24
2010
05

传感器网将会青睐无线(转)

无线传感器从来就不乏用武之地。例如,在家庭保安系统中,无线传感器安装起来比需要连线的有线传感器要容易得多。在工业环境中更是如此。在工业环境中,线路费用通常占传感器安装费用的80%。而在接线不实际或不可能的环境中,更缺不了无线传感器。 可是,问题在于大多数无线传感器功耗太高,这意味着它们的电池要么必须非常大,要么必须频繁充电。此外,一些人还怀疑空中传送的传感器数据的可靠性,因此无线传感器似乎没有太大的吸引力。 ZigBee:锁定无线传感器 然而,一种叫做ZigBee的低功率无线技术将改写无线传感器的历史。作为一项基于IEEE 802.15.4无线标准的安全网络技术,ZigBee(图1)有希望让无线传感器出现在各种应用中:从工厂的自动化系统,到家庭保安系统和消费电子产品。在最近才得到批准的802.15.4标准配合下,ZigBee将普通小型电池的使用寿命延长到了几年时间。人们预测,ZigBee设备还将十分便宜,一些人估计,它的销售价格最终不到3美元。以如此之低的价格,它们自然非常适用于无线电灯开关、无线调温器和烟杆探测器。
节能:低带宽的奇迹 从某种意义上讲,ZigBee光明的未来主要要感谢其低数据传输速率:根据所使用的频带,能达到20kbps到250kbps(图2)。相比之下,蓝牙的标称数据速率为1 Mbps,WiFi的802.11g为54 Mbps。但是,ZigBee不会像WiFi那样发送电子邮件和大型文件,或像蓝牙那样传送文档和音频数据。对于传送长度一般为几十字节的传感器读数来说,高带宽是多余的,而ZigBee的低带宽有助于它实现其低功率、低成本和强健性的目标。
由于ZigBee应用的低带宽要求,ZigBee节点可以在大部分时间内睡眠,以节省电池能量,然后苏醒并迅速发送数据,然后再去睡眠。ZigBee可以在15毫秒或更短的时间内由睡眠模式进入活动模式,因此即使睡眠的节点也可以取得合适的低时延。例如,打开ZigBee无线电灯开关的人不会感觉到灯亮前的苏醒时延。相比之下,蓝牙的苏醒时延一般在3秒左右。 ZigBee节省的大部分能量归功于802.15.4无线电技术,后者本身就是为低功率而设计的。例如,802.15.4采用DSSS(直接序列扩谱)技术取代FHSS(跳频扩谱),因为后者为保持同步跳频会消耗较多的功率。 ZigBee使用802.15.4,可以以几种不同方式通信,一些方式功耗高于另一些方式。因此,ZigBee用户按某些方式部署的传感器网不一定能保证数年的电池寿命。事实上,一些计划部署由非常小的无线传感器构成的大型网络的技术人员说,甚至ZigBee都功耗太高,不适合于他们使用。 例如,如果ZigBee节点试图避免传送的信号与其他节点或其他无线电源的信号相重叠,ZigBee节点会消耗额外的能量。它们必须在发送信号之前侦听空中是否有其他信号在传送。 “面对面”式的通信 为了尽可能多地节省能量,ZigBee采用一种“准备好才发送”的通信策略,它只在有数据要发送时才发送数据,然后再等待自动确认。据业内人士说,“准备好才发送”是一种“面对面”式(in-your-face)的方案,也是一种能量效率非常高的方案。 幸运的是,这种“面对面”式策略导致RF干扰非常低。这主要是由于ZigBee节点具有非常低的占空因数,只偶尔发射信号而且只发送小量的数据。其他ZigBee节点以及WiFi和蓝牙模块,可以轻松地应付这种少量的、不经常的猝发通信。 不过,ZigBee的“准备好才发送”方案并不是万能的。例如,在一条由成千上万个空投到敌占区监视敌军动向的微型传感器构成的网络中,这种方案节省的能量可能仍不够用。由于每个网络节点都定期发送数据,而且数据必须经过附近其他网格式分布的节点多次反复传送才能到达网络控制器,大量的数据包冲突和重复传送会浪费能量,大大缩短传感器节点的电池寿命。如果传感器电池非常小,能量有限的话,这就成了问题。 虽然干扰性无线电波接入通常对于ZigBee不是问题,但有时可能有问题。传感器网络公司Dust Networks说,干扰问题至少目前防碍了它采用ZigBee,尽管该公司仍是ZigBee联盟成员之一。公司官员说:“每个ZigBee节点都需要与邻居争夺空域,因此不可避免地出现一定的竞争和低效率。”为了避免ZigBee的接入竞争,Dust使用无竞争的TDMA技术。在一种有点类似TDMA的方案中,ZigBee通过802.15.4 MAC层提供保证的时隙,但只作为一种可选的“超帧”( superframe)的组成部分提供。这种超帧比TDMA更复杂,并且能量效率比TDMA低。 不过,ZigBee仍有更多的节能秘技。例如,除了功能更强的全功能设备(FFD)外,它还通过提供节能的精简功能设备(RFD)减少ZigBee部件中的能耗。每个ZigBee网络至少需要一部FFD作为控制器,但大多数网络节点可以是RFD(图3)。RFD只能与FFD通信,不能与其他RFD通信,但它们内部的电路比FFD少,只有很少或没有消耗能量的内存。
ZigBee通过减少对相关处理的需要来进一步节省能量。像8051这样的简单8位处理器就可以轻松地完成ZigBee的任务,而且ZigBee协议栈占用很少的内存。例如,一个FFD栈需要占用大约32kb,而一个RFD栈只需要4kb。比它们复杂得多的蓝牙技术则需要占用约250kb。 ZigBee相对简单的实现自然节省了费用。RFD由于省掉了内存和其他电路,降低了ZigBee部件的成本,而简单的8位处理器和小协议栈也有助于降低成本。 不过降低ZigBee价格的主要战略是做大市场和提高产量。ZigBee联盟希望通过使ZigBee成为一项开放标准,通过大力推进ZigBee设备间的互操作性,让ZigBee在家庭和建筑自动化等应用领域做大做强。该联盟目前正在为这些应用制定互操作性规程,这些规程预计将随ZigBee规范1.0一起,于今年年底完成。 易用性是人们对ZigBee广泛用于家庭自动化和保安领域持乐观态度的原因之一。ZigBee网络可以自我组建,因此消费者可以很方便地建设网络。ZigBee网络还可以在商用和工业环境中自我组建,专业安装人员可以利用工具提供进一步的控制。 ZigBee在安全上十分灵活,用户可以根据需要选择不同的安全水平。例如,用户在烟雾探测器上不需要128位公钥加密,但可在高层建筑的日光灯开关上实现。 专有技术竞争对手 ZigBee的竞争对手几乎全都出自专有技术。前面提到过,Dust公司坚持使用自己的技术。Ember公司虽然大举进军ZigBee领域,但计划继续提供自己的专有EmberNet。此外,Zensys也向顾客提供其Z-Wave技术。 但是,通过提供互操作性,ZigBee带来了专有产品无法提供的功能。例如,互操作性使照明系统的ZigBee节点可以使用HVAC系统的ZigBee网络。 不用说,许多主要半导体公司,特别是那些主要从事嵌入式系统的厂商,急切盼望ZigBee进入大众市场。Freescale Semiconductor已经开始向一些客户提供ZigBee就绪技术。包括AMI、Atmel、Microchip、Philips和Renesas在内的其他半导体公司都是ZigBee的支持成员。 不过,ZigBee进入工业无线传感器市场的速度将很缓慢。据ON World说,让工业客户相信无线传感器系统的可靠性、健壮性和安全性,将需要5到7年时间。但ON World看好ZigBee在工业领域的长期前景。它预测,到2010年,用于工业监控的RF模块数量将由今年的190万增加到1.65亿,其中的75%将基于ZigBee标准。 然而,对ZigBee的担心也在增加。人们担心ZigBee可能会变成一种万金油技术,哪一种应用都不能非常好地适应。例如,一些怀疑论者担心,用ZigBee包罗万象的尝试可能使ZigBee协议栈过大,从而让ZigBee的两个目标——低功耗和非常低的成本化为泡影。 原文真是出处应该是CCW,大概发布时间是2005-01-25 摘自水木清华:http://www.smth.edu.cn/pc/pcarch.php?userid=rocxet&y=2005&m=1
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