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标准化无线网络选择方案

发布时间:2020-07-21 18:15:31 阅读: 来源:餐椅厂家

2004年5月A版

任何传感器或传感器基系统的主要任务是采集信息,包括温度、流量、机器正常状态或其他测量参量。传感器数据产生是相当容易做到和很好理解的,但从传感器传输数据到监视或控制系统仍然是一个问题,这是由安装和维护通信网络成本的复杂性所致。特别是无线网络缺乏业界标准,使传感器集成过程变得复杂,限制了板基开发。所以,在传感器继续变成智能化的同时,往往不能把数据传输到远程系统。

大多数传感器是硬线连接到监视和控制系统,这是由于缺乏合适可靠、又经济的无线解决方案。无线标准(包括Wi-Fi,Bluetooth,ZigBee)比有线系统增加了灵活性,并降低了集成专利无线通信的风险。但是,很多对无线感兴趣的公司仍然不清楚采有哪种技术。无线通信安装容易和系统灵活已说了很长时间,但是所关心的成本和可靠性问题仍然消除不了。现在,每年采用Wi-Fi和Bluetooth的装置有几千万件,其成本大幅度下降。专门为远程监视和控制设计的第一个无线标准ZigBee可显著地改善无线网络的有效范围和可靠性。

选择有线还是无线?

有线通信协议,如ModBus、LonTalk或DeviceNet把传感器集成到目标环境中能良好地工作,并能提供高水平的可靠性和安全性。有线网络适合于需要时间苛刻或任务苛刻的数据和闭环控制。但是,在已有装置中建造自动化工程的布线和安装可能要花费高达80%的总系统成本。而且,一旦缆线安装好,要重新布线,其成本和时间都要花费不少。

选择专利还是标准化无线方案?

对于需要无线网络灵活性和能够允许新型信息潜在因素的传感器基系统来讲,用户可在专利和标准化方案之间选择。由于专利系统通常为应用定制的,所以,它们的优越性是在传输距离、很低的功耗和单件成本方面。然而,这种系统通常不比标准化更可靠,而且它们的专利性意味着不可能实现单件大批量和集聚标准化系统的业内投入。

专利无线系统的主要缺点是它们的复杂性、依赖于单位供应商的风险和相当高的成本。由于缺乏RF通信和传感器基网络的标准,导致市场分割,迫使用户不是依靠单供应商就是雇用高专业化的工程师。由于迫使大多数公司重作无线电网络软件方面的工作,所以,研究和发展资源被转向为一个品种传感器开发可靠RF通信平台的基本功能。随着在多种应用和多种行业中大量开发标准化无线产品,硅经济的“有效力的周期”(“virtuous cycle”)导致大批量驱使成本降低。

无线标准

一旦公司决定集成标准化无线通信到其产品中,仍然需要选择最合适的无线技术。现在,用户可从下列几种无线选择方案中进行选择:GPRS,Wi-Fi,Bluetooth,ZigBee(见表1和表2 )。

无线宽域网

蜂窝或寻呼基无线通信是最广泛采用标准化无线遥测技术格式的,所用技术包括CDPD、GPRS、CDMA/1XRTT和FLEX。卫星技术也用于遥测,特别用于远程环境。

尽管这些技术可提供可靠的宽域通信,但应用通常限制在单个节点,如油田井架或大型商业空调装置。无线宽域网的传感器基应用很好适合于远程设备监控和运输贵重物件的跟踪。

Wi-Fi

技术上称之为IEEE802.11的Wi-Fi技术近来市场上的成功使成本大幅度下降,这为用户把此技术运用在产品设计中提供了机会。现在Wi-Fi技术做为大多数新便携产品的标准特性,它对高数据应用(如大文件传输,email,web接入)是最佳的。IEEE802.11流行几个版本,包括“a”(在5.8GHz为54MBps)、“b”(在2.4GHz为11MBps)和“g”(在2.4GHz为22MBps)。这种复杂性为用户选择标准化无线平台增加了困难。

Wi-Fi规定协议的物理(PHY)层和媒体接入控制(MAC)层并依赖TCP/IP做为网络层。其优异带宽得到功耗大的代价,大多数便携Wi-Fi装置希望能常规重新充电。Wi-Fi 应用于膝上型计算机或PDA以及不需要大型网络支持的供电系统。Wi-Fi的传感器基应用包括供电、IP基视频监视和高分辨率传感器数据采集。

Bluetooth

Bluetooth官方称之为802.15.1,它正在被市场接受,并且成功应用于2.4GHz频段的一些传感器网络实验中。Bluetooth峰值吞吐量为720KBps,使其成为高数据应用中的可靠方案,特别适合大型网络、距离小于10米、不需要电池电源的场合。Bluetooth芯片组第3和第4代,主要针对蜂窝电话和PC外设,而结果是由于大批量导致价格显著下降。

Bluetooth规定集成协议栈,包括PHY、MAC、网络和应用层。它对语音和特定网络的支持有助于为协议栈提供它的250KB系统开销,它增加了系统成本和集成复杂性。另外Bluetooth的每“Piconet"(微微网)7个节点的网络限制,限制了它在大型传感器网络开发中的应用。Bluetooth应该在传感器应用中工作得很好,这包括病人监护和虚拟定向设备监视,它们都需要数据和视频。

ZigBee和IEEE802.15.4

基于IEEE802.15.4的ZigBee是一种低功率、低数据率无线网络标准,它是专为远程监视和控制应用而设计的。去年5月批准的IEEE805.15.4 是一种简单而又强大的分组数据协议,此协议通过确认、误差检查、优先通信、直接时序扩频、避免干扰的变频能力以及用户选择安全来提供高可靠性。IEEE802.15.4规定PHY和MAC层并定义3个无许可证频段(2.4GHz,915MHz,868MHz)。若2.4GHz频段对特殊应用不是最佳的,它为用户提供一个选择的频率。每个节点传输30~100米范围是可能的,通过采用功率放大器和多跳跃网形可扩大传输距离。也可以利用IEEE802.15.4硬件顶端的专利网络配置。

ZigBee规定IEEE802.15.4 PHY 和MAC层顶上的网络、安全和应用层并支持星、网络和簇树网络拓扑结构。在IEEE802.15.4标准支持每个物理网络255个节点时,ZigBee的64位网络地址支持扩展每个物理网络多达65000个节点以上。ZigBee工作良好的传感器基应用包括照明和HVAC(加热通风空调)控制系统、AMR和分表、工业数据采集和电池供电安全监控。

无线网络拓扑结构

用户除选择一个专门的无线技术外,也需要确定最适合于应用的网络拓扑结构。这是网络的逻辑形式,而且它决定网络中不同的节点如何彼此连接和它们如何通信。网络拓扑结构包括星、网络和桥结构。对于不同的应用,每种结构都有自身的强项。对于相当简单或低功率应用,星拓扑结构工作得很好。在星拓扑结构中,所有无线节点连接到网络协调和网关上。当物理干扰或强RF干扰单元通信时,通常的规定是去除受影响的节点。一旦采纳这些受影响的节点,对大多数传感器网络应用来讲这是不能接受的。

网格网络用一种分散、多跳跃结构,在这种结构中每个节点是与最接近的节点直接通信。这使得靠从一个节点到另一个节点的中继可提供一个扩展的搜索区域。如果由于任一种原因(包括强RF干扰)使一个单节点失效,则信息可以自动地沿一条或更多的另外通路进行通信。最佳的路由选择通常由任何两个节点间的被测信号强度和节点间传输信息所需的跳跃累积数确定。

路由算法可以是前激励或反应性的,这取决于应用要求。用前激励路由,其专门节点之间网络路由总是维持。这可加速数据传输,但对大型网络的管理可能变复杂。用反应路由,需要发现和更新网络路由,这基于网络现在的条件和源节点生成数据的要求。反应路由靠路由表的最小复杂化可简化网络开发,但可能导致信息等待时间,这对于近似的实时应用来讲是不实用的。一个典型的网格网络跳跃需50ms时间。网络拓扑可为设备监视和控制提供所需的工业高可靠性。

混合簇树配置组合网格和星拓扑结构对于低数据率应用(在节点上需要长电池寿命和网络高可靠性)往往是最佳方案。家庭或单层建筑中的传感器可连接成星拓扑结构到每层或每个家庭中电源供电的无线装置,然后再连接成网格拓扑结构。

结语

为专门应用选择最适合的网络技术是一个复杂的任务,一种技术不能适合所有的应用。然而,一旦清楚地确定了应用的通信要求和了解可选择的各种网络技术,通常就能容易地确定最适合的网络方案(表2),在此情况下,可采用混合方法,用低功率、短距离干网(ZigBee)为GPRS/GSM或Wi-Fi网络宽域通信聚集传感器数据,用户不再受限于布线安装,而且用经济和可靠的基于全球标准的产品使用户不再局限于专利无线方案。■(益林)

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