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深化了解低功耗无线传感器网络规范

蓝牙、Wi-Fi和ZigBee在无线通信领域都有一席之地。但基于不同原因,上述几种技术都不太适合无线传感器网络应用。用于传感和控制应用的无线产品和技术正迅速变为现实。无线技术的大规模普及只是时间早晚的

蓝牙、Wi-Fi和ZigBee在无线通讯范畴都有一席之地。但根据不同原因,上述几种技能都不太合适无线传感器网络运用。用于传感和操控运用的无线产品和技能正敏捷变为实际。无线技能的大规模遍及仅仅时刻迟早的问题,但规范化安排和技能供货商在处理竞赛计划和技能紊乱等方面的作业没有做到位。详细地讲,便是许多计划和技能对其适用规模语焉不详,然后形成了整个无序的局势。

最终用户和体系开发商有多种理由急需规范化,这些理由包括:契合全球操控的要求、各种供货商产品间互操作性的需求、有备用的第二个货源途径、能进行货比三家式的砍价以及与很多常识接轨的或许等。但还有其他一些。一些技能的开发本钱十分高,以至于有必要经过大批量出产才干回收本钱并盈余。若完成大批量,则全球商场的体现至关重要。规范是完成全球认知的一个极佳载体,是全球商场繁荣的助推剂。

无线传感器体系架构

无线传感器体系的根本架构包括三层,如图1所示。最底层的是无线收发器。在发射端,它担任将数字信息转换为无线电磁信号并经发射器传送出去;在接纳端,它将接纳到的电磁信号康复成数字信号。在以往的无线技能中,发射器只管发射,接纳器也仅能接纳。现在,为了进步牢靠性和功用,许多技能已将发射和接纳设备整合在一同。

图1:无线传感器设备的根本架构。

芯片厂商需求经过大批量出售来取得盈余,而大批量需求涉及到全球商场。要想让全球性技能商场腾飞,前史证明,规范至关重要。上述判别对Wi-Fi无线网络(技能上称为IEEE 802.11 a/b/g/n/)和蓝牙(根据IEEE 802.15.1规范中界说的规范)都适用。被无线个人局域作业组在2003年拟定的IEEE 802.15.4 (a/b)规范操控的传感器网络也不破例。

上述三种技能定坐落不同运用。Wi-Fi被以为是有线以太网PC通讯的代替技能,即中心有个基站、PC就在中心邻近的高数据速率网络(也即星型网络结构)。为了完成部分区域的高数据速率,Wi-Fi的功耗适当大,一般需求选用笔记本电脑的电池供电。

数据速率将跟着与基站间隔的添加而明显下降。蓝牙被以为与手机一同构成了世人注视的中心:它能把手机与耳机、GPS设备和笔记本电脑连在一同。1Mbps的蓝牙数据速率对传送音频是捉襟见肘了,但它比Wi-Fi的数据速率最少低一个数量级。

但另一方面,蓝牙的功耗低,一般选用手机电池供电。一般来说,蓝牙的通讯间隔也比Wi-Fi短,当然,它也反映了手机一般就与耳机、笔记本电脑和GPS设备一同运用这个现实。

传感器运用有天壤之别的需求,特别是在功耗方面:在选用钮扣电池或太阳能电池及振荡发电采集器等环境动力的场合,传感器一般有必要要作业发好几年,而传感器所用的电池无法象笔记本电脑或手机电池那样充电。

其他一些传感器特有的要求是由以下要素决议的,如牢靠性、通讯间隔、在单一网络中所需支撑的最大节点数以及主动网络安排需求等。不过较低的数据速率一般即可满意传感器网络要求,由于大多传感器发生的数据量并不大,并且一般并非接连输出。

对无线传感器收发器而言,IEEE 802.15.4规范或许是首要且或许仅有的有用规范。2003年同意了该规范的第一版,2006年进行了晋级。现在有多家公司供给这方面的收发器芯片。其间一些芯片仅完成了该规范的很少部分。另一些芯片供给对某些运用来说有用的附加功用。例如,GreenPeak公司的GP-2000收发器就具有许多特别适用于钮扣电池和低电能运用的低功耗特性。

表1列举了IEEE 802.15.4规范的一些首要参数,并与蓝牙进行了比较。一向有人尝试着把Wi-Fi和蓝牙运用于传感器运用。在这两种场合,蓝牙和Wi-Fi都以非规范方法加以运用,然后过迂回完成了IEEE 802.15.4的根本原理。人们遍及供认,IEEE 802.15.4能为无线传感器运用供给最佳计划。

表1: IEEE 802.15.4规范及蓝牙的一些首要参数比较。

并非一切技能供货商都遵从IEEE 802.15.4规范。一些公司出于下降复杂性和本钱的考虑,自己研制专用收发器。但这些专用计划是否能到达足以真实下降本钱的批量尚待调查。别的,下降复杂性一般以献身功用为价值,因而约束了这些计划的运用规模。

网络仓库

网络仓库有两个责任。首要,它构成并保持该网络。特别是无线网络仓库有必要要能应对节点间的无线链接通讯质量的频频改变。例如,在修建主动化运用中,走来走去的人(即一个人站在两个节点之间)会对链接质量带来很大影响。因而,网络仓库有必要考虑到链接随时都或许消失然后形成一个节点乃至整个网络分支被阻隔的状况。

图2:最首要的传感器网络仓库规范示意图。

为防备搅扰,网络仓库有必要能从头路由通讯途径并建立新衔接,以便为网络内一切部分供给不被打扰的连通性。网络仓库的第二个功用是确保音讯牢靠高效地从源节点发送到方针节点。高效意味着延时要求—音讯的传输时刻—应被满意,并且应防止在信息的路由行程中呈现瓶颈。

无线传感器运用的规模很广,要求差异也很大,因而通讯技能要有必定的灵活性。单靠硬件无法供给这种灵活性。它需求一个可编程仓库,借此来削减前期投入并支撑供货商以较低批量取得可观报答。现在,已呈现了一些规范网络仓库,还有一些在开发中,它们全都以IEEE 802.15.4为根底。

ZigBee联盟的影响

ZigBee联盟是由很多技能供货商和OEM支撑的独立规范安排。该安排最近里程碑式的作业是2007年末完成了对两个网络仓库规范的定稿,这两个网络栈是:ZigBee和ZigBee PRO。从运用视点看,ZigBee仓库很合适一般包括十到几百个设备的住所“家庭”网络。ZigBee PRO是ZigBee的超集,它添加了一些功用,可对网络进行扩展并更好地应对来自其他技能的无线搅扰。

这些特性使ZigBee PRO很合适比如商用修建等大规模运用。现在来说,该功用需求越来越大的程序存储器空间,然后添加了本钱,然后约束了ZigBee PRO在许多消费商场的运用。但归功于芯片本钱的不断下降 ,咱们估计,ZigBee和ZigBee PRO间的本钱差异不久就会变得微乎其微,到时,许多运用将选用ZigBee PRO。

ZigBee联盟并没清晰要把工业运用扫除在外。但若干大的工业主动化企业现已承认需求一些额定功用,而这些功用并不在ZigBee联盟考虑的要事之列。两个最首要的“工业”特性是确认的延时和确认的牢靠性。

延时是信息从源到目的地所需时刻。假如源是PLC、目的地是机器,则谨慎地操控延时就很重要。这便是为什么清晰以工业主动化为方针的那些规范在研制一种称为“确保时隙”的IEEE 802.15.4特性,这一特功用够确保最坏状况下的信息延时。现在,ZigBee并没有运用确保时隙功用。确认的牢靠性指的是在两个无线节点间供给有确保的通讯信道的才能。

牢靠性的首要敌人是来自相同无线频段其他用户的无线搅扰。就作业在2.4GHz频段的IEEE 802.15.4设备来说,最首要的搅扰源是Wi-Fi收发器。大多数搅扰源并不完全阻断IEEE 802.15.4设备。

但不管设备选用哪种网络堆,搅扰的确会形成无线数据的丢掉。为缓解数据丢掉形成的影响,工业设备选用的无线规范供给了一种答应数据丢掉按时刻均匀分布的机制,然后令传输更具预见性也更牢靠。

ISA-100和无线HART

ISA-100和无线HART是两个具有微弱推动力的工业无线主动化规范。ISA-100是专心于工业主动化的非盈余技能组织—仪器仪表、体系与主动化协会(ISA)开发的。ISA-100将在2008-2009年度推出一个规范规范。

无线HART不是一个完好工业传感器协议,而是用于工业主动化的前史悠久但很盛行的HART工业(有线)总线规范的弥补。本质上,无线HART是有线信息传输协议HART的代替技能。因ISA-100和无线HART本质上处理的问题相同,最近,它们联合起来反省两个规范是否能合二为一。开始版别很或许不具互操作性且需求网络桥接(即两个体系间的转换器)。后续版别或许界说一种公共言语。

工业规范的功用增强也能转换为商业修建主动化范畴中的优势,但一般不是首要的。并且这种改善也添加了不菲的本钱,然后约束了其在住所和商业运用方面的运用远景。表2列出了上述一些商业和工业规范的特性。

表2:部分商业和工业规范的特性比较。

专用无线技能

除规范无线传感器技能外,一些公司还有自己特有的专用技能。专用技能规范并非必定便是关闭的。它意味着一家公司操控了技能的方向,并将水到渠成地导致独占。专用规范一般是为满意单一或有限运用而拟定。实际上,专用技能的开发速度比规范技能快得多,由于它不用象规范技能那样要在不同公司间达到一致。

对一些特定运用来说,专用技能或许比规范技能更有优势。Zensys公司的Z-Wave和Cornis公司的Wavenis便是两种最著名的无线传感器专用技能。Z-Wave定坐落住所主动化,它最大支撑237个节点便是例子。该节点数对家用而言是足够了,但无法满意比如饭馆和写字楼等大的商业组织的需求。Wavenis尽管也面向其他运用,但首要仍是运用于主动抄表体系。

即便在规范规模内,也存在许多技能差异化时机。例如,GreenPeak公司供给的兼容IEEE 802.15.4的收发器和仓库,它们添加了十分合适超低功耗运用的功用特性。该技能支撑无线体系以钮扣电池乃至环境动力(如太阳能电池、振荡发电采集器或其他环境动力转换器)为作业电源。

GreenPeak还开发出了低功耗路由(LPR)技能,该技能有或许在不远的将来成为规范。在LPR网络内,电池供电设备可接纳来自邻近设备的信息并将其沿更长通讯链路转发下去。现在的规范仅能在向主电源供电的设备供给这种功用。这是由于这些规范要求设备处在接连监听状况,因而功耗适当高。与此不同,LPR网络内的设备并不一向作业,它添加了一种时刻同步机制,该机制能够把各个设备一起唤醒并发动通讯,然后下降了功耗。

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