激發(fā)低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的“大數(shù)據(jù)”潛能

　　據(jù)預(yù)測，到2020年將有大約500億個(gè)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(dòng)手持和個(gè)人計(jì)算機(jī)僅占1/4，其余的是采用非用戶交互方式與其他機(jī)器通信的自主互連裝置。當(dāng)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)。

　　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(shù)的解決方案。每種解決方案都有優(yōu)缺點(diǎn)，在這個(gè)互連的世界里，以上無線技術(shù)將會(huì)共存(如圖1所示)。然而，物聯(lián)網(wǎng)的重要驅(qū)動(dòng)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(dòng)化，傳感器越來越廣泛的用于各類應(yīng)用中。對(duì)于無線傳感器來說，可擴(kuò)展性、范圍、休眠電流和可靠性等屬性至關(guān)重要。雖然某些終端節(jié)點(diǎn)所需數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)較低，但是大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)報(bào)告匯聚意味著“大數(shù)據(jù)(big data)”。

　　圖1 物聯(lián)網(wǎng)中多種無線技術(shù)共存

　　為了更好的服務(wù)最終用戶，公共事業(yè)公司和市政局開始擴(kuò)展智能計(jì)量系統(tǒng)，以解決實(shí)時(shí)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(shí)也能快速識(shí)別、隔離，以及解決電力失效等問題。消費(fèi)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(shí)時(shí)報(bào)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(fèi)者將更加方便和高效，例如，在電費(fèi)最低的時(shí)候控制激活洗碗機(jī)，或是適時(shí)提醒用戶需要添加洗滌劑。

　　同樣的，在鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中，無線傳感器能可用于遠(yuǎn)程監(jiān)視廣闊的軌道網(wǎng)絡(luò)，技術(shù)人員能提前識(shí)別維護(hù)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(luò)的核心需求

　　可擴(kuò)展性對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境至關(guān)重要。某些傳感器僅每秒進(jìn)行一次狀態(tài)更新，并且每次僅傳輸幾個(gè)字節(jié)信息，但單個(gè)建筑物可能有數(shù)萬個(gè)節(jié)點(diǎn)。舉個(gè)例子，美國拉斯維加斯的Aria酒店，部署7萬多個(gè)采用ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通信的節(jié)點(diǎn)，以便控制照明、空調(diào)和建筑物周圍的許多其他服務(wù)。在多數(shù)應(yīng)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(luò)架構(gòu)要求有能力處理大量匯聚的數(shù)據(jù)，但傳感器節(jié)點(diǎn)自身必須低功耗。

　　可靠性、可擴(kuò)展性和電源效率的組合，明確界定無線傳感器節(jié)點(diǎn)能夠采用的通信技術(shù)需求。系統(tǒng)集成商不僅要考慮所選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和無線協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)，也要考慮無線技術(shù)本身固有的物理屬性?；炷翂投鄰剿ヂ鋵?duì)于任何無線系統(tǒng)來說都是不利的，但也有辦法減輕影響。為了解決這個(gè)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(quán)的全球頻段，因此無線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠服務(wù)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(shù)，其擅長在兩節(jié)點(diǎn)之間快速傳輸大量數(shù)據(jù)，但同時(shí)消耗能量高，并且在星型配置中，每個(gè)AP限制在不超過15-32個(gè)客戶端。Bluetooth是另一種2.4GHz技術(shù)，其針對(duì)便攜式設(shè)備，主要作為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的解決方案，僅支持幾個(gè)節(jié)點(diǎn)。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(diǎn)的特殊需求。表1匯總目前的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)核心特性和能力。

　　表1 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的比較

　　ZigBee：無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化解決方案

　　ZigBee基于全球標(biāo)準(zhǔn)，是一個(gè)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)采用最低成本節(jié)點(diǎn)為建筑物內(nèi)的所有位置提供可靠覆蓋(參見圖2中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選項(xiàng)對(duì)比)。ZigBee采用動(dòng)態(tài)、自主的路由協(xié)議，基于AODV(Ad Hoc On-demand Distance Vector)的路由技術(shù)。在AODV中，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要連接時(shí)，他將廣播一條路由請(qǐng)求報(bào)文，其他節(jié)點(diǎn)在路由表中查找，如果有到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由，則向源節(jié)點(diǎn)反饋，源節(jié)點(diǎn)挑選一條可靠、跳數(shù)最小的路線，并存儲(chǔ)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(diǎn)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(yīng)的找到一條更長但可用的路由線路。

　　圖2 - 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較

　　例如，基于Silicon Labs EM35x Ember ZigBee SoC和EmberZNet PRO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(kuò)展連接單一網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)百或數(shù)千節(jié)點(diǎn)。“ZigBee認(rèn)證產(chǎn)品”的快速開發(fā)得益于Ember AppBuilder，其隱藏協(xié)議棧細(xì)節(jié)，聚焦ZAP(ZigBee Application Profiles)實(shí)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(dòng)生成所需代碼。

　　為發(fā)揮ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(luò)的復(fù)雜性使傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析工具(例如Packet sniffer)使用起來更加困難。事實(shí)上，由于包可能穿越多跳到達(dá)目的地，許多中間傳輸超出分析儀的應(yīng)用范圍。對(duì)于這個(gè)問題，目前唯一的解決方案是采用Silicon Labs桌面網(wǎng)絡(luò)分析儀(Desktop Network Analyzer)，此款分析工具功能強(qiáng)大，能夠在圖形化界面內(nèi)展示網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)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?yàn)楣?jié)點(diǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要沿著狹長路徑寬間距部署節(jié)點(diǎn)。同樣，校園的外部設(shè)施對(duì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合可跨越更遠(yuǎn)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(duì)于許多應(yīng)用，433MHz成為2.4GHz的全球替代品(但日本不允許其用于無線應(yīng)用)?；?68MHz和915MHz的設(shè)計(jì)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(duì)于系統(tǒng)集成商來說，既可選擇在某些特定區(qū)域進(jìn)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?？捎糜趕ub-GHz射頻，但許多廠商仍選擇專用解決方案來針對(duì)其特定需求。許多無線協(xié)議面臨著一個(gè)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(shí)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(shí)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(diǎn)的電池自主權(quán)，需要對(duì)電池定期更換或充電。

　　Sub-GHz收發(fā)器，例如Silicon Labs Si446x EZRadioPRO IC，支持從119MHz-1050MHz的頻率范圍，最大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(shí)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(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)跨越數(shù)公里的sub-GHz網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)終節(jié)點(diǎn)采用單電池可運(yùn)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(diǎn)放置在主電源無法連接的地方。

　　無線共存和云

　　在無線網(wǎng)絡(luò)世界中，沒有一種“萬能”的解決方案。在大規(guī)模、低功耗網(wǎng)絡(luò)中，不能僅選擇無線網(wǎng)絡(luò)中的某一種形式。Sub-GHz和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)可以很好的共存，因?yàn)樗麄儾捎貌煌臒o線電頻譜，并且具有獨(dú)特的屬性。例如，在校園中，2.4GHz ZigBee適用于室內(nèi)自動(dòng)化系統(tǒng)，而sub-GHz用于戶外燈控?？煽坑行У氖占瘮?shù)據(jù)能力當(dāng)然是最重要的，但是為了真正激發(fā)網(wǎng)絡(luò)潛能，實(shí)現(xiàn)所有實(shí)時(shí)信息的數(shù)據(jù)分析、可視化，以及對(duì)移動(dòng)服務(wù)的訪問，則需要連接到云。

　　大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)通常利用回程系統(tǒng)，把每個(gè)子網(wǎng)中收集的信息轉(zhuǎn)換成當(dāng)前大多數(shù)世界信息的中間媒介 - 互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)。在每個(gè)收集點(diǎn)，把接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適合在標(biāo)準(zhǔn)IP幀中傳輸?shù)母袷?。大多?shù)情況下，使用在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議頭將剝離并進(jìn)行包分析。然后，回程系統(tǒng)能夠把含有源和目的信息的原始數(shù)據(jù)裝配成IP包，而無需維護(hù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)開銷。接下來，IP包采用與其他互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)包一樣的方式進(jìn)行路由，從而服務(wù)提供商可通過云的服務(wù)，來分析和可視化信息，并且消費(fèi)者也可以通過平板電腦、筆記本或手機(jī)來管理和操作數(shù)據(jù)。

　　這是令人激動(dòng)的時(shí)代!無線技術(shù)和低功耗操作的發(fā)展帶給我們諸多便捷，我們可以測量、監(jiān)視和控制我們的環(huán)境，而以前是無法想象的?，F(xiàn)實(shí)中無線技術(shù)的使用多種多樣，污水管理和森林火災(zāi)探測一類的應(yīng)用可能仍然處于起步階段，而智能電表、安全和樓宇自動(dòng)化等應(yīng)用已經(jīng)為商家和消費(fèi)者帶來效率和便利性。由于不同的技術(shù)各有優(yōu)勢，ZigBee協(xié)議和sub-GHz RF系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)高可擴(kuò)展和可靠性的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供理想的解決方案。發(fā)展正在加速，而我們看到的物聯(lián)網(wǎng)才剛剛開始。