為了更好的服務(wù)最終用戶,，公共事業(yè)公司和市政局開(kāi)始擴(kuò)展智能計(jì)量系統(tǒng),，以解決實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不斷增長(zhǎng)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的能源消耗信息,，同時(shí)也能快速識(shí)別、隔離,，以及解決電力失效等問(wèn)題,。消費(fèi)者也能通過(guò)互連來(lái)獲取相關(guān)信息。室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均能實(shí)時(shí)報(bào)告其狀態(tài)和能耗,，并且還能響應(yīng)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(tǒng)，消費(fèi)者將更加方便和高效,，例如,，在電費(fèi)最低的時(shí)候控制激活洗碗機(jī)，或是適時(shí)提醒用戶需要添加洗滌劑,。

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

 

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心需求

 

可擴(kuò)展性對(duì)于無(wú)線傳感器網(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(jié)信息,，但單個(gè)建筑物可能有數(shù)萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。舉個(gè)例子,，美國(guó)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(jié)點(diǎn),，以便控制照明,、空調(diào)和建筑物周圍的許多其他服務(wù)。在多數(shù)應(yīng)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(gòu)要求有能力處理大量匯聚的數(shù)據(jù),，但傳感器節(jié)點(diǎn)自身必須低功耗,。

可靠性、可擴(kuò)展性和電源效率的組合,，明確界定無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)能夠采用的通信技術(shù)需求,。系統(tǒng)集成商不僅要考慮所選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和無(wú)線協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)，也要考慮無(wú)線技術(shù)本身固有的物理屬性,?；炷翂投鄰剿ヂ鋵?duì)于任何無(wú)線系統(tǒng)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(guó)家有不同的法規(guī)來(lái)管理無(wú)線電頻譜和可用的頻率范圍。

其中2.4GHz已成為無(wú)需授權(quán)的全球頻段,，因此無(wú)線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(zhǎng)在兩節(jié)點(diǎn)之間快速傳輸大量數(shù)據(jù),，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)客戶端,。Bluetooth是另一種2.4GHz技術(shù),，其針對(duì)便攜式設(shè)備，主要作為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的解決方案,，僅支持幾個(gè)節(jié)點(diǎn),。ZigBee與Bluetooth和Wi-Fi共享相同的無(wú)線頻譜，但僅用于滿足低功耗無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的特殊需求,。表1匯總目前的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)核心特性和能力,。

 

 表1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的比較

 

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

 

ZigBee基于全球標(biāo)準(zhǔn),，是一個(gè)開(kāi)放的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不同,，例如星型和點(diǎn)對(duì)點(diǎn),，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)采用最低成本節(jié)點(diǎn)為建筑物內(nèi)的所有位置提供可靠覆蓋 (參見(jiàn)圖2中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選項(xiàng)對(duì)比)。ZigBee采用動(dòng)態(tài),、自主的路由協(xié)議,，基于AODV(AdHocOn-demandDistanceVector)的路由技術(shù)。在AODV中,，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要連接時(shí),，他將廣播一條路由請(qǐng)求報(bào)文，其他節(jié)點(diǎn)在路由表中查找,，如果有到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由,，則向源節(jié)點(diǎn)反饋，源節(jié)點(diǎn)挑選一條可靠,、跳數(shù)最小的路線,，并存儲(chǔ)信息到本地路由表以便用于未來(lái)所需，如果一條路由線路失敗,，節(jié)點(diǎn)能夠簡(jiǎn)單的選擇另一條替代路由線路,。如果源和目的地之間的最短線路由于墻壁或多徑干擾而被阻塞，ZigBee能夠自適應(yīng)的找到一條更長(zhǎng)但可用的路由線路,。

 

 圖2 - 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較

 

例如,，基于SiliconLabsEM35xEmberZigBeeSoC和EmberZNetPRO協(xié)議棧的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可提供自配置和自修復(fù)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)連通性,，能夠擴(kuò)展連接單一網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)百或數(shù)千節(jié)點(diǎn),。“ZigBee認(rèn)證產(chǎn)品”的快速開(kāi)發(fā)得益于EmberAppBuilder，其隱藏協(xié)議棧細(xì)節(jié),，聚焦ZAP(ZigBeeApplicationProfiles)實(shí)現(xiàn)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(yīng)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(shì)，需要高效的調(diào)試工具,。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性使傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析工具(例如Packetsniffer)使用起來(lái)更加困難,。事實(shí)上，由于包可能穿越多跳到達(dá)目的地,，許多中間傳輸超出分析儀的應(yīng)用范圍,。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，目前唯一的解決方案是采用SiliconLabs桌面網(wǎng)絡(luò)分析儀(DesktopNetworkAnalyzer)，此款分析工具功能強(qiáng)大,，能夠在圖形化界面內(nèi)展示網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)包收發(fā)的全貌,，并且內(nèi)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(diào)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?yàn)楣?jié)點(diǎn)密度太低,，因此無(wú)法提供有效的故障轉(zhuǎn)移支持,。例如，公路或鐵路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要沿著狹長(zhǎng)路徑寬間距部署節(jié)點(diǎn),。同樣,，校園的外部設(shè)施對(duì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合可跨越更遠(yuǎn)距離,，因而更可靠,，更合適,。

 

Sub-GHz：長(zhǎng)距離和低功耗通信的理想選擇

 

無(wú)線傳播與頻率成反比，在低功耗,、長(zhǎng)距離通信或穿墻能力上,，sub-GHz射頻更有優(yōu)勢(shì)。對(duì)于許多應(yīng)用,，433MHz成為2.4GHz的全球替代品(但日本不允許其用于無(wú)線應(yīng)用),。基于868MHz和915MHz的設(shè)計(jì)可用于美國(guó)和歐洲市場(chǎng),。有許多可用的無(wú)需授權(quán)或需要授權(quán)的頻段,，對(duì)于系統(tǒng)集成商來(lái)說(shuō)，既可選擇在某些特定區(qū)域進(jìn)行性能優(yōu)化,，或者配合公共事業(yè)公司在廣闊區(qū)域設(shè)計(jì)系統(tǒng),。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(shù),。

第三方和基于標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?？捎糜趕ub-GHz射頻，但許多廠商仍選擇專用解決方案來(lái)針對(duì)其特定需求,。許多無(wú)線協(xié)議面臨著一個(gè)問(wèn)題,，接口要不斷激活“監(jiān)聽(tīng)”網(wǎng)絡(luò)中通信。數(shù)據(jù)發(fā)射比數(shù)據(jù)接收消耗更多的能量，但是發(fā)射是短暫的,，并且有長(zhǎng)時(shí)間間隔,，因此長(zhǎng)期平均能耗通常更低。在許多無(wú)線協(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(jiān)聽(tīng)以便不丟失任何數(shù)據(jù)，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(jié)點(diǎn)的電池自主權(quán)，需要對(duì)電池定期更換或充電,。

Sub-GHz收發(fā)器,，例如SiliconLabsSi446xEZRadioPROIC，支持從119MHz-1050MHz的頻率范圍,，最大146dB的鏈路預(yù)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,，并在芯片內(nèi)集成天線分集邏輯算法。通過(guò)采用跳頻和時(shí)鐘同步技術(shù)相結(jié)合的方法,，系統(tǒng)集成商能夠在協(xié)調(diào)器和終節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)跨越數(shù)公里的sub-GHz網(wǎng)絡(luò),，同時(shí)終節(jié)點(diǎn)采用單電池可運(yùn)行十年以上。由此系統(tǒng)集成商能夠采用少量協(xié)調(diào)器即能可靠覆蓋特定區(qū)域,，并且把終節(jié)點(diǎn)放置在主電源無(wú)法連接的地方,。

 

無(wú)線共存和云

 

在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)世界中，沒(méi)有一種“萬(wàn)能”的解決方案,。在大規(guī)模,、低功耗網(wǎng)絡(luò)中，不能僅選擇無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的某一種形式,。Sub-GHz和ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以很好的共存,，因?yàn)樗麄儾捎貌煌臒o(wú)線電頻譜，并且具有獨(dú)特的屬性,。例如,，在校園中，2.4GHzZigBee適用于室內(nèi)自動(dòng)化系統(tǒng),，而sub-GHz用于戶外燈控,。可靠有效的收集數(shù)據(jù)能力當(dāng)然是最重要的,，但是為了真正激發(fā)網(wǎng)絡(luò)潛能,，實(shí)現(xiàn)所有實(shí)時(shí)信息的數(shù)據(jù)分析、可視化，以及對(duì)移動(dòng)服務(wù)的訪問(wèn),，則需要連接到云,。

大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)通常利用回程系統(tǒng)，把每個(gè)子網(wǎng)中收集的信息轉(zhuǎn)換成當(dāng)前大多數(shù)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適合在標(biāo)準(zhǔn)IP幀中傳輸?shù)母袷健４蠖鄶?shù)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(tǒng)能夠把含有源和目的信息的原始數(shù)據(jù)裝配成IP包,，而無(wú)需維護(hù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)開(kāi)銷,。接下來(lái)，IP包采用與其他互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)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(fèi)者也可以通過(guò)平板電腦,、筆記本或手機(jī)來(lái)管理和操作數(shù)據(jù),。

這是令人激動(dòng)的時(shí)代!無(wú)線技術(shù)和低功耗操作的發(fā)展帶給我們諸多便捷，我們可以測(cè)量,、監(jiān)視和控制我們的環(huán)境,，而以前是無(wú)法想象的?，F(xiàn)實(shí)中無(wú)線技術(shù)的使用多種多樣,，污水管理和森林火災(zāi)探測(cè)一類的應(yīng)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(yīng)用已經(jīng)為商家和消費(fèi)者帶來(lái)效率和便利性,。由于不同的技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)，ZigBee協(xié)議和sub-GHzRF系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)高可擴(kuò)展和可靠性的低功耗無(wú)線傳感器網(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。