物聯(lián)網(wǎng)應用中各種無線連接技術共存與對比

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技術的解決方案。每種解決方案都有優(yōu)缺點，在這個互連的世界里，以上無線技術將會共存。然而，物聯(lián)網(wǎng)的重要驅(qū)動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)到樓宇自動化，傳感器越來越廣泛的用于各類應用中。對于無線傳感器來說，可擴展性、范圍、休眠電流和可靠性等屬性至關重要。雖然某些終端節(jié)點所需數(shù)據(jù)傳輸速率相對較低，但是大規(guī)模網(wǎng)絡中的實時報告匯聚意味著“大數(shù)據(jù)(bigdata)”。

為了更好的服務最終用戶，公共事業(yè)公司和市政局開始擴展智能計量系統(tǒng)，以解決實時數(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，同時也能快速識別、隔離，以及解決電力失效等問題。消費者也能通過互連來獲取相關信息。室內(nèi)網(wǎng)絡設備均能實時報告其狀態(tài)和能耗，并且還能響應公共事業(yè)公司發(fā)出的信息。采用智能能源和智能家居系統(tǒng)，消費者將更加方便和高效，例如，在電費最低的時候控制激活洗碗機，或是適時提醒用戶需要添加洗滌劑。

同樣的，在鐵路運輸網(wǎng)絡中，無線傳感器能可用于遠程監(jiān)視廣闊的軌道網(wǎng)絡，技術人員能提前識別維護需求，以降低人工軌道巡視的成本和遲延。

無線傳感器網(wǎng)絡的核心需求

可擴展性對于無線傳感器網(wǎng)絡環(huán)境至關重要。某些傳感器僅每秒進行一次狀態(tài)更新，并且每次僅傳輸幾個字節(jié)信息，但單個建筑物可能有數(shù)萬個節(jié)點。舉個例子，美國拉斯維加斯的Aria酒店，部署7萬多個采用ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡通信的節(jié)點，以便控制照明、空調(diào)和建筑物周圍的許多其他服務。在多數(shù)應用中，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)絡架構要求有能力處理大量匯聚的數(shù)據(jù)，但傳感器節(jié)點自身必須低功耗。

可靠性、可擴展性和電源效率的組合，明確界定無線傳感器節(jié)點能夠采用的通信技術需求。系統(tǒng)集成商不僅要考慮所選拓撲結(jié)構和無線協(xié)議的優(yōu)缺點，也要考慮無線技術本身固有的物理屬性?；炷翂投鄰剿ヂ鋵τ谌魏螣o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已成為無需授權的全球頻段，因此無線系統(tǒng)的設計能夠服務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，其擅長在兩節(jié)點之間快速傳輸大量數(shù)據(jù)，但同時消耗能量高，并且在星型配置中，每個AP限制在不超過15-32個客戶端。Bluetooth是另一種2.4GHz技術，其針對便攜式設備，主要作為點對點的解決方案，僅支持幾個節(jié)點。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)點的特殊需求。表1匯總目前的無線網(wǎng)絡技術核心特性和能力。

ZigBee：無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡的優(yōu)化解決方案

ZigBee基于全球標準，是一個開放的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡技術。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡架構不同，例如星型和點對點，網(wǎng)狀網(wǎng)絡采用最低成本節(jié)點為建筑物內(nèi)的所有位置提供可靠覆蓋。ZigBee采用動態(tài)、自主的路由協(xié)議，基于AODV(AdHocOn-demandDistanceVector)的路由技術。在AODV中，當一個節(jié)點需要連接時，他將廣播一條路由請求報文，其他節(jié)點在路由表中查找，如果有到達目標節(jié)點的路由，則向源節(jié)點反饋，源節(jié)點挑選一條可靠、跳數(shù)最小的路線，并存儲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)點能夠簡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能夠自適應的找到一條更長但可用的路由線路。

例如，基于SiliconLabsEM35xEmberZigBeeSoC和EmberZNetPRO協(xié)議棧的無線傳感器網(wǎng)絡，可提供自配置和自修復的網(wǎng)狀網(wǎng)絡連通性，能夠擴展連接單一網(wǎng)絡中的數(shù)百或數(shù)千節(jié)點?！癦igBee認證產(chǎn)品”的快速開發(fā)得益于EmberAppBuilder，其隱藏協(xié)議棧細節(jié)，聚焦ZAP(ZigBeeApplicationProfiles)實現(xiàn)的開發(fā)工具。通過圖形化界面，開發(fā)人員能夠快速選擇應用所需的屬性，然后由AppBuilder自動生成所需代碼。

為發(fā)揮ZigBee網(wǎng)絡靈活性的最大優(yōu)勢，需要高效的調(diào)試工具。網(wǎng)狀網(wǎng)絡的復雜性使傳統(tǒng)網(wǎng)絡分析工具(例如Packetsniffer)使用起來更加困難。事實上，由于包可能穿越多跳到達目的地，許多中間傳輸超出分析儀的應用范圍。對于這個問題，目前唯一的解決方案是采用SiliconLabs桌面網(wǎng)絡分析儀(DesktopNetworkAnalyzer)，此款分析工具功能強大，能夠在圖形化界面內(nèi)展示網(wǎng)絡中每個包收發(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)絡通信和裝置的任務。