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深刻明确低功耗无线传感器群集尺度

宣布时间:2015年05月22日 19:05    宣布者:eaoogle_WSN
要害词: 低功耗 , 无线传感器群集尺度 , 无线传感器群集 , 传感器
据上海.羿歌所熟悉,蓝牙、Wi-Fi和ZigBee在无线通讯领域都有一席之地。但基于不合启事,上述几种手艺都不太合适无线传感器群集应用。用于传感和控制应用的无线产物和手艺正迅速酿成现实。无线手艺的年夜规模普及只是时间日夕的效果,但尺度化组织和手艺供应商在处置赏罚赏罚竞争妄图和手艺重大等方面的使命还没有做到位。详细地讲,就是许多妄图和手艺对着适用规模语焉不详,从而组成了所有没有序的时势。

事适用户和系统开发商有多种理由急需尺度化,这些理由网罗:切合全球管制的请求、种种供应商产物间互操作性的须要、有备用的第二个货源渠道、能阻拦货比三家式的砍价和与年夜量知识接轨的能够等。但尚有其他一些。一些手艺的开发资源异常高,以致于必须经由历程年夜批量临盆才干收回资源并盈利。若完成年夜批量,则全球市场的体现相当主要。尺度是完玉成球认知的一个极佳载体,是全球市场贫贱的助推剂。


无线传感器系统架构


无线传感器系统的基本架构网罗三层,如图1所示。最底层的是无线收发器。在发射端,它担负将数字信息转换为无线电磁旌旗暗记并经发射器传送出去;在吸收端,它将吸收到的电磁旌旗暗记恢复成数字旌旗暗记。在以往的无线手艺中,发射器虽然发射,吸收器也仅能吸收。现在,为了前进可靠性和性能,许多手艺已将发射和吸收装备整合在一起。

图1:无线传感器装备的基本架构。

芯片厂商须要经由历程年夜批量发卖来取得盈利,而年夜批量须要触及到全球市场。要想让全球性手艺市场腾飞,历史证实,尺度相当主要。上述断定对Wi-Fi无线群集(手艺上称为IEEE 802.11 a/b/g/n/)和蓝牙(基于IEEE 802.15.1尺度中界说的尺度)都适用。被无线小我局域使命组在2003年制订的IEEE 802.15.4 (a/b)尺度统治的传感器群集也不破例。


上述三种手艺定位于不合应用。Wi-Fi被以为是有线以太网PC通讯的替换手艺,即中央有个基站、PC就在中央相近的高数据速率群集(也即星型群集结构)。为了完成部门区域的高数据速率,Wi-Fi的功耗相昔时夜,浅易须要接纳据记本电脑的电池供电。


数据速率将随着与基站距离的增添而显着降低。蓝牙被以为与手机一起组成了众人注目的中央:它能把手机与耳机、GPS装备和条记本电脑连在一起。1Mbps的蓝牙数据速率对传送音频是绰绰缺乏了,但它比Wi-Fi的数据速率最少低一个数目级。


但此外一方面,蓝牙的功耗低,通常接纳手电机池供电。浅易来讲,蓝牙的通讯距离也比Wi-Fi短,虽然,它也反映了手机浅易就与耳机、条记本电脑和GPS装备一起应用这个现实。


传感器应用有截然不合的需求,特殊是在功耗方面:在接纳纽扣电池或太阳能电池及振动发电搜集器等情形动力的场所,传感器浅易必须要使命发好几年,而传感器所用的电池没法象条记本电脑或手电机池那样充电。


其他一些传感器独占的请求是由以下因素决议的,如可靠性、通讯距离、在单一群集中所需支持的最年夜节点数和自动群集组织需求等。不外较低的数据速率浅易便可知足传感器群集请求,由于年夜多传感器发生的数据量着实不年夜,而且浅易着实不是一连输入。


对无线传感器收发器而言,IEEE 802.15.4尺度能够是主要且能够唯一的适用尺度。2003年赞成了该尺度的初版,2006年阻拦了升级。现在有多家公司供应这方面的收发器芯片。其中一些芯片仅完成了该尺度的很少部门。此外一些芯片供应对某些应用来讲有用的附加功效。例如,GreenPeak公司的GP-2000收发器就具有许多特殊适用于纽扣电池和低电能应用的低功耗特点。


表1枚举了IEEE 802.15.4尺度的一些主要参数,并与蓝牙阻拦了较量。一直有人考试考试着把Wi-Fi和蓝牙应用于传感器应用。在这两种场所,蓝牙和Wi-Fi都以非尺度要领加以应用,从而过迂回完成了IEEE 802.15.4的基泉源基础理。人们普遍认可,IEEE 802.15.4能为无线传感器应用供应最好妄图。

表1: IEEE 802.15.4尺度及蓝牙的一些主要参数较量。


着实不是所有手艺供应商都遵守IEEE 802.15.4尺度。一些公司出于降低严重年夜性和资源的推敲,自己研制公用收发器。但这些公用妄图能否能到达足以真正降低资源的批量尚待不雅不雅察。另外,降低严重年夜性浅易以殉国性能为价值,是以限制了这些妄图的应用规模。


群集客栈


群集客栈有两个职责。首先,它组成并保持该群集。特殊是无线群集客栈必须要能应对节点间的无线链接通讯质量的频仍变换。例如,在修建自动化应用中,走来走去的人(即一小我站在两个节点之间)会对链接质量带来很年夜影响。是以,群集客栈必须推敲到链接随时都能够消掉落进而组成一个节点以致所有群集分支被阻遏的情形。

图2:最主要的传感器群集客栈尺度体现图。

为预防滋扰,群集客栈必须能重新路由通讯蹊径并培植新毗连,以便为群集内所有部门供应不被打扰的连通性。群集客栈的第二个天性性能是确保讯息可靠高效地从源节点发送到目的节点。高效意味着延时请求—新闻的传输时间—应被知足,而且应防止在信息的路由行程中泛起瓶颈。



无线传感器应用的规模很广,请求差异也很年夜,是以通讯手艺要有一定的无邪性。单靠硬件没法供应这类无邪性。它须要一个可编程客栈,借此来增添前期投入并支持供应商以较低批量取得可不雅不雅酬金。现在,已泛起了一些尺度群集客栈,尚有一些在开发中,它们全都以IEEE 802.15.4为基础。

ZigBee同盟的影响


ZigBee同盟是由浩荡手艺供应商和OEM支持的自力尺度组织。该组织比来里程碑式的使命是2007岁尾完成了对两个群集客栈尺度的定稿,这两个群集栈是:ZigBee和ZigBee PRO。从应用角度看,ZigBee客栈很合适浅易网罗十到几百个装备的室庐“家庭”群集。ZigBee PRO是ZigBee的超集,它增添了一些功效,可对群集阻拦扩年夜并更好地应对来自其他手艺的无线滋扰。


这些特点使ZigBee PRO很合适诸如商用修建等年夜规模应用。现在来讲,该功效须要愈来愈年夜的法式模范模范存储器空间,从而增添了资源,进而限制了ZigBee PRO在许多破费市场的应用。但归功于芯片资源的赓续降低 ,我们预计,ZigBee和ZigBee PRO间的资源差异不久就会变得眇乎小哉,届时,许多应用将接纳ZigBee PRO。


ZigBee同盟并没明确要把工业应用扫除在外。但若是是干年夜的工业自动化企业曾经确认须要一些特殊功效,而这些功效着实不在ZigBee同盟推敲的要事之列。两个最主要的“工业”特点是一定的延时和一定的可靠性。


延时是信息从源到目的地所需时间。假定源是PLC、目的地是机械,则严谨地控制延时就很主要。这就是为甚么明确以工业自动化为目的的那些尺度在研发一种称为“保证时隙”的IEEE 802.15.4特点,这一特点可以确保最坏情形下的信息延时。现在,ZigBee并没有应用保证时隙功效。一定的可靠性指的是在两个无线节点间供应有保证的通讯信道的才干。


可靠性的主要对头是来自类似无线频段其他用户的无线滋扰。就职务在2.4GHz频段的IEEE 802.15.4装备来讲,最主要的滋扰源是Wi-Fi收发器。年夜多数滋扰源着实不完全阻断IEEE 802.15.4装备。


但岂论装备接纳哪一种群集堆,滋扰确切会组成无线数据的损掉落。为减缓数据损掉落组成的影响,工业装备接纳的无线尺度供应了一种允许数据损掉落准时间匀称漫衍的机制,从而令传输更具预理性也更可靠。


ISA-100和无线HART


ISA-100和无线HART是两个具有微弱推动力的工业无线自动化尺度。ISA-100是专注于工业自动化的非盈利手艺机构—仪器仪表、系统与自动化协会(ISA)开发的。ISA-100将在2008-2009年度推出一个尺度尺度。


无线HART不是一个完全工业传感器协定,而是用于工业自动化的历史悠长但很盛行的HART工业(有线)总线尺度的填补。本质上,无线HART是有线信息传输协定HART的替换手艺。因ISA-100和无线HART本质上处置赏罚赏罚的效果类似,比来,它们联络起来检查两个尺度能否能合二为一。最初版本很能够不具互操作性且须要群集桥接(即两个系统间的转换器)。后续版本或许界说一种公共语言。


工业尺度的性能增强也能转换为商业修建自动化领域中的优势,但浅易不是主要的。而且这类刷新也增添了不菲的资源,从而限制了其在室庐和商业应用方面的应用远景。表2列出了上述一些商业和工业尺度的特点。


表2:部门商业和工业尺度的特点较量。


公用无线手艺


除尺度无线传感器手艺外,一些公司尚有自己独占的公用手艺。公用手艺尺度着实不是一定就是关闭的。它意味着一家公司控制了手艺的偏向,并将瓜熟蒂落地招致垄断。公用尺度浅易是为知足单一或无限应用而制订。现实上,公用手艺的开发速率比尺度手艺快许多,由于它不用象尺度手艺那样要在不合公司间杀青共识。


对一些特定应用来讲,公用手艺能够比尺度手艺更有优势。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公用手艺。Z-Wave定位于室庐自动化,它最年夜支持237个节点就是例证。该节点数对家用而言是足够了,但没法知足诸如饭铺和写字楼等年夜的商业机构的需求。Wavenis虽然也面向其他应用,但主要照样应用于自动抄表系统。


纵然在尺度规模内,也存在许多手艺差异化时机。例如,GreenPeak公司供应的兼容IEEE 802.15.4的收发器和客栈,它们增添了异常合适超低功耗应用的功效特点。该手艺支持无线系统以纽扣电池以致情形动力(如太阳能电池、振动发电搜集器或其他情形动力转换器)为使命电源。


GreenPeak还开发出了低功耗路由(LPR)手艺,该手艺有能够在不远的未来成为尺度。在LPR群集内,电池供电装备可吸收来自相近装备的信息并将其沿更长通讯链路转发下去。现在的尺度仅能在向主电源供电的装备供应这类功效。这是由于这些尺度请求装备处在一连监听状态,是以功耗相当高。与此不合,LPR群集内的装备着实纷歧向使命,它增添了一种时间同步机制,该机制可以把各个装备同时叫醒并启动通讯,从而降低了功耗。



作者:Niek Van Dierdonck

战略与产物治理副总裁

Greenpeak公司


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yezhutoutou 揭晓于 2015-6-16 06:37:49
好文章
yuhuikeji 揭晓于 2015-12-23 19:02:05
谢谢分享!!!!!!!
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