深入理解低功耗无线传感器网络标准

 蓝牙、Wi-Fi和ZigBee在无线通信领域都有一席之地。但基于不同原因，上述几种技术都不太适合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迅速变为现实。无线技术的大规模普及只是时间早晚的问题，但标准化组织和技术供应商在解决竞争方案和技术混乱等方面的工作尚未做到位。具体地讲，就是许多方案和技术对其适用范围语焉不详，从而造成了整个无序的局面。

最终用户和系统开发商有多种理由急需标准化，这些理由包括：符合全球管制的要求、各种供应商产品间互操作性的需要、有备用的第二个货源渠道、能进行货比三家式的砍价以及与大量知识接轨的可能等。但还有其他一些。一些技术的开发成本非常高，以至于必须通过大批量生产才能收回成本并盈利。若实现大批量，则全球市场的表现至关重要。标准是实现全球认知的一个极佳载体，是全球市场繁荣的助推剂。

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。最底层的是无线收发器。在发射端，它负责将数字信息转换为无线电磁信号并经发射器传送出去;在接收端，它将接收到的电磁信号恢复成数字信号。在以往的无线技术中，发射器只管发射，接收器也仅能接收。现在，为了提高可靠性和性能，许多技术已将发射和接收设备整合在一起。

图1：无线传感器设备的基本架构。

芯片厂商需要通过大批量销售来获得盈利，而大批量需要涉及到全球市场。要想让全球性技术市场腾飞，历史证明，标准至关重要。上述判断对Wi-Fi无线网络(技术上称为IEEE 802.11 a/b/g/n/)和蓝牙(基于IEEE 802.15.1规范中定义的标准)都适用。被无线个人局域工作组在2003年制定的IEEE 802.15.4 (a/b)标准统治的传感器网络也不例外。

上述三种技术定位于不同应用。Wi-Fi被认为是有线以太网PC通信的替代技术，即中心有个基站、PC就在中心附近的高数据速率网络(也即星型网络结构)。为了实现局部区域的高数据速率，Wi-Fi的功耗相当大，一般需要采用笔记本电脑的电池供电。

数据速率将随着与基站距离的增加而显著降低。蓝牙被认为与手机一起构成了众人注目的中心：它能把手机与耳机、GPS设备和笔记本电脑连在一起。1Mbps的蓝牙数据速率对传送音频是绰绰有余了，但它比Wi-Fi的数据速率起码低一个数量级。

但另一方面，蓝牙的功耗低，通常采用手机电池供电。一般来说，蓝牙的通信距离也比Wi-Fi短，当然，它也反映了手机一般就与耳机、笔记本电脑和GPS设备一起使用这个事实。

传感器应用有截然不同的需求，特别是在功耗方面：在采用钮扣电池或太阳能电池及振动发电采集器等环境能源的场合，传感器一般必须要工作发好几年，而传感器所用的电池无法象笔记本电脑或手机电池那样充电。

其他一些传感器特有的要求是由以下因素决定的，如可靠性、通信距离、在单一网络中所需支持的最大节点数以及自动网络组织需求等。不过较低的数据速率一般即可满足传感器网络要求，因为大多传感器产生的数据量并不大，而且一般并非连续输出。

对无线传感器收发器而言，IEEE 802.15.4规范可能是主要且可能唯一的实用标准。2003年批准了该规范的第一版，2006年进行了升级。目前有多家公司提供这方面的收发器芯片。其中一些芯片仅实现了该标准的很少部分。另一些芯片提供对某些应用来说有用的附加功能。例如，GreenPeak公司的GP-2000收发器就具有许多特别适用于钮扣电池和低电能应用的低功耗特性。

表1列举了IEEE 802.15.4标准的一些主要参数，并与蓝牙进行了比较。一直有人尝试着把Wi-Fi和蓝牙应用于传感器应用。在这两种场合，蓝牙和Wi-Fi都以非标准方式加以利用，从而过迂回实现了IEEE 802.15.4的基本原理。人们普遍承认，IEEE 802.15.4能为无线传感器应用提供最佳方案。

表1: IEEE 802.15.4标准及蓝牙的一些主要参数比较。

并非所有技术供应商都遵循IEEE 802.15.4标准。一些公司出于降低复杂性和成本的考虑，自己研制专用收发器。但这些专用方案是否能达到足以真正降低成本的批量尚待观察。另外，降低复杂性一般以牺牲性能为代价，因此限制了这些方案的使用范围。

网络堆栈

网络堆栈有两个职责。首先，它构成并维持该网络。特别是无线网络堆栈必须要能应对节点间的无线链接通信质量的频繁变化。例如，在建筑自动化应用中，走来走去的人(即一个人站在两个节点之间)会对链接质量带来很大影响。因此，网络堆栈必须考虑到链接随时都可能消失进而造成一个节点甚至整个网络分支被隔绝的情况。

图2：最主要的传感器网络堆栈标准示意图。

为防范干扰，网络堆栈必须能重新路由通信路径并建立新连接，以便为网络内所有部分提供不被打扰的连通性。网络堆栈的第二个职能是确保讯息可靠高效地从源节点发送到目标节点。高效意味着延时要求—消息的传输时间—应被满足，而且应避免在信息的路由行程中出现瓶颈。

无线传感器应用的范围很广，要求差异也很大，因此通信技术要有一定的灵活性。单靠硬件无法提供这种灵活性。它需要一个可编程堆栈，借此来减少前期投入并支持供应商以较低批量获得可观回报。目前，已出现了一些标准网络堆栈，另有一些在开发中，它们全都以IEEE 802.15.4为基础。

ZigBee联盟的影响

ZigBee联盟是由众多技术供应商和OEM支持的独立标准组织。该组织最近里程碑式的工作是2007年底完成了对两个网络堆栈规范的定稿，这两个网络栈是：ZigBee和ZigBee PRO。从使用角度看，ZigBee堆栈很适合一般包含十到几百个设备的住宅“家庭”网络。ZigBee PRO是ZigBee的超集，它增加了一些功能，可对网络进行扩展并更好地应对来自其他技术的无线干扰。

这些特性使ZigBee PRO很适合诸如商用建筑等大规模应用。目前来说，该功能需要越来越大的程序存储器空间，从而增加了成本，进而限制了ZigBee PRO在许多消费市场的应用。但归功于芯片成本的不断下降 ，我们预计，ZigBee和ZigBee PRO间的成本差异不久就会变得微不足道，届时，许多应用将采用ZigBee PRO。

ZigBee联盟并没明确要把工业应用排除在外。但若干大的工业自动化企业已经确认需要一些额外功能，而这些功能并不在ZigBee联盟考虑的要事之列。两个最主要的“工业”特性是确定的延时和确定的可靠性。

延时是信息从源到目的地所需时间。如果源是PLC、目的地是机器，则严谨地控制延时就很重要。这就是为什么明确以工业自动化为目标的那些标准在研发一种称为“保证时隙”的IEEE 802.15.4特性，这一特性可以确保最坏情况下的信息延时。目前，ZigBee并没有使用保证时隙功能。确定的可靠性指的是在两个无线节点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相同无线频段其他用户的无线干扰。就工作在2.4GHz频段的IEEE 802.15.4设备来说，最主要的干扰源是Wi-Fi收发器。大多数干扰源并不彻底阻断IEEE 802.15.4设备。

但无论设备采用哪种网络堆，干扰确实会造成无线数据的丢失。为缓解数据丢失造成的影响，工业设备采用的无线标准提供了一种允许数据丢失按时间均匀分布的机制，从而令传输更具预见性也更可靠。

ISA-100和无线HART

ISA-100和无线HART是两个具有强劲推动力的工业无线自动化标准。ISA-100是专注于工业自动化的非盈利技术机构—仪器仪表、系统与自动化协会(ISA)开发的。ISA-100将在2008-2009年度推出一个标准规范。

无线HART不是一个完整工业传感器协议，而是用于工业自动化的历史悠久但很流行的HART工业(有线)总线标准的补充。本质上，无线HART是有线信息传输协议HART的替代技术。因ISA-100和无线HART本质上解决的问题相同，最近，它们联合起来检讨两个标准是否能合二为一。最初版本很可能不具互操作性且需要网络桥接(即两个系统间的转换器)。后续版本或许定义一种公共语言。

工业标准的性能增强也能转换为商业建筑自动化领域中的优势，但一般不是主要的。而且这种改进也增加了不菲的成本，从而限制了其在住宅和商业应用方面的使用前景。表2列出了上述一些商业和工业标准的特性。

表2：部分商业和工业标准的特性比较。

专用无线技术

除标准无线传感器技术外，一些公司还有自己特有的专用技术。专用技术规范并非一定就是封闭的。它意味着一家公司控制了技术的方向，并将顺理成章地导致垄断。专用标准一般是为满足单一或有限应用而制定。实际上，专用技术的开发速度比标准技术快得多，因为它不必象标准技术那样要在不同公司间达成共识。

对一些特定应用来说，专用技术可能比标准技术更有优势。Zensys公司的Z-Wave和Cornis公司的Wavenis就是两种最著名的无线传感器专用技术。Z-Wave定位于住宅自动化，它最大支持237个节点就是例证。该节点数对家用而言是足够了，但无法满足诸如饭店和写字楼等大的商业机构的需求。Wavenis虽然也面向其他应用，但主要还是应用于自动抄表系统。

即使在标准范围内，也存在许多技术差异化机会。例如，GreenPeak公司提供的兼容IEEE 802.15.4的收发器和堆栈，它们增加了非常适合超低功耗应用的功能特性。该技术支持无线系统以钮扣电池甚至环境能源(如太阳能电池、振动发电采集器或其他环境能源转换器)为工作电源。

GreenPeak还开发出了低功耗路由(LPR)技术，该技术有可能在不远的将来成为标准。在LPR网络内，电池供电设备可接收来自附近设备的信息并将其沿更长通信链路转发下去。目前的标准仅能在向主电源供电的设备提供这种功能。这是因为这些标准要求设备处在连续监听状态，因此功耗相当高。与此不同，LPR网络内的设备并不一直工作，它增加了一种时间同步机制，该机制可以把各个设备同时唤醒并启动通信，从而降低了功耗。