耳目無所不在：嵌入式設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

　　鑒于人工設(shè)備管理是一項(xiàng)勞動密集型的工作，嵌入式網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍正隨著成本的降低而不斷擴(kuò)大。正如控制系統(tǒng)（例如照明控制系統(tǒng)）那樣，工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)是這一技術(shù)的基礎(chǔ)。新型應(yīng)用系統(tǒng)包括利用移動端點(diǎn)跟蹤并監(jiān)視一個組件的供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)、利用傳感器從人體采集信號并將該信號發(fā)送給監(jiān)控站的遠(yuǎn)程健康監(jiān)控系統(tǒng)，以及使用傳感器快速地保護(hù)某個場所的安全系統(tǒng)。
　　許多公司正指望用無線技術(shù)將嵌入式設(shè)備連接起來，從而避免安裝電纜和電源線的高額費(fèi)用。諸如溫度傳感器等設(shè)備每分鐘可能只發(fā)送幾個字節(jié)的數(shù)據(jù)。對于這種設(shè)備來說，諸如 802.11、藍(lán)牙和 Zigbee 這些著名標(biāo)準(zhǔn)的成本太高，協(xié)議過于復(fù)雜，功耗也太大。你既不可能利用 X10 變焦技術(shù)可靠地監(jiān)控一個工廠，也不可能經(jīng)濟(jì)實(shí)惠地為一電燈配備 TCP/IP 協(xié)議棧。大量嵌入式網(wǎng)絡(luò)需要的是一條低成本的窄帶寬無線鏈路。
　　設(shè)計一個實(shí)用的無線網(wǎng)絡(luò)，需要了解涉及低成本連接的各種折衷方法。最主要的驅(qū)動因素是電源，如果仍然必須為一個無線電裝置供電，則即使不采用數(shù)據(jù)電纜也節(jié)省不了很多錢。但是，你不希望用手動收集數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)去換取手工更換電池的麻煩。為了獲得較長的電池壽命——亦即連續(xù)使用幾年，你必須權(quán)衡帶寬、等待時間、距離、布局復(fù)雜性、安全性和通用性等多種因素。
　　基本原理
　　一個嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)有多個組成部分。端點(diǎn)是需要連接的實(shí)際設(shè)備。AP（接入點(diǎn)）或網(wǎng)關(guān)將多個端點(diǎn)連接在一起，而且常常橋接到一個有線網(wǎng)絡(luò)。轉(zhuǎn)發(fā)器或路由器將遙遠(yuǎn)的端點(diǎn)與有效范圍以外的 AP連接起來，并為網(wǎng)絡(luò)配置提供冗余路由。如果這些 AP 本身是無線的（考慮到在工廠地面鋪設(shè)數(shù)據(jù)電纜到各個點(diǎn)的成本），則可以采用一個第二層、帶寬更寬的網(wǎng)絡(luò)作為骨干網(wǎng)（圖 1）。也可以用無線或總線方式將數(shù)據(jù)在本地集中起來，然后再送到無線骨干網(wǎng)上。

圖1，一個星型網(wǎng)絡(luò)(a)使用 Ap（接入點(diǎn)）來把多個端點(diǎn)連接起來。每個 AP 也有一個連接到有線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)。處于兩個 AP 覆蓋范圍內(nèi)的端點(diǎn)必須只向一個AP注冊。在一個網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)(b) 中，每個端點(diǎn)可以作為一個轉(zhuǎn)發(fā)器，為距離遠(yuǎn)得無法連接網(wǎng)關(guān)的端點(diǎn)服務(wù)。網(wǎng)格都有冗余能力：來自端點(diǎn) 1 的數(shù)據(jù)可通過端點(diǎn) 2 到達(dá)網(wǎng)關(guān)，也可通過端點(diǎn) 3 和 4 到達(dá)網(wǎng)關(guān)。一種兩層方法(c)可通過使用諸如 802.11 這樣的帶寬較寬的技術(shù)作為與網(wǎng)關(guān)連接的干線，把多個接入點(diǎn)連接起來。

　　市場上有多種射頻裝置可供選用。可以用 1 美元的低價購買 Atmel 公司只發(fā)送的 RF裝置，或者花 2 美元購買有效范圍為 130 英尺、最大數(shù)據(jù)傳輸速率為 10kbps 的收發(fā)器。Cypress 公司的 WirelessUSB 具有 62.5～235 kbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率和 50 米的最大傳輸距離，售價為 2 美元。花不到 10 美元，你就可以買到 Xemics 公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)速率高達(dá) 152kbps、傳輸距離達(dá)到幾公里的插入式模塊， 或者 Millennial Net 公司生產(chǎn)的自配置 i-Bean 模塊，該模塊的傳輸距離為 100 米的 LOS（視距），數(shù)據(jù)速率為115kbps，而且功耗很低。還有帶寬更寬的射頻裝置，例如 Cirronet 公司的 WIT2410模塊，其數(shù)據(jù)速率為460.8 kbps，輸出功率有10mW 和100 mW 兩檔可供選擇，售價低于 200 美元。AP 的價格從遠(yuǎn)低于 100 美元至超過 1000 美元不等，視網(wǎng)絡(luò)的健全性和需要部署的功能而定。
　　鏈路可以是集成的 RF 芯片或完整的模塊。模塊一般具有比 RF 無線電裝置多得多的功能，例如 ADC、數(shù)字 I/O、PWM 發(fā)生器、存儲器或者附加的處理器。一開始你可能希望用模塊翻新現(xiàn)有設(shè)備。但模塊通常比自己制作的設(shè)備要昂貴，因?yàn)樗鼈儙в熊浖拖鄳?yīng)的 AP。要考慮有時候?yàn)楣?jié)省成本而集成模塊的難度：如果你無法用自動裝配系統(tǒng)將模塊焊接到主板上，那就得在自己的裝配線上手工進(jìn)行勞動量大的翻新。
　　不同端點(diǎn)具有不同的連接需求。周期性地監(jiān)控多臺設(shè)備可提供連貫的數(shù)據(jù)流。但是，在沒有爭用和干擾的情況下，10 臺以 5kbps 速率傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備就需要 50kbps 帶寬。為了防止出現(xiàn)爭用，AP 可以使用 TDMA 模式，以便有效地將帶寬分配給每個端點(diǎn)。這種方法對于可預(yù)測的信息傳輸很有用，但是對于突發(fā)傳輸則沒什么作用。雖然它們不需要傳輸補(bǔ)償和沖突機(jī)制，但是未用的時隙卻浪費(fèi)了帶寬。TDMA 對一個 AP 能支持的端點(diǎn)數(shù)有嚴(yán)格的限制；當(dāng)增加更多端點(diǎn)時，特別是在支持移動端點(diǎn)時，就會減小每臺設(shè)備的帶寬。如果打算達(dá)到帶寬的極限，則你就會希望有一種適當(dāng)?shù)?QoS（服務(wù)質(zhì)量）機(jī)制。舉例來說，在試圖使用信道之前，較低優(yōu)先級的設(shè)備可能要比較高優(yōu)先級的設(shè)備等待更長的時間，從而對較高優(yōu)先級設(shè)備有利。
　　但是，連貫的傳輸使電池壽命縮短得最快。為了減少傳輸，你可以采用一種輪詢機(jī)制，亦即各端點(diǎn)只在AP 要求其傳輸時才傳輸數(shù)據(jù)。輪詢機(jī)制可減少端點(diǎn)爭用信道，從而提高帶寬使用率，但卻會增加兩次傳輸之間的等待時間，進(jìn)而限制響應(yīng)時間。輪詢還需要一種存儲轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，亦即一個端點(diǎn)要存儲周期性的數(shù)據(jù)，直到它有機(jī)會發(fā)送為止。
　　存儲轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制最適合于有可能短暫離開網(wǎng)絡(luò)的移動端點(diǎn)；你可以在組件還在工廠里的時候?qū)λM(jìn)行跟蹤，保存運(yùn)輸過程中的溫度數(shù)據(jù)，并在組件到達(dá)目的地時恢復(fù)這些數(shù)據(jù)。網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常在有些端點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)其他端點(diǎn)的數(shù)據(jù)的場合使用存儲轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，或者在QOS 有效時緩存數(shù)據(jù)（見附文《網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)》）。
　　有一種事件驅(qū)動機(jī)制能使端點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自身的智能管理。舉例來說，當(dāng)其為高爾夫球場澆水時，你只需要知道濕度和溫度。這種機(jī)制只傳輸必需的信息，就可節(jié)約電能和帶寬。但是，它要求使用一種具有更多智能的端點(diǎn)。此外，你還需要一種“心跳”機(jī)制，務(wù)必使傳感器保持工作狀態(tài)。
　　如果網(wǎng)絡(luò)可以包含多種類型的端點(diǎn)，則一個能支持這些機(jī)制混合的協(xié)議就可以最有效地利用帶寬并節(jié)省電能。例如，你可以為事件驅(qū)動的傳輸或者突發(fā)傳輸保留幾個 TDMA 時隙，從而用同一個 AP 同時支持輪詢端點(diǎn)和事件驅(qū)動端點(diǎn)。