4项无线技术对比:谁更适合物联网领域?

简介:

据预测,到2020年将有大约500亿个采用无线通信方式的装置。据来自GSM联盟的数据,其中移动手持和个人计算机仅占1/4,其余的是采用非用户交互方式与其他机器通信的自主互连装置。当前我们的互联网正在快速发展成为无线装置互连的万维网 - 物联网(IoT)。

为了更好的服务最终用户,公共事业公司和市政局开始扩展智能计量系统,以解决实时数据不断增长的问题。公共事业公司通过智能电表,能够更频繁和更有效的查看客户的能源消耗信息,同时也能快速识别、隔离,以及解决电力失效等问题。消费者也能通过互连来获取相关信息。室内网络设备均能实时报告其状态和能耗,并且还能响应公共事业公司发出的信息。采用智能能源和智能家居系统,消费者将更加方便和高效,例如,在电费最低的时候控制激活洗碗机,或是适时提醒用户需要添加洗涤剂。

无线网络技术核心特性和能力

Wi-Fi是基于2.4GHz频段的通信技术,其擅长在两节点之间快速传输大量数据,但同时消耗能量高,并且在星型配置中,每个AP限制在不超过15-32个客户端。

Bluetooth是另一种2.4GHz技术,其针对便携式设备,主要作为点对点的解决方案,仅支持几个节点。

ZigBee与Bluetooth和Wi-Fi共享相同的无线频谱,但仅用于满足低功耗无线传感器节点的特殊需求。

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表1汇总目前的无线网络技术核心特性和能力

ZigBee:无线网状网络的优化解决方案

ZigBee基于全球标准,是一个开放的无线网状网络技术。与传统的网络架构不同,例如星型和点对点,网状网络采用最低成本节点为建筑物内的所有位置提供可靠覆盖(参见下图中网络拓扑结构选项对比)。ZigBee采用动态、自主的路由协议,基于AODV(Ad Hoc On-demand Distance Vector)的路由技术。在AODV中,当一个节点需要连接时,他将广播一条路由请求报文,其他节点在路由表中查找,如果有到达目标节点的路由,则向源节点反馈,源节点挑选一条可靠、跳数最小的路线,并存储信息到本地路由表以便用于未来所需,如果一条路由线路失败,节点能够简单的选择另一条替代路由线路。如果源和目的地之间的最短线路由于墙壁或多径干扰而被阻塞,ZigBee能够自适应的找到一条更长但可用的路由线路。


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网络拓扑结构比较

例如,基于Silicon Labs EM35x Ember ZigBee SoC和EmberZNet PRO协议栈的无线传感器网络,可提供自配置和自修复的网状网络连通性,能够扩展连接单一网络中的数百或数千节点。“ZigBee认证产品”的快速开发得益于Ember AppBuilder,其隐藏协议栈细节,聚焦ZAP(ZigBee Application Profiles)实现的开发工具。通过图形化界面,开发人员能够快速选择应用所需的属性,然后由AppBuilder自动生成所需代码。

为发挥ZigBee网络灵活性的最大优势,需要高效的调试工具。网状网络的复杂性使传统网络分析工具(例如Packet sniffer)使用起来更加困难。事实上,由于包可能穿越多跳到达目的地,许多中间传输超出分析仪的应用范围。对于这个问题,目前唯一的解决方案是采用Silicon Labs桌面网络分析仪(Desktop Network Analyzer),此款分析工具功能强大,能够在图形化界面内展示网络中每个包收发的全貌,并且内置协议分析和可视化跟踪引擎,开发人员可以协调网络通信和装置的任务。

在某些情况下,网状网络并不是合适的选择,因为节点密度太低,因此无法提供有效的故障转移支持。例如,公路或铁路网络拓扑结构需要沿着狭长路径宽间距部署节点。同样,校园的外部设施对于采用网状网络来说过于稀疏。在这些环境中,星型拓扑结构结合可跨越更远距离,因而更可靠,更合适。

Sub-GHz:长距离和低功耗通信的理想选择

无线传播与频率成反比,在低功耗、长距离通信或穿墙能力上,sub-GHz射频更有优势。对于许多应用,433MHz成为2.4GHz的全球替代品(但日本不允许其用于无线应用)。基于868MHz和915MHz的设计可用于美国和欧洲市场。有许多可用的无需授权或需要授权的频段,对于系统集成商来说,既可选择在某些特定区域进行性能优化,或者配合公共事业公司在广阔区域设计系统。在这种多样化中,与2.4GHz频段相比,sub-GHz频段频谱干扰更少。干扰较少的频段能提高网络的整体性能,减少传输中的重传次数。

第三方和基于标准的网络协议栈可用于sub-GHz射频,但许多厂商仍选择专用解决方案来针对其特定需求。许多无线协议面临着一个问题,接口要不断激活 “监听”网络中通信。数据发射比数据接收消耗更多的能量,但是发射是短暂的,并且有长时间间隔,因此长期平均能耗通常更低。在许多无线协议中,接收器不知道消息何时到来。因此不得不保持监听以便不丢失任何数据,因此即使没有消息,接收器也不能完全关闭能耗。这种情形将限制节点的电池自主权,需要对电池定期更换或充电。

Sub-GHz收发器,例如Silicon Labs Si446x EZRadioPRO IC,支持从119MHz-1050MHz的频率范围,最大146dB的链路预算,以及休眠模式下仅需50nA电流消耗。为了减轻多径衰落的影响,EZRadioPRO芯片支持双天线,并在芯片内集成天线分集逻辑算法。通过采用跳频和时钟同步技术相结合的方法,系统集成商能够在协调器和终节点之间实现跨越数公里的sub-GHz网络,同时终节点采用单电池可运行十年以上。由此系统集成商能够采用少量协调器即能可靠覆盖特定区域,并且把终节点放置在主电源无法连接的地方。

本文转自d1net(转载)

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