標準化無線網絡選擇方案

2004年5月A版

　　任何傳感器或傳感器基系統的主要任務是采集信息，包括溫度、流量、機器正常狀態或其他測量參量。傳感器數據產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問題，這是由安裝和維護通信網絡成本的復雜性所致。特別是無線網絡缺乏業界標準，使傳感器集成過程變得復雜，限制了板基開發。所以，在傳感器繼續變成智能化的同時，往往不能把數據傳輸到遠程系統。

　　大多數傳感器是硬線連接到監視和控制系統，這是由于缺乏合適可靠、又經濟的無線解決方案。無線標準(包括Wi-Fi,Bluetooth,ZigBee)比有線系統增加了靈活性，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。專門為遠程監視和控制設計的第一個無線標準ZigBee可顯著地改善無線網絡的有效范圍和可靠性。

選擇有線還是無線?

　　有線通信協議，如ModBus、LonTalk或DeviceNet把傳感器集成到目標環境中能良好地工作，并能提供高水平的可靠性和安全性。有線網絡適合于需要時間苛刻或任務苛刻的數據和閉環控制。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?

　　對于需要無線網絡靈活性和能夠允許新型信息潛在因素的傳感器基系統來講，用戶可在專利和標準化方案之間選擇。由于專利系統通常為應用定制的，所以，它們的優越性是在傳輸距離、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，而且它們的專利性意味著不可能實現單件大批量和集聚標準化系統的業內投入。

　　專利無線系統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化的工程師。由于迫使大多數公司重作無線電網絡軟件方面的工作，所以，研究和發展資源被轉向為一個品種傳感器開發可靠RF通信平臺的基本功能。隨著在多種應用和多種行業中大量開發標準化無線產品，硅經濟的“有效力的周期”(“virtuous cycle”)導致大批量驅使成本降低。

無線標準

　　一旦公司決定集成標準化無線通信到其產品中，仍然需要選擇最合適的無線技術。現在，用戶可從下列幾種無線選擇方案中進行選擇：GPRS，Wi-Fi，Bluetooth，ZigBee(見表1和表2 )。

無線寬域網

　　蜂窩或尋呼基無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。衛星技術也用于遙測，特別用于遠程環境。

　　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點，如油田井架或大型商業空調裝置。無線寬域網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品設計中提供了機會。現在Wi-Fi技術做為大多數新便攜產品的標準特性，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規定協議的物理(PHY)層和媒體接入控制(MAC)層并依賴TCP/IP做為網絡層。其優異帶寬得到功耗大的代價，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以及不需要大型網絡支持的供電系統。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絡實驗中。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規定集成協議棧，包括PHY、MAC、網絡和應用層。它對語音和特定網絡的支持有助于為協議棧提供它的250KB系統開銷，它增加了系統成本和集成復雜性。另外Bluetooth的每“Piconet"(微微網)7個節點的網絡限制，限制了它在大型傳感器網絡開發中的應用。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、低數據率無線網絡標準，它是專為遠程監視和控制應用而設計的。去年5月批準的IEEE805.15.4 是一種簡單而又強大的分組數據協議，此協議通過確認、誤差檢查、優先通信、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形可擴大傳輸距離。也可以利用IEEE802.15.4硬件頂端的專利網絡配置。

　　ZigBee規定IEEE802.15.4 PHY 和MAC層頂上的網絡、安全和應用層并支持星、網絡和簇樹網絡拓撲結構。在IEEE802.15.4標準支持每個物理網絡255個節點時，ZigBee的64位網絡地址支持擴展每個物理網絡多達65000個節點以上。ZigBee工作良好的傳感器基應用包括照明和HVAC(加熱通風空調)控制系統、AMR和分表、工業數據采集和電池供電安全監控。

無線網絡拓撲結構

　　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絡拓撲結構。這是網絡的邏輯形式，而且它決定網絡中不同的節點如何彼此連接和它們如何通信。網絡拓撲結構包括星、網絡和橋結構。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，所有無線節點連接到網絡協調和網關上。當物理干擾或強RF干擾單元通信時，通常的規定是去除受影響的節點。一旦采納這些受影響的節點，對大多數傳感器網絡應用來講這是不能接受的。

　　網格網絡用一種分散、多跳躍結構，在這種結構中每個節點是與最接近的節點直接通信。這使得靠從一個節點到另一個節點的中繼可提供一個擴展的搜索區域。如果由于任一種原因(包括強RF干擾)使一個單節點失效，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點間的被測信號強度和節點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，其專門節點之間網絡路由總是維持。這可加速數據傳輸，但對大型網絡的管理可能變復雜。用反應路由，需要發現和更新網絡路由，這基于網絡現在的條件和源節點生成數據的要求。反應路由靠路由表的最小復雜化可簡化網絡開發，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。一個典型的網格網絡跳躍需50ms時間。網絡拓撲可為設備監視和控制提供所需的工業高可靠性。

　　混合簇樹配置組合網格和星拓撲結構對于低數據率應用(在節點上需要長電池壽命和網絡高可靠性)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，然后再連接成網格拓撲結構。

結語

　　為專門應用選擇最適合的網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絡技術，通常就能容易地確定最適合的網絡方案(表2)，在此情況下，可采用混合方法，用低功率、短距離干網(ZigBee)為GPRS/GSM或Wi-Fi網絡寬域通信聚集傳感器數據，用戶不再受限于布線安裝，而且用經濟和可靠的基于全球標準的產品使用戶不再局限于專利無線方案。■(益林)