓撲結構包括星、網(wǎng)絡(luò )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(jiǎn)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(wú)線(xiàn)節點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò )協(xié)調和網(wǎng)關(guān)上。當物理干擾或強RF干擾單元通信時(shí)，通常的規定是去除受影響的節點(diǎn)。一旦采納這些受影響的節點(diǎn)，對大多數傳感器網(wǎng)絡(luò )應用來(lái)講這是不能接受的。

網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )用一種分散、多跳躍結構，在這種結構中每個(gè)節點(diǎn)是與最接近的節點(diǎn)直接通信。這使得靠從一個(gè)節點(diǎn)到另一個(gè)節點(diǎn)的中繼可提供一個(gè)擴展的搜索區域。如果由于任一種原因(包括強RF干擾)使一個(gè)單節點(diǎn)失效，則信息可以自動(dòng)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)節點(diǎn)間的被測信號強度和節點(diǎn)間傳輸信息所需的跳躍累積數確定。

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(zhuān)門(mén)節點(diǎn)之間網(wǎng)絡(luò )路由總是維持。這可加速數據傳輸，但對大型網(wǎng)絡(luò )的管理可能變復雜。用反應路由，需要發(fā)現和更新網(wǎng)絡(luò )路由，這基于網(wǎng)絡(luò )現在的條件和源節點(diǎn)生成數據的要求。反應路由靠路由表的最小復雜化可簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)，但可能導致信息等待時(shí)間，這對于近似的實(shí)時(shí)應用來(lái)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 )拓撲可為設備監視和控制提供所需的工業(yè)高可靠性。

混合簇樹(shù)配置組合網(wǎng)格和星拓撲結構對于低數據率應用(在節點(diǎn)上需要長(cháng)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撲結構到每層或每個(gè)家庭中電源供電的無(wú)線(xiàn)裝置，然后再連接成網(wǎng)格拓撲結構。

結語(yǔ)

為專(zhuān)門(mén)應用選擇最適合的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)是一個(gè)復雜的任務(wù)，一種技術(shù)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(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據，用戶(hù)不再受限于布線(xiàn)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(hù)不再局限于專(zhuān)利無(wú)線(xiàn)方案。