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　　藍牙、Wi-Fi和ZigBee在無線通信領域都有一席之地。但基于不同原因，上述幾種技術都不太適合無線傳感器網絡應用。用于傳感和控制應用的無線產品和技術正迅速變為現實。無線技術的大規模普及只是時間早晚的問題，但標準化組織和技術供應商在解決競爭方案和技術混亂等方面的工作尚未做到位。具體地講，就是許多方案和技術對其適用范圍語焉不詳，從而造成了整個無序的局面。

　　最終用戶和系統開發商有多種理由急需標準化，這些理由包括：符合全球管制的要求、各種供應商產品間互操作性的需要、有備用的第二個貨源渠道、能進行貨比三家式的砍價以及與大量知識接軌的可能等。但還有其他一些。一些技術的開發成本非常高，以至于必須通過大批量生產才能收回成本并盈利。若實現大批量，則全球市場的表現至關重要。標準是實現全球認知的一個極佳載體，是全球市場繁榮的助推劑。

　　無線傳感器系統架構

　　無線傳感器系統的基本架構包括三層，如圖1所示。最底層的是無線收發器。在發射端，它負責將數字信息轉換為無線電磁信號并經發射器傳送出去；在接收端，它將接收到的電磁信號恢復成數字信號。在以往的無線技術中，發射器只管發射，接收器也僅能接收。現在，為了提高可靠性和性能，許多技術已將發射和接收設備整合在一起。

 
圖1：無線傳感器設備的基本架構

　　芯片廠商需要通過大批量銷售來獲得盈利，而大批量需要涉及到全球市場。要想讓全球性技術市場騰飛，歷史證明，標準至關重要。上述判斷對Wi-Fi無線網絡(技術上稱為IEEE 802.11 a/b/g/n/)和藍牙(基于IEEE 802.15.1規范中定義的標準)都適用。被無線個人局域工作組在2003年制定的IEEE 802.15.4 (a/b)標準統治的傳感器網絡也不例外。

　　上述三種技術定位于不同應用。Wi-Fi被認為是有線以太網PC通信的替代技術，即中心有個基站、PC就在中心附近的高數據速率網絡(也即星型網絡結構)。為了實現局部區域的高數據速率，Wi-Fi的功耗相當大，一般需要采用筆記本電腦的電池供電。

　　數據速率將隨著與基站距離的增加而顯著降低。藍牙被認為與手機一起構成了眾人注目的中心：它能把手機與耳機、GPS設備和筆記本電腦連在一起。1Mbps的藍牙數據速率對傳送音頻是綽綽有余了，但它比Wi-Fi的數據速率起碼低一個數量級。

　　但另一方面，藍牙的功耗低，通常采用手機電池供電。一般來說，藍牙的通信距離也比Wi-Fi短，當然，它也反映了手機一般就與耳機、筆記本電腦和GPS設備一起使用這個事實。

　　傳感器應用有截然不同的需求，特別是在功耗方面：在采用鈕扣電池或太陽能電池及振動發電采集器等環境能源的場合，傳感器一般必須要工作發好幾年，而傳感器所用的電池無法象筆記本電腦或手機電池那樣充電。

　　其他一些傳感器特有的要求是由以下因素決定的，如可靠性、通信距離、在單一網絡中所需支持的最大節點數以及自動網絡組織需求等。不過較低的數據速率一般即可滿足傳感器網絡要求，因為大多傳感器產生的數據量并不大，而且一般并非連續輸出。

　　對無線傳感器收發器而言，IEEE 802.15.4規范可能是主要且可能唯一的實用標準。2003年批準了該規范的第一版，2006年進行了升級。目前有多家公司提供這方面的收發器芯片。其中一些芯片僅實現了該標準的很少部分。另一些芯片提供對某些應用來說有用的附加功能。例如，GreenPeak公司的GP-2000收發器就具有許多特別適用于鈕扣電池和低電能應用的低功耗特性。

　　表1列舉了IEEE 802.15.4標準的一些主要參數，并與藍牙進行了比較。一直有人嘗試著把Wi-Fi和藍牙應用于傳感器應用。在這兩種場合，藍牙和Wi-Fi都以非標準方式加以利用，從而過迂回實現了IEEE 802.15.4的基本原理。人們普遍承認，IEEE 802.15.4能為無線傳感器應用提供最佳方案。

表1: IEEE 802.15.4標準及藍牙的一些主要參數比較

　　并非所有技術供應商都遵循IEEE 802.15.4標準。一些公司出于降低復雜性和成本的考慮，自己研制專用收發器。但這些專用方案是否能達到足以真正降低成本的批量尚待觀察。另外，降低復雜性一般以犧牲性能為代價，因此限制了這些方案的使用范圍。

　　網絡堆棧

　　網絡堆棧有兩個職責。首先，它構成并維持該網絡。特別是無線網絡堆棧必須要能應對節點間的無線鏈接通信質量的頻繁變化。例如，在建筑自動化應用中，走來走去的人(即一個人站在兩個節點之間)會對鏈接質量帶來很大影響。因此，網絡堆棧必須考慮到鏈接隨時都可能消失進而造成一個節點甚至整個網絡分支被隔絕的情況。

 
圖2：最主要的傳感器網絡堆棧標準示意圖

　　為防范干擾，網絡堆棧必須能重新路由通信路徑并建立新連接，以便為網絡內所有部分提供不被打擾的連通性。網絡堆棧的第二個職能是確保訊息可靠高效地從源節點發送到目標節點。高效意味著延時要求—消息的傳輸時間—應被滿足，而且應避免在信息的路由行程中出現瓶頸。

　　無線傳感器應用的范圍很廣，要求差異也很大，因此通信技術要有一定的靈活性。單靠硬件無法提供這種靈活性。它需要一個可編程堆棧，借此來減少前期投入并支持供應商以較低批量獲得可觀回報。目前，已出現了一些標準網絡堆棧，另有一些在開發中，它們全都以IEEE 802.15.4為基礎。

　　ZigBee聯盟的影響

　　ZigBee聯盟是由眾多技術供應商和OEM支持的獨立標準組織。該組織最近里程碑式的工作是2007年底完成了對兩個網絡堆棧規范的定稿，這兩個網絡棧是：ZigBee和ZigBee PRO。從使用角度看，ZigBee堆棧很適合一般包含十到幾百個設備的住宅“家庭”網絡。ZigBee PRO是ZigBee的超集，它增加了一些功能，可對網絡進行擴展并更好地應對來自其他技術的無線干擾。

　　這些特性使ZigBee PRO很適合諸如商用建筑等大規模應用。目前來說，該功能需要越來越大的程序存儲器空間，從而增加了成本，進而限制了ZigBee PRO在許多消費市場的應用。但歸功于芯片成本的不斷下降 ，我們預計，ZigBee和ZigBee PRO間的成本差異不久就會變得微不足道，屆時，許多應用將采用ZigBee PRO。

　　ZigBee聯盟并沒明確要把工業應用排除在外。但若干大的工業自動化企業已經確認需要一些額外功能，而這些功能并不在ZigBee聯盟考慮的要事之列。兩個最主要的“工業”特性是確定的延時和確定的可靠性。

　　延時是信息從源到目的地所需時間。如果源是PLC、目的地是機器，則嚴謹地控制延時就很重要。這就是為什么明確以工業自動化為目標的那些標準在研發一種稱為“保證時隙”的IEEE 802.15.4特性，這一特性可以確保最壞情況下的信息延時。目前，ZigBee并沒有使用保證時隙功能。確定的可靠性指的是在兩個無線節點間提供有保證的通信信道的能力。

　　可靠性的主要敵人是來自相同無線頻段其他用戶的無線干擾。就工作在2.4GHz頻段的IEEE 802.15.4設備來說，最主要的干擾源是Wi-Fi收發器。大多數干擾源并不徹底阻斷IEEE 802.15.4設備。

　　但無論設備采用哪種網絡堆，干擾確實會造成無線數據的丟失。為緩解數據丟失造成的影響，工業設備采用的無線標準提供了一種允許數據丟失按時間均勻分布的機制，從而令傳輸更具預見性也更可靠。

　　ISA-100和無線HART

　　ISA-100和無線HART是兩個具有強勁推動力的工業無線自動化標準。ISA-100是專注于工業自動化的非盈利技術機構—儀器儀表、系統與自動化協會(ISA)開發的。ISA-100將在2008-2009年度推出一個標準規范。

　　無線HART不是一個完整工業傳感器協議，而是用于工業自動化的歷史悠久但很流行的HART工業(有線)總線標準的補充。本質上，無線HART是有線信息傳輸協議HART的替代技術。因ISA-100和無線HART本質上解決的問題相同，最近，它們聯合起來檢討兩個標準是否能合二為一。最初版本很可能不具互操作性且需要網絡橋接(即兩個系統間的轉換器)。后續版本或許定義一種公共語言。

　　工業標準的性能增強也能轉換為商業建筑自動化領域中的優勢，但一般不是主要的。而且這種改進也增加了不菲的成本，從而限制了其在住宅和商業應用方面的使用前景。表2列出了上述一些商業和工業標準的特性。

 
表2：部分商業和工業標準的特性比較

　　專用無線技術

　　除標準無線傳感器技術外，一些公司還有自己特有的專用技術。專用技術規范并非一定就是封閉的。它意味著一家公司控制了技術的方向，并將順理成章地導致壟斷。專用標準一般是為滿足單一或有限應用而制定。實際上，專用技術的開發速度比標準技術快得多，因為它不必象標準技術那樣要在不同公司間達成共識。

　　對一些特定應用來說，專用技術可能比標準技術更有優勢。Zensys公司的Z-Wave和Cornis公司的Wavenis就是兩種最著名的無線傳感器專用技術。Z-Wave定位于住宅自動化，它最大支持237個節點就是例證。該節點數對家用而言是足夠了，但無法滿足諸如飯店和寫字樓等大的商業機構的需求。Wavenis雖然也面向其他應用，但主要還是應用于自動抄表系統。

　　即使在標準范圍內，也存在許多技術差異化機會。例如，GreenPeak公司提供的兼容IEEE 802.15.4的收發器和堆棧，它們增加了非常適合超低功耗應用的功能特性。該技術支持無線系統以鈕扣電池甚至環境能源(如太陽能電池、振動發電采集器或其他環境能源轉換器)為工作電源。

　　GreenPeak還開發出了低功耗路由(LPR)技術，該技術有可能在不遠的將來成為標準。在LPR網絡內，電池供電設備可接收來自附近設備的信息并將其沿更長通信鏈路轉發下去。目前的標準僅能在向主電源供電的設備提供這種功能。這是因為這些標準要求設備處在連續監聽狀態，因此功耗相當高。與此不同，LPR網絡內的設備并不一直工作，它增加了一種時間同步機制，該機制可以把各個設備同時喚醒并啟動通信，從而降低了功耗。(end)