【中國智能制造網(wǎng) 技術(shù)前沿】據(jù)預(yù)測，到2020年將有大約500億個采用無線通信方式的裝置。據(jù)來自GSM聯(lián)盟的數(shù)據(jù)，其中移動手持和個人計算機僅占1/4，其余的是采用非用戶交互方式與其他機器通信的自主互連裝置。當前我們的互聯(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)。
　　
　　為了更好的服務(wù)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(guān)信息。室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均能實時報告其狀態(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)，消費者將更加方便和，例如，在電費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。
　　
　　無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)核心特性和能力
　　
　　Wi-Fi是基于2.4GHz頻段的通信技術(shù)，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(shù)，其針對便攜式設(shè)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。　　ZigBee：無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化解決方案
　　
　　ZigBee基于標準，是一個開放的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不同，例如星型和點對點，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)采用低成本節(jié)點為建筑物內(nèi)的所有位置提供可靠覆蓋(參見下圖中網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)選項對比)。ZigBee采用動態(tài)、自主的路由協(xié)議，基于AODV(AdHocOn-demandDistanceVector)的路由技術(shù)。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)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。
　　
　　網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)比較
　　
　　例如，基于SiliconLabsEM35xEmberZigBeeSoC和EmberZNetPRO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，能夠擴展連接單一網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)百或數(shù)千節(jié)點。“ZigBee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(yīng)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(luò)靈活性的大優(yōu)勢，需要的調(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(yīng)用范圍。對于這個問題，目前的解決方案是采用SiliconLabs桌面網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)通信和裝置的任務(wù)。
　　
　　在某些情況下，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)并不是合適的選擇，因為節(jié)點密度太低，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)拓撲結(jié)構(gòu)需要沿著狹長路徑寬間距部署節(jié)點。同樣，校園的外部設(shè)施對于采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)來說過于稀疏。在這些環(huán)境中，星型拓撲結(jié)構(gòu)結(jié)合可跨越更遠距離，因而更可靠，更合適。
　　
　　Sub-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。對于許多應(yīng)用，433MHz成為2.4GHz的替代品(但日本不允許其用于無線應(yīng)用)。基于868MHz和915MHz的設(shè)計可用于美國和歐洲市場。有許多可用的無需授權(quán)或需要授權(quán)的頻段，對于系統(tǒng)集成商來說，既可選擇在某些特定區(qū)域進行性能優(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)。
　　
　　第三方和基于標準的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧可用于sub-GHz射頻，但許多廠商仍選擇專用解決方案來針對其特定需求。許多無線協(xié)議面臨著一個問題，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到來。因此不得不保持監(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)點的電池自主權(quán)，需要對電池定期更換或充電。
　　
　　Sub-GHz收發(fā)器，例如SiliconLabsSi446xEZRadioPROIC，支持從119MHz-1050MHz的頻率范圍，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)點之間實現(xiàn)跨越數(shù)公里的sub-GHz網(wǎng)絡(luò)，同時終節(jié)點采用單電池可運行十年以上。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)點放置在主電源無法連接的地方。