物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中各種無線連接技術(shù)對(duì)比

1、其中移動(dòng)手持和個(gè)人計(jì)算機(jī)僅占 1/4 ，其余的是采用非用戶交互方式與其他機(jī)器通信的自主物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中各種無線連接技術(shù)對(duì)比關(guān)鍵字： 無線傳感器 無線通信 無線連接解決方案據(jù)預(yù)測，到 2020 年將有大約 500 億個(gè)采用 無線通信 方式的裝置。 據(jù)來自 GSM 聯(lián)盟的數(shù)據(jù)，互連裝置。當(dāng)前我們的互聯(lián)網(wǎng)正在快速發(fā)展成為無線裝置互連的萬維網(wǎng)- 物聯(lián)網(wǎng)（ IoT ）。無線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，以上無線技術(shù)將會(huì)共 存（如圖 1 所示）。然而，物聯(lián)網(wǎng)的重要驅(qū)

2、動(dòng)力之一是低功耗 無線傳感器 的出現(xiàn)，從 智能 電表到傳輸系統(tǒng)、 從安全系統(tǒng)到樓宇自動(dòng)化， 傳感器 越來越廣泛的用于各類應(yīng)用中。 對(duì)于無 線傳感器來說， 可擴(kuò)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(jié)點(diǎn)所需數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)較低， 但是大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)報(bào)告匯聚意味著 “大數(shù)據(jù)（big data ）圖 1 物聯(lián)網(wǎng)中多種無線技術(shù)共存為了更好的服務(wù)最終用戶， 公共事業(yè)公司和市政局開始擴(kuò)展智能計(jì)量系統(tǒng)， 以解決實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不斷增長的問題。 公共事業(yè)公司通過智能電表， 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題。 消費(fèi)者也能通過互連來獲取相

3、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。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心需求 可擴(kuò)展性對(duì)于無線傳感器網(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)萬個(gè)節(jié)點(diǎn)。 舉個(gè)例子， 美國拉斯維加斯的 A ria 酒店，部署 7 萬多個(gè)采用 ZigBee

4、 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?？煽啃浴⒖蓴U(kuò)展性和電源效率的組合，明確界定無線傳感器節(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)和無線協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)， 也要考慮無線技術(shù)本身固有的物 理屬性。 混凝土墻和多徑衰落對(duì)于任何無線系統(tǒng)來說都是不利的， 但也有辦法減輕影響。 為 了解決這個(gè)問題，不同國家有不同的法規(guī)來管理無線電頻譜和可用的頻率范圍。其中 2.4GHz 已成為無需授權(quán)的全球頻段， 因

5、此無線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠服務(wù)于全球所有主要市 場。例如 Wi-Fi 是基于 2.4GHz 頻段的通信技術(shù)，其擅長在兩節(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 15-32 個(gè)客戶端。 Bluetoot h 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 共享相同的無線頻譜， 但僅用于滿足低功耗無線傳感器節(jié) 點(diǎn)的特殊需求。表 1 匯總目前的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)核心特性和能力。表 1 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的比較ZigBee ：無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化解決方案ZigBee 基于

6、全球標(biāo)準(zhǔn)，是一個(gè)開放的無線網(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 ( Ad Hoc On-demand Distance Vector )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所 需，如果一條路由線路失敗， 節(jié)點(diǎn)能夠簡單的選擇另一條替代路由

7、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 Silicon Labs EM35x Ember ZigBee SoC 和 EmberZNet PRO 協(xié)議棧的無線 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 ”的快速開發(fā)得益于 Ember AppBuilder ，其隱藏協(xié)議棧細(xì)節(jié)， 聚焦 ZAP ( ZigBee Application Profiles )實(shí)現(xiàn)的開發(fā)工具。通過圖形化界面，開發(fā)人員

8、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，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 Packet sniffer )使用起來更加困難。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(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， 開發(fā)人員可以協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)通信和裝置的任務(wù)。在

9、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)來說過于稀疏。 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。ub-GHz ：長距離和低功耗通信的理想選擇 無線傳播與頻率成反比，在低功耗、長距離通信或穿墻能力上， sub-GHz 射頻更有優(yōu)勢。 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線應(yīng)用)?；?于 868MHz 和 915MHz 的設(shè)計(jì)可用于美國和歐洲市場。有許多可用的無需授

10、權(quán)或需要授權(quán) 的頻段， 對(duì)于系統(tǒng)集成商來說， 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?sub-GHz 射頻，但許多廠商仍選擇專用解決方案來 針對(duì)其特定需求。許多無線協(xié)議面臨著一個(gè)問題，接口要不斷激活“監(jiān)聽 ”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， 并且有長時(shí)間間隔， 因此長期平均 能耗通常更低。 在許多無線協(xié)議中， 接收器不知道消息何時(shí)到來。 因此不得不

11、保持監(jiān)聽以便 不丟失任何數(shù)據(jù)， 因此即使沒有消息， 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 Silicon Labs Si446x EZRadioPRO IC ，支持從 119MHz-1050MH z 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 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

12、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)放置在主電源無法連接的地方。無線共存和云在無線網(wǎng)絡(luò)世界中，沒有一種 “萬能 ”的解決方案。在大規(guī)模、低功耗網(wǎng)絡(luò)中，不能僅選擇無 線網(wǎng)絡(luò)中的某一種形式。 Sub-GHz 和 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)可以很好的共存， 因?yàn)樗麄儾捎貌煌?的無線電頻譜，并且具有獨(dú)特的屬性。例如，在校園中， 2.4GHz ZigBee 適用于室內(nèi)自動(dòng) 化系統(tǒng)，而 sub-GHz 用于戶外燈控?？煽坑行У氖占瘮?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， 則需 要連

13、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?。大多?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，而無需維護(hù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)開 銷。接下來， 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 云的服務(wù)， 來分析和可視化信息， 并且消費(fèi)者也可以通過平板電腦、 筆記本或手機(jī)來管理和 操作數(shù)據(jù)。這是令人激動(dòng)的時(shí)代！ 無線技術(shù)和低功耗操作的發(fā)展帶給我們諸多便捷， 我