短程无线自组网协议栈之:意义和价值是什么?

简介: 近几年随着智能手机和智能硬件的快速发展,人们已经意识到未来的设备除了电源之外,整个通讯和链接将会是无线化的,这些设备的形状不一样,功能不一样,电源供电方式不一样,接收或者控制的对象也不一样,传输的内容更是千差万别。

近几年随着智能手机和智能硬件的快速发展,人们已经意识到未来的设备除了电源之外,整个通讯和链接将会是无线化的,这些设备的形状不一样,功能不一样,电源供电方式不一样,接收或者控制的对象也不一样,传输的内容更是千差万别。


这些大量的设备肯定需要一个强有力的协议栈将他们有序的组织起来,让数据已以最优的路径,最低的功耗,正确可靠地传输到指定的目标接收节点上,而且彼此不会相互产生干扰。


目前该领域最有名的协议栈就是ZigBee技术,其最开始的应用场景就是定位于智能家居领域,该技术已经出现了10多年了,从目前的发展水平来看,该技术无论是商业运作上还是在技术实现上是不太成功的,这种不成功是有深刻的技术因素的,具体体现在下面的几个方面:


一、ZigBee通常的工作频带在2.4GHz,用在国外的木头结构的别墅中没有问题,但是在中国的钢筋水泥建筑物环境中,通讯效果并不好,严重影响了用户体验。


二、ZigBee由一个委员会制定标准并进行推广,这个委员会是由TINXPFreescaleATMEL, STMicro等公司背后做支持,这些公司的目标是销售芯片,他们确定了整个协议栈的大的框架,针对的目标市场非常的宽泛但是并没有精确到产品的层面,用户使用的时候还是需要进行一些深度的优化的,这就要求对协议栈进行优化的人员需要比较深的了解协议栈的内部运作原理,甚至对于某些特性做出修改。


但是ZigBee委员会为了确保兼容性,不仅设立了一个兼容性认证的机构,而且通过TI等芯片厂商发布的ZigBee技术实现是以二进制的lib文件提供的,不仅将协议栈限定在特定厂家的特定射频芯片和特定处理器平台上,也就是说深入了解实现机制和二次改造的通道被堵死了。


三、ZigBee技术缺少在安装,调试,扩容,诊断,维护等方面的一些系统层面的特诊,导致不好用,用户也不敢大规模使用,该技术仅仅强调自愈,但是没有告诉用户那里运行出了问题,这样就导致安装期间和产品使用一段时间之后出现了问题,都没法办法给使用者一个明确的指示,这就好像将一部苹果手机iPhone的信号强度指示符拿掉了一样,这样用户完全不知道现在网络处于什么状态。


四、ZigBee仅仅定义为传感器网络,所以没有实现独立的传输层,ZigBee假定用户传输的都是小型的报文。考虑到有线网络的丢包率为10^-9次方至10^-12次方,而无线网络的丢包率在10^-3次方左右,所以在多跳的ZigBee网络中丢包率上升很快。


事实上很多用户都反映ZigBee网络的多跳并不稳定,使用起来体验并不好。


五、其他的问题比如信道数量少,WiFi,蓝牙,微波炉干扰等等其他问题都严重制约了ZigBee技术的使用体验。


从十多年前ZigBee技术刚刚兴起的时候来看,这个技术还算是比较超前了,但是随着近些年来智能手机,WI-FI,蓝牙等技术的飞速发展和带动效应,ZigBee技术已经显得有些老套了,各行各业经出现了很多竞争性的组网技术。



人们对于短程无线通讯技术的预期已经超出了简单的传感网技术,具体体现在下述几个方面:


传输特性:传输型网络和传感型网络


网络供电:常电,半电池供电,全电池供电,电池供电 + WOR(电磁波唤醒)


网络分布:静态网络,准静态网络,动态网络


仔细分析不难发现,物联网所需要的主要硬件平台,比如低功耗处理器技术,射频芯片技术,功放技术,低噪声放大器技术,滤波器技术,射频开关技术等等都是现成的,而且充分竞争,物美价廉,真正缺少的是一个强有力的协议栈技术,这个协议栈应该可以运行于各种形态的硬件平台之上,从10几块钱的小模块,几十块钱的一体机,几百块的通讯设备,到几千甚至上万块的特种电台。


这些设备从外观和长相上看,基本上没有什么相似之处,但是他们都有一个共同点,那就是无线自组网通讯。



事实上比较理想的自组网技术实现还应该具有下述特征:


独立于任意的处理器,可以运行于8051(8)ARM(32)MSP430(16)等主流单片机平台


独立于任意的射频芯片,可以运行于TISilabsNXPFreescaleATMELNordicAMICCOMSEMTECH等主流的射频芯片厂家。


免操作系统,将处理器的全部运算能力释放给SDK形式的用户,无操作系统开销


外设虚拟化,实现串口,USB等标准通讯外设的硬件独立性。


综上所述,开发一款适合当前产业环境的短程无线自组网协议栈是完全有必要的。

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