激發(fā)低功耗無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的“大數據”潛能

　　據預測，到2020年將有大約500億個(gè)采用無(wú)線(xiàn)通信方式的裝置。據來(lái)自GSM聯(lián)盟的數據，其中移動(dòng)手持和個(gè)人計算機僅占1/4，其余的是采用非用戶(hù)交互方式與其他機器通信的自主互連裝置。當前我們的互聯(lián)網(wǎng)正在快速發(fā)展成為無(wú)線(xiàn)裝置互連的萬(wàn)維網(wǎng) - 物聯(lián)網(wǎng)(IoT)。

　　無(wú)線(xiàn)連接裝置的可選方式有很多，最流行的包括Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee和基于sub-GHz技術(shù)的解決方案。每種解決方案都有優(yōu)缺點(diǎn)，在這個(gè)互連的世界里，以上無(wú)線(xiàn)技術(shù)將會(huì )共存(如圖1所示)。然而，物聯(lián)網(wǎng)的重要驅動(dòng)力之一是低功耗無(wú)線(xiàn)傳感器的出現，從智能電表到傳輸系統、從安全系統到樓宇自動(dòng)化，傳感器越來(lái)越廣泛的用于各類(lèi)應用中。對于無(wú)線(xiàn)傳感器來(lái)說(shuō)，可擴展性、范圍、休眠電流和可靠性等屬性至關(guān)重要。雖然某些終端節點(diǎn)所需數據傳輸速率相對較低，但是大規模網(wǎng)絡(luò )中的實(shí)時(shí)報告匯聚意味著(zhù)“大數據(big data)”。

　　圖1 物聯(lián)網(wǎng)中多種無(wú)線(xiàn)技術(shù)共存

　　為了更好的服務(wù)最終用戶(hù)，公共事業(yè)公司和市政局開(kāi)始擴展智能計量系統，以解決實(shí)時(shí)數據不斷增長(cháng)的問(wèn)題。公共事業(yè)公司通過(guò)智能電表，能夠更頻繁和更有效的查看客戶(hù)的能源消耗信息，同時(shí)也能快速識別、隔離，以及解決電力失效等問(wèn)題。消費者也能通過(guò)互連來(lái)獲取相關(guān)信息。室內網(wǎng)絡(luò )設備均能實(shí)時(shí)報告其狀態(tài)和能耗，并且還能響應公共事業(yè)公司發(fā)出的信息。采用智能能源和智能家居系統，消費者將更加方便和高效，例如，在電費最低的時(shí)候控制激活洗碗機，或是適時(shí)提醒用戶(hù)需要添加洗滌劑。

　　同樣的，在鐵路運輸網(wǎng)絡(luò )中，無(wú)線(xiàn)傳感器能可用于遠程監視廣闊的軌道網(wǎng)絡(luò )，技術(shù)人員能提前識別維護需求，以降低人工軌道巡視的成本和遲延。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的核心需求

　　可擴展性對于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )環(huán)境至關(guān)重要。某些傳感器僅每秒進(jìn)行一次狀態(tài)更新，并且每次僅傳輸幾個(gè)字節信息，但單個(gè)建筑物可能有數萬(wàn)個(gè)節點(diǎn)。舉個(gè)例子，美國拉斯維加斯的Aria酒店，部署7萬(wàn)多個(gè)采用ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )通信的節點(diǎn)，以便控制照明、空調和建筑物周?chē)脑S多其他服務(wù)。在多數應用中，傳感器需要安裝在無(wú)法連接主電源或只能電池供電的位置。因此，可靠的網(wǎng)絡(luò )架構要求有能力處理大量匯聚的數據，但傳感器節點(diǎn)自身必須低功耗。

　　可靠性、可擴展性和電源效率的組合，明確界定無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)能夠采用的通信技術(shù)需求。系統集成商不僅要考慮所選拓撲結構和無(wú)線(xiàn)協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)，也要考慮無(wú)線(xiàn)技術(shù)本身固有的物理屬性?；炷翂投鄰剿ヂ鋵τ谌魏螣o(wú)線(xiàn)系統來(lái)說(shuō)都是不利的，但也有辦法減輕影響。為了解決這個(gè)問(wèn)題，不同國家有不同的法規來(lái)管理無(wú)線(xiàn)電頻譜和可用的頻率范圍。

　　其中2.4GHz已成為無(wú)需授權的全球頻段，因此無(wú)線(xiàn)系統的設計能夠服務(wù)于全球所有主要市場(chǎng)。例如Wi-Fi是基于2.4GHz頻段的通信技術(shù)，其擅長(cháng)在兩節點(diǎn)之間快速傳輸大量數據，但同時(shí)消耗能量高，并且在星型配置中，每個(gè)AP限制在不超過(guò)15-32個(gè)客戶(hù)端。Bluetooth是另一種2.4GHz技術(shù)，其針對便攜式設備，主要作為點(diǎn)對點(diǎn)的解決方案，僅支持幾個(gè)節點(diǎn)。ZigBee與Bluetooth和Wi-Fi共享相同的無(wú)線(xiàn)頻譜，但僅用于滿(mǎn)足低功耗無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的特殊需求。表1匯總目前的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)核心特性和能力。

　　表1 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和標準的比較

　　ZigBee：無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)化解決方案

　　ZigBee基于全球標準，是一個(gè)開(kāi)放的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。與傳統的網(wǎng)絡(luò )架構不同，例如星型和點(diǎn)對點(diǎn)，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )采用最低成本節點(diǎn)為建筑物內的所有位置提供可靠覆蓋(參見(jiàn)圖2中網(wǎng)絡(luò )拓撲結構選項對比)。ZigBee采用動(dòng)態(tài)、自主的路由協(xié)議，基于A(yíng)ODV(Ad Hoc On-demand Distance Vector)的路由技術(shù)。在A(yíng)ODV中，當一個(gè)節點(diǎn)需要連接時(shí)，他將廣播一條路由請求報文，其他節點(diǎn)在路由表中查找，如果有到達目標節點(diǎn)的路由，則向源節點(diǎn)反饋，源節點(diǎn)挑選一條可靠、跳數最小的路線(xiàn)，并存儲信息到本地路由表以便用于未來(lái)所需，如果一條路由線(xiàn)路失敗，節點(diǎn)能夠簡(jiǎn)單的選擇另一條替代路由線(xiàn)路。如果源和目的地之間的最短線(xiàn)路由于墻壁或多徑干擾而被阻塞，ZigBee能夠自適應的找到一條更長(cháng)但可用的路由線(xiàn)路。

　　圖2 - 網(wǎng)絡(luò )拓撲結構比較

　　例如，基于Silicon Labs EM35x Ember ZigBee SoC和EmberZNet PRO協(xié)議棧的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，可提供自配置和自修復的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )連通性，能夠擴展連接單一網(wǎng)絡(luò )中的數百或數千節點(diǎn)。“ZigBee認證產(chǎn)品”的快速開(kāi)發(fā)得益于Ember AppBuilder，其隱藏協(xié)議棧細節，聚焦ZAP(ZigBee Application Profiles)實(shí)現的開(kāi)發(fā)工具。通過(guò)圖形化界面，開(kāi)發(fā)人員能夠快速選擇應用所需的屬性，然后由AppBuilder自動(dòng)生成所需代碼。

　　為發(fā)揮ZigBee網(wǎng)絡(luò )靈活性的最大優(yōu)勢，需要高效的調試工具。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的復雜性使傳統網(wǎng)絡(luò )分析工具(例如Packet sniffer)使用起來(lái)更加困難。事實(shí)上，由于包可能穿越多跳到達目的地，許多中間傳輸超出分析儀的應用范圍。對于這個(gè)問(wèn)題，目前唯一的解決方案是采用Silicon Labs桌面網(wǎng)絡(luò )分析儀(Desktop Network Analyzer)，此款分析工具功能強大，能夠在圖形化界面內展示網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)包收發(fā)的全貌，并且內置協(xié)議分析和可視化跟蹤引擎，開(kāi)發(fā)人員可以協(xié)調網(wǎng)絡(luò )通信和裝置的任務(wù)。

　　在某些情況下，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )并不是合適的選擇，因為節點(diǎn)密度太低，因此無(wú)法提供有效的故障轉移支持。例如，公路或鐵路網(wǎng)絡(luò )拓撲結構需要沿著(zhù)狹長(cháng)路徑寬間距部署節點(diǎn)。同樣，校園的外部設施對于采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)過(guò)于稀疏。在這些環(huán)境中，星型拓撲結構結合可跨越更遠距離，因而更可靠，更合適。

　　Sub-GHz：長(cháng)距離和低功耗通信的理想選擇

　　無(wú)線(xiàn)傳播與頻率成反比，在低功耗、長(cháng)距離通信或穿墻能力上，sub-GHz射頻更有優(yōu)勢。對于許多應用，433MHz成為2.4GHz的全球替代品(但日本不允許其用于無(wú)線(xiàn)應用)?；?68MHz和915MHz的設計可用于美國和歐洲市場(chǎng)。有許多可用的無(wú)需授權或需要授權的頻段，對于系統集成商來(lái)說(shuō)，既可選擇在某些特定區域進(jìn)行性能優(yōu)化，或者配合公共事業(yè)公司在廣闊區域設計系統。在這種多樣化中，與2.4GHz頻段相比，sub-GHz頻段頻譜干擾更少。干擾較少的頻段能提高網(wǎng)絡(luò )的整體性能，減少傳輸中的重傳次數。

　　第三方和基于標準的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議?？捎糜趕ub-GHz射頻，但許多廠(chǎng)商仍選擇專(zhuān)用解決方案來(lái)針對其特定需求。許多無(wú)線(xiàn)協(xié)議面臨著(zhù)一個(gè)問(wèn)題，接口要不斷激活 “監聽(tīng)”網(wǎng)絡(luò )中通信。數據發(fā)射比數據接收消耗更多的能量，但是發(fā)射是短暫的，并且有長(cháng)時(shí)間間隔，因此長(cháng)期平均能耗通常更低。在許多無(wú)線(xiàn)協(xié)議中，接收器不知道消息何時(shí)到來(lái)。因此不得不保持監聽(tīng)以便不丟失任何數據，因此即使沒(méi)有消息，接收器也不能完全關(guān)閉能耗。這種情形將限制節點(diǎn)的電池自主權，需要對電池定期更換或充電。

　　Sub-GHz收發(fā)器，例如Silicon Labs Si446x EZRadioPRO IC，支持從119MHz-1050MHz的頻率范圍，最大146dB的鏈路預算，以及休眠模式下僅需50nA電流消耗。為了減輕多徑衰落的影響，EZRadioPRO芯片支持雙天線(xiàn)，并在芯片內集成天線(xiàn)分集邏輯算法。通過(guò)采用跳頻和時(shí)鐘同步技術(shù)相結合的方法，系統集成商能夠在協(xié)調器和終節點(diǎn)之間實(shí)現跨越數公里的sub-GHz網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)終節點(diǎn)采用單電池可運行十年以上。由此系統集成商能夠采用少量協(xié)調器即能可靠覆蓋特定區域，并且把終節點(diǎn)放置在主電源無(wú)法連接的地方。

　　無(wú)線(xiàn)共存和云

　　在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )世界中，沒(méi)有一種“萬(wàn)能”的解決方案。在大規模、低功耗網(wǎng)絡(luò )中，不能僅選擇無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的某一種形式。Sub-GHz和ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以很好的共存，因為他們采用不同的無(wú)線(xiàn)電頻譜，并且具有獨特的屬性。例如，在校園中，2.4GHz ZigBee適用于室內自動(dòng)化系統，而sub-GHz用于戶(hù)外燈控?？煽坑行У氖占瘮祿芰Ξ斎皇亲钪匾?，但是為了真正激發(fā)網(wǎng)絡(luò )潛能，實(shí)現所有實(shí)時(shí)信息的數據分析、可視化，以及對移動(dòng)服務(wù)的訪(fǎng)問(wèn)，則需要連接到云。

　　大規模網(wǎng)絡(luò )通常利用回程系統，把每個(gè)子網(wǎng)中收集的信息轉換成當前大多數世界信息的中間媒介 - 互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)。在每個(gè)收集點(diǎn)，把接收到的數據轉換成適合在標準IP幀中傳輸的格式。大多數情況下，使用在傳感器網(wǎng)絡(luò )中的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議頭將剝離并進(jìn)行包分析。然后，回程系統能夠把含有源和目的信息的原始數據裝配成IP包，而無(wú)需維護傳感器網(wǎng)絡(luò )的系統開(kāi)銷(xiāo)。接下來(lái)，IP包采用與其他互聯(lián)網(wǎng)數據包一樣的方式進(jìn)行路由，從而服務(wù)提供商可通過(guò)云的服務(wù)，來(lái)分析和可視化信息，并且消費者也可以通過(guò)平板電腦、筆記本或手機來(lái)管理和操作數據。

　　這是令人激動(dòng)的時(shí)代!無(wú)線(xiàn)技術(shù)和低功耗操作的發(fā)展帶給我們諸多便捷，我們可以測量、監視和控制我們的環(huán)境，而以前是無(wú)法想象的?，F實(shí)中無(wú)線(xiàn)技術(shù)的使用多種多樣，污水管理和森林火災探測一類(lèi)的應用可能仍然處于起步階段，而智能電表、安全和樓宇自動(dòng)化等應用已經(jīng)為商家和消費者帶來(lái)效率和便利性。由于不同的技術(shù)各有優(yōu)勢，ZigBee協(xié)議和sub-GHz RF系統為實(shí)現高可擴展和可靠性的低功耗無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )提供理想的解決方案。發(fā)展正在加速，而我們看到的物聯(lián)網(wǎng)才剛剛開(kāi)始。