【導(dǎo)讀】Wi-Fi擅長(zhǎng)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；Bluetooth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(wú)線(xiàn)頻譜，但僅用于滿(mǎn)足低功耗無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的特殊需求，到底哪一種更適合物聯(lián)網(wǎng)呢？

 

據(jù)預(yù)測(cè)，到2020年將有大約500億個(gè)采用無(wú)線(xiàn)通信方式的裝置。據(jù)來(lái)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(hù)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(wú)線(xiàn)裝置互連的萬(wàn)維網(wǎng) - 物聯(lián)網(wǎng)(IoT)。

 

為了更好的服務(wù)最終用戶(hù)，公共事業(yè)公司和市政局開(kāi)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(zhǎng)的問(wèn)題。公共事業(yè)公司通過(guò)智能電表，能夠更頻繁和更有效的查看客戶(hù)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(wèn)題。消費(fèi)者也能通過(guò)互連來(lái)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(hù)需要添加洗滌劑。

 

Wi-Fi是基于2.4GHz頻段的通信技術(shù)，其擅長(zhǎng)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(guò)15-32個(gè)客戶(hù)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(wú)線(xiàn)頻譜，但僅用于滿(mǎn)足低功耗無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的特殊需求。

 

 

ZigBee基于全球標(biāo)準(zhǔn)，是一個(gè)開(kāi)放的無(wú)線(xiàn)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(jiàn)下圖中網(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(xiàn)，并存儲(chǔ)信息到本地路由表以便用于未來(lái)所需，如果一條路由線(xiàn)路失敗，節(jié)點(diǎn)能夠簡(jiǎn)單的選擇另一條替代路由線(xiàn)路。如果源和目的地之間的最短線(xiàn)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(zhǎng)但可用的路由線(xiàn)路。

 

例如，基于Silicon Labs EM35x Ember ZigBee SoC和EmberZNet PRO協(xié)議棧的無(wú)線(xiàn)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(kāi)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(kāi)發(fā)工具。通過(guò)圖形化界面，開(kāi)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(shì)，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(lái)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(wèn)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(kāi)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(wú)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(zhǎng)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(lái)說(shuō)過(guò)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。

 

 

無(wú)線(xiàn)傳播與頻率成反比，在低功耗、長(zhǎng)距離通信或穿墻能力上，sub-GHz射頻更有優(yōu)勢(shì)。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(wú)線(xiàn)應(yīng)用)?；?68MHz和915MHz的設(shè)計(jì)可用于美國(guó)和歐洲市場(chǎng)。有許多可用的無(wú)需授權(quán)或需要授權(quán)的頻段，對(duì)于系統(tǒng)集成商來(lái)說(shuō)，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)議棧可用于sub-GHz射頻，但許多廠商仍選擇專(zhuān)用解決方案來(lái)針對(duì)其特定需求。許多無(wú)線(xiàn)協(xié)議面臨著一個(gè)問(wèn)題，接口要不斷激活 “監(jiān)聽(tīng)”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(zhǎng)時(shí)間間隔，因此長(zhǎng)期平均能耗通常更低。在許多無(wú)線(xiàn)協(xié)議中，接收器不知道消息何時(shí)到來(lái)。因此不得不保持監(jiān)聽(tīng)以便不丟失任何數(shù)據(jù)，因此即使沒(méi)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(xiàn)，并在芯片內(nèi)集成天線(xiàn)分集邏輯算法。通過(guò)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(wú)法連接的地方。

 

通過(guò)本文對(duì)ZigBee/ Sub-GHz/Wi-Fi與藍(lán)牙幾種無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆绞椒治觯瑑?yōu)勢(shì)劣勢(shì)已經(jīng)一目了然，具體哪一種跟適合物聯(lián)網(wǎng)還需要綜合各種因素來(lái)考慮。