物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中各種無線連接技術(shù)對比

據(jù)預(yù)測，到2020年將有大約500億個(gè)采用無線通信方式的裝置。據(jù)來自GSM聯(lián)盟的數(shù)據(jù)，其中移動(dòng)手持和個(gè)人計(jì)算機(jī)僅占1/4，其余的是采用非用戶交互方式與其他機(jī)器通信的自主互連裝置。當(dāng)前我們的互聯(lián)網(wǎng)正在快速發(fā)展成為無線裝置互連的萬維網(wǎng) - 物聯(lián)網(wǎng)(IoT)。

無線連接裝置的可選方式有很多，最流行的包括Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee和基于sub-GHz技術(shù)的解決方案。每種解決方案都有優(yōu)缺點(diǎn)，在這個(gè)互連的世界里，以上無線技術(shù)將會共存(如圖1所示)。然而，物聯(lián)網(wǎng)的重要驅(qū)動(dòng)力之一是低功耗無線傳感器的出現(xiàn)，從智能電表到傳輸系統(tǒng)、從安全系統(tǒng)到樓宇自動(dòng)化，傳感器越來越廣泛的用于各類應(yīng)用中。對于無線傳感器來說，可擴(kuò)展性、范圍、休眠電流和可靠性等屬性至關(guān)重要。雖然某些終端節(jié)點(diǎn)所需數(shù)據(jù)傳輸速率相對較低，但是大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)報(bào)告匯聚意味著“大數(shù)據(jù)(big data)”。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)中多種無線技術(shù)共存

為了更好的服務(wù)最終用戶，公共事業(yè)公司和市政局開始擴(kuò)展智能計(jì)量系統(tǒng)，以解決實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不斷增長的問題。公共事業(yè)公司通過智能電表，能夠更頻繁和更有效的查看客戶的能源消耗信息，同時(shí)也能快速識別、隔離，以及解決電力失效等問題。消費(fèi)者也能通過互連來獲取相關(guān)信息。室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均能實(shí)時(shí)報(bào)告其狀態(tài)和能耗，并且還能響應(yīng)公共事業(yè)公司發(fā)出的信息。采用智能能源和智能家居系統(tǒng)，消費(fèi)者將更加方便和高效，例如，在電費(fèi)最低的時(shí)候控制激活洗碗機(jī)，或是適時(shí)提醒用戶需要添加洗滌劑。

同樣的，在鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中，無線傳感器能可用于遠(yuǎn)程監(jiān)視廣闊的軌道網(wǎng)絡(luò)，技術(shù)人員能提前識別維護(hù)需求，以降低人工軌道巡視的成本和遲延。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心需求

可擴(kuò)展性對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境至關(guān)重要。某些傳感器僅每秒進(jìn)行一次狀態(tài)更新，并且每次僅傳輸幾個(gè)字節(jié)信息，但單個(gè)建筑物可能有數(shù)萬個(gè)節(jié)點(diǎn)。舉個(gè)例子，美國拉斯維加斯的Aria酒店，部署7萬多個(gè)采用ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通信的節(jié)點(diǎn)，以便控制照明、空調(diào)和建筑物周圍的許多其他服務(wù)。在多數(shù)應(yīng)用中，傳感器需要安裝在無法連接主電源或只能電池供電的位置。因此，可靠的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)要求有能力處理大量匯聚的數(shù)據(jù)，但傳感器節(jié)點(diǎn)自身必須低功耗。

可靠性、可擴(kuò)展性和電源效率的組合，明確界定無線傳感器節(jié)點(diǎn)能夠采用的通信技術(shù)需求。系統(tǒng)集成商不僅要考慮所選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和無線協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)，也要考慮無線技術(shù)本身固有的物理屬性。混凝土墻和多徑衰落對于任何無線系統(tǒng)來說都是不利的，但也有辦法減輕影響。為了解決這個(gè)問題，不同國家有不同的法規(guī)來管理無線電頻譜和可用的頻率范圍。

其中2.4GHz已成為無需授權(quán)的全球頻段，因此無線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠服務(wù)于全球所有主要市場。例如Wi-Fi是基于2.4GHz頻段的通信技術(shù)，其擅長在兩節(jié)點(diǎn)之間快速傳輸大量數(shù)據(jù)，但同時(shí)消耗能量高，并且在星型配置中，每個(gè)AP限制在不超過15-32個(gè)客戶端。Bluetooth是另一種2.4GHz技術(shù)，其針對便攜式設(shè)備，主要作為點(diǎn)對點(diǎn)的解決方案，僅支持幾個(gè)節(jié)點(diǎn)。ZigBee與Bluetooth和Wi-Fi共享相同的無線頻譜，但僅用于滿足低功耗無線傳感器節(jié)點(diǎn)的特殊需求。表1匯總目前的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)核心特性和能力。

表1 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的比較