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

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

有了低成本無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，使網(wǎng)絡(luò )擴展到深層次嵌入式設備成為現實(shí)。

　　要點(diǎn)
　　●   低成本無(wú)線(xiàn)鏈路可以降低安裝和維護成本，并可提供移動(dòng)性。
　　●   電池壽命至關(guān)重要，最有效的節能方法是降低發(fā)送的頻率和距離。
　　●   混合發(fā)送機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用系統。
　　●   當你要管理的成百臺設備沒(méi)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。

　　鑒于人工設備管理是一項勞動(dòng)密集型的工作，嵌入式網(wǎng)絡(luò )的應用范圍正隨著(zhù)成本的降低而不斷擴大。正如控制系統（例如照明控制系統）那樣，工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò )是這一技術(shù)的基礎。新型應用系統包括利用移動(dòng)端點(diǎn)跟蹤并監視一個(gè)組件的供應鏈管理系統、利用傳感器從人體采集信號并將該信號發(fā)送給監控站的遠程健康監控系統，以及使用傳感器快速地保護某個(gè)場(chǎng)所的安全系統。
　　許多公司正指望用無(wú)線(xiàn)技術(shù)將嵌入式設備連接起來(lái)，從而避免安裝電纜和電源線(xiàn)的高額費用。諸如溫度傳感器等設備每分鐘可能只發(fā)送幾個(gè)字節的數據。對于這種設備來(lái)說(shuō)，諸如 802.11、藍牙和 Zigbee 這些著(zhù)名標準的成本太高，協(xié)議過(guò)于復雜，功耗也太大。你既不可能利用 X10 變焦技術(shù)可靠地監控一個(gè)工廠(chǎng)，也不可能經(jīng)濟實(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(wú)線(xiàn)鏈路。
　　設計一個(gè)實(shí)用的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，需要了解涉及低成本連接的各種折衷方法。最主要的驅動(dòng)因素是電源，如果仍然必須為一個(gè)無(wú)線(xiàn)電裝置供電，則即使不采用數據電纜也節省不了很多錢(qián)。但是，你不希望用手動(dòng)收集數據的負擔去換取手工更換電池的麻煩。為了獲得較長(cháng)的電池壽命——亦即連續使用幾年，你必須權衡帶寬、等待時(shí)間、距離、布局復雜性、安全性和通用性等多種因素。
　　基本原理
　　一個(gè)嵌入式無(wú)線(xiàn)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。轉發(fā)器或路由器將遙遠的端點(diǎn)與有效范圍以外的 AP連接起來(lái)，并為網(wǎng)絡(luò )配置提供冗余路由。如果這些 AP 本身是無(wú)線(xiàn)的（考慮到在工廠(chǎng)地面鋪設數據電纜到各個(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(wú)線(xiàn)或總線(xiàn)方式將數據在本地集中起來(lái)，然后再送到無(wú)線(xiàn)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(lái)把多個(gè)端點(diǎn)連接起來(lái)。每個(gè) AP 也有一個(gè)連接到有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)關(guān)。處于兩個(gè) AP 覆蓋范圍內的端點(diǎn)必須只向一個(gè)AP注冊。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)轉發(fā)器，為距離遠得無(wú)法連接網(wǎng)關(guān)的端點(diǎn)服務(wù)。網(wǎng)格都有冗余能力：來(lái)自端點(diǎn) 1 的數據可通過(guò)端點(diǎn) 2 到達網(wǎng)關(guān)，也可通過(guò)端點(diǎn) 3 和 4 到達網(wǎng)關(guān)。一種兩層方法(c)可通過(guò)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(xiàn)，把多個(gè)接入點(diǎn)連接起來(lái)。

　　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(mǎi) Atmel 公司只發(fā)送的 RF裝置，或者花 2 美元購買(mǎi)有效范圍為 130 英尺、最大數據傳輸速率為 10kbps 的收發(fā)器。Cypress 公司的 WirelessUSB 具有 62.5～235 kbps 的數據傳輸速率和 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(mǎi)到 Xemics 公司生產(chǎn)的數據速率高達 152kbps、傳輸距離達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），數據速率為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，其數據速率為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)格從遠低于 100 美元至超過(guò) 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(wú)線(xiàn)電裝置多得多的功能，例如 ADC、數字 I/O、PWM 發(fā)生器、存儲器或者附加的處理器。一開(kāi)始你可能希望用模塊翻新現有設備。但模塊通常比自己制作的設備要昂貴，因為它們帶有軟件和相應的 AP。要考慮有時(shí)候為節省成本而集成模塊的難度：如果你無(wú)法用自動(dòng)裝配系統將模塊焊接到主板上，那就得在自己的裝配線(xiàn)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。周期性地監控多臺設備可提供連貫的數據流。但是，在沒(méi)有爭用和干擾的情況下，10 臺以 5kbps 速率傳輸數據的設備就需要 50kbps 帶寬。為了防止出現爭用，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)。這種方法對于可預測的信息傳輸很有用，但是對于突發(fā)傳輸則沒(méi)什么作用。雖然它們不需要傳輸補償和沖突機制，但是未用的時(shí)隙卻浪費了帶寬。TDMA 對一個(gè) AP 能支持的端點(diǎn)數有嚴格的限制；當增加更多端點(diǎn)時(shí)，特別是在支持移動(dòng)端點(diǎn)時(shí)，就會(huì )減小每臺設備的帶寬。如果打算達到帶寬的極限，則你就會(huì )希望有一種適當的 QoS（服務(wù)質(zhì)量）機制。舉例來(lái)說(shuō)，在試圖使用信道之前，較低優(yōu)先級的設備可能要比較高優(yōu)先級的設備等待更長(cháng)的時(shí)間，從而對較高優(yōu)先級設備有利。
　　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(xún)機制，亦即各端點(diǎn)只在A(yíng)P 要求其傳輸時(shí)才傳輸數據。輪詢(xún)機制可減少端點(diǎn)爭用信道，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)而限制響應時(shí)間。輪詢(xún)還需要一種存儲轉發(fā)機制，亦即一個(gè)端點(diǎn)要存儲周期性的數據，直到它有機會(huì )發(fā)送為止。
　　存儲轉發(fā)機制最適合于有可能短暫離開(kāi)網(wǎng)絡(luò )的移動(dòng)端點(diǎn)；你可以在組件還在工廠(chǎng)里的時(shí)候對它進(jìn)行跟蹤，保存運輸過(guò)程中的溫度數據，并在組件到達目的地時(shí)恢復這些數據。網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )經(jīng)常在有些端點(diǎn)轉發(fā)其他端點(diǎn)的數據的場(chǎng)合使用存儲轉發(fā)機制，或者在QOS 有效時(shí)緩存數據（見(jiàn)附文《網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )》）。
　　有一種事件驅動(dòng)機制能使端點(diǎn)實(shí)現自身的智能管理。舉例來(lái)說(shuō)，當其為高爾夫球場(chǎng)澆水時(shí)，你只需要知道濕度和溫度。這種機制只傳輸必需的信息，就可節約電能和帶寬。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(lèi)型的端點(diǎn)，則一個(gè)能支持這些機制混合的協(xié)議就可以最有效地利用帶寬并節省電能。例如，你可以為事件驅動(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(xún)端點(diǎn)和事件驅動(dòng)端點(diǎn)。