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深入了解低功耗无线传感器网络标准

据上海报道。易歌知道蓝牙、无线网络和紫蜂在无线通信领域占有一席之地。。然而,由于不同的原因,上述

据上海报道。易歌知道蓝牙、无线网络和紫蜂在无线通信领域占有一席之地。。然而,由于不同的原因,上述技术不适用于无线传感器网络应用。。用于传感和控制应用的无线产品和技......
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产品介绍

   据上海报道。 易歌知道蓝牙、无线网络和紫蜂在无线通信领域占有一席之地。。 然而,由于不同的原因,上述技术不适用于无线传感器网络应用。。 用于传感和控制应用的无线产品和技术正在迅速成为现实。 无线技术大规模普及只是时间问题,但标准化组织和技术供应商解决竞争方案和技术混乱的工作尚未完成。。 具体来说,许多程序和技术的应用范围模糊不清,导致混乱局面。。

   最终用户和系统开发人员迫切需要标准化,原因有多种,包括:符合全球监管要求、各供应商产品之间需要互操作性、第二种替代供应源的可用性、进行价格对价格谈判的能力以及与大量知识融合的可能性。。 但是还有其他人。 一些技术的开发成本如此之高,以至于必须大量生产才能收回成本并获得利润。。 如果实现大批量生产,全球市场的表现至关重要。。标准是实现全球认知的优秀载体,也是全球市场繁荣的助推器。

   无线传感器系统架构

   无线传感器系统的基本架构包括三层,如图1所示。1。底部是无线收发器。在发送端,它负责将数字信息转换成无线电磁信号,并通过发射机发送这些信号。 在接收端,它将接收到的电磁信号恢复为数字信号。在过去的无线技术中,发射机只发射,接收机只接收。现在,为了提高可靠性和性能,许多技术已经将发射和接收设备集成在一起。

  

   图1:无线传感器设备的基本架构。

   芯片制造商需要通过大批量销售获利,而大量芯片制造商需要涉足全球市场。如果全球技术市场要腾飞,历史证明标准至关重要。上述判断适用于无线网络(技术上称为IEEE 802。11 a/b/g/n/)和蓝牙(基于IEEE 802。 fifteen。1规范中定义的标准)适用。IEEE 802,由无线个人局域网工作组于2003年制定。fifteen。4 (a/b)标准主导的传感器网络也不例外。

   上述三种技术面向不同的应用。无线网络被认为是有线以太网PC2通信的替代技术,即基站位于中心、PC2位于中心附近的高数据速率网络(即星型网络结构)。为了在本地实现高数据速率,无线网络消耗大量的电能,通常需要笔记本电脑的电池供电。

   随着与基站的距离增加,数据速率将显著降低。蓝牙被认为是手机关注的焦点:它可以将手机与耳机、全球定位系统设备和笔记本电脑连接起来。1兆比特/秒的蓝牙数据速率足以传输音频,但至少比无线数据速率低一个数量级。

   另一方面,蓝牙功耗低,通常由手机电池供电。一般来说,蓝牙的通信距离比无线网络短。当然,这也反映了手机通常与耳机、笔记本电脑和全球定位系统一起使用的事实。

   传感器的应用有完全不同的要求,特别是在功耗方面:当使用环境能源如钮扣电池或太阳能电池和振动发电收集器时,传感器通常必须工作几年,而传感器使用的电池不能像笔记本电脑或移动电话电池那样充电。

   其他特定于传感器的要求由以下因素决定,例如可靠性、通信距离、单个网络中支持的最大节点数以及自动网络组织要求。然而,较低的数据速率通常可以满足传感器网络的要求,因为大多数传感器产生少量数据,并且通常不连续输出。

   对于无线传感器收发器,IEEE 802。fifteen。4规范可能是主要的,也可能是唯一的实用标准。该守则的第一版于2003年获得批准,并于2006年升级。目前,许多公司在这一领域提供收发器芯片。其中一些芯片仅实现了该标准的一小部分。其他芯片提供对某些应用有用的附加功能。例如,GreenPeak的GP-2000收发器具有许多低功耗特性,特别适合钮扣电池和低功耗应用。

   表1列出了IEEE 802。fifteen。4标准,并与蓝牙进行比较。有人试图将无线网络和蓝牙应用于传感器应用。在这两种情况下,蓝牙和无线网络都以非标准的方式使用,从而以迂回的方式实现了IEEE 802。fifteen。4 。基本原则。众所周知,IEEE 802。fifteen。4可以为无线传感器应用提供最佳方案。

   表1: ieee 802。fifteen。4蓝牙的标准和一些主要参数的比较。

   并非所有技术供应商都遵循IEEE 802。fifteen。4个标准。一些公司开发了自己的专用收发器,以降低复杂性和成本。然而,这些特殊计划能否实现足以真正降低成本的批量生产,还有待观察。此外,降低复杂性通常以牺牲性能为代价,从而限制了这些方案的使用范围。

   网络堆栈有两个职责。首先,它形成并维护网络。特别是,无线网络堆栈必须能够应对节点之间无线链路通信质量的频繁变化。例如,在建筑自动化的应用中,人们四处走动(我。e。站在两个节点之间的人)将对链路质量有很大影响。因此,网络堆栈必须考虑链路随时可能消失的情况,从而隔离一个节点甚至整个网络分支。

   图2:主要传感器网络堆栈标准示意图。

 佛山市荔宏机械设备制造  为了防止干扰,网络堆栈必须能够重新路由通信路径并建立新的连接,以便为网络的所有部分提供不间断的连接。网络堆栈的第二个功能是确保消息可靠而高效地从源节点发送到目标节点。高效意味着应该满足延迟要求,即消息的传输时间,并且应该避免消息路由中的瓶颈。

   无线传感器应用广泛,需求差异很大,因此通信技术应该具有一定的灵活性。单靠硬件无法提供这种灵活性。它需要一个可编程堆栈来减少前期投资,并使供应商能够以较低的产量获得可观的回报。目前,已经出现了一些标准网络栈,还有一些正在开发中,所有这些都是基于IEEE 802的。fifteen。4作为基础。

   ZigBee联盟的影响

   紫蜂联盟是一个独立的标准组织,得到许多技术供应商和原始设备制造商的支持。该组织最近的里程碑是在2007年底完成了两个网络堆栈规范:紫蜂和紫蜂专业版。从使用角度来看,紫蜂栈非常适合通常包含十到数百个设备的住宅“家庭”网络。紫蜂专业版是紫蜂的超集。它增加了一些功能来扩展网络和更好地处理来自其他技术的无线干扰。

   这些特性使得紫蜂专业版非常适合商业建筑等大规模应用。目前,该功能需要越来越多的程序存储空间,从而增加了成本,进一步限制了ZigBee PRO在许多消费市场的应用。然而,由于芯片成本的持续下降,我们预计紫蜂和紫蜂专业版之间的成本差异将很快变得微不足道。届时,许多应用将采用紫蜂专业版。

   ZigBee联盟没有明确排除工业应用。然而,一些大型工业自动化企业已经确认,他们需要一些额外的功能,这不属于紫蜂联盟考虑的重要问题。两个最重要的“工业”特征是确定的延迟和确定的可靠性。

   延迟是信息从源传播到目的地所需的时间。如果源是可编程逻辑控制器,目的地是机器,严格控制延迟时间非常重要。这就是为什么那些明确针对工业自动化的标准正在开发一种叫做“保证插槽”的IEEE 802。"。fifteen。4个特性,这个特性可以保证最坏情况下的信息延迟。目前,紫蜂不使用保证时隙功能。确定的可靠性指的是在两个无线节点之间提供有保证的通信信道的能力。

   可靠性的主要敌人是来自同一无线频带中其他用户的无线干扰。。我两点钟工作。4GHz频段的IEEE 802。fifteen。对于4个设备,主要干扰源是无线收发器。大多数干扰源不会完全阻塞IEEE 802。fifteen。4设备。

   然而,无论设备使用哪种网络堆栈,干扰都会导致无线数据丢失。为了减轻数据丢失的影响,工业设备采用的无线标准提供了一种允许数据丢失随时间均匀分布的机制,从而使传输更加可预测和可靠。

   ISA-100和无线HART

   ISA-100和无线HART是两个具有强大推动力的工业无线自动化标准。ISA-100由仪器、系统和自动化研究所开发,该研究所是一个致力于工业自动化的非营利技术组织。ISA-100将于2008-2009年发布标准规范。

   无线HART不是完整的工业传感器协议,而是HART工业(有线)总线标准的补充,该标准历史悠久,但非常受工业自动化的欢迎。本质上,无线HART是有线信息传输协议HART的替代方案。因为ISA-100和无线HART本质上解决了同一个问题,最近他们共同审查了这两个标准是否可以合并成一个。初始版本可能是不可互操作的,需要网络桥接(即。e。两个系统之间的转换器)。后续版本可以定义一种通用语言。

   工业标准的性能提升也可以转化为商业楼宇自动化领域的优势,但这通常不是主要优势。此外,这种改进也增加了高成本,从而限制了其在住宅和商业应用中的应用前景。表2列出了上述一些商业和工业标准的特征。

   表2:一些商业和工业标准的特性比较。

   私有无线技术

  

   除了标准的无线传感技术,一些公司有自己的特殊技术。特殊技术规范不一定是封闭的。这意味着一家公司控制着技术的方向,自然会导致垄断。专用标准通常设计用于满足单一或有限的应用。事实上,专业技术的发展速度比标准技术快得多,因为它不需要像标准技术这样的不同公司达成共识。

   对于某些特定的应用,专用技术可能比标准技术有优势。来自Zensys的Z-Wave和来自Cornis的Wavenis是两种最著名的无线传感器技术。Z-Wave位于住宅自动化领域,其最大支持237个节点就是一个例子。节点号足以满足家庭使用,但不能满足酒店和办公楼等大型商业组织的需求。尽管Wavenis也针对其他应用,但它主要应用于自动抄表系统。

   即使在标准范围内,也有许多技术差异化的机会。例如,IEEE 802与绿峰提供的兼容。fifteen。4个收发器和堆栈,增加了非常适合超低功耗应用的特性。该技术支持无线系统使用钮扣电池甚至环境能源(如太阳能电池、振动能量收集器或其他环境能量转换器)作为工作电源。

   绿峰还开发了低功耗路由(LPR)技术,这很可能在不久的将来成为标准。在LPR网络中,电池供电的设备可以从附近的设备接收信息,并通过较长的通信链路转发。当前标准只能为向主电源供电的设备提供此功能。这是因为这些标准要求设备在连续的监听状态,所以功耗相当高。与此不同的是,LPR网络中的设备并不总是工作。它增加了时间同步机制,可以唤醒所有设备并同时开始通信,从而降低功耗。

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