第三代無線通信標(biāo)準(zhǔn)

今天，我們正在進(jìn)入第三代無線通信階段?；蛘哒f“互聯(lián)網(wǎng)包含一切”的階段，這個(gè)階段用無線傳感器和控制技術(shù)來連接人類世界與虛擬電子世界。

傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)不能增進(jìn)人們的交流，取而代之的是，它們允許傳感器和操作者交互，創(chuàng)建一個(gè)更加動(dòng)態(tài)的世界，從而避免人為的錯(cuò)誤并降低人力成本。

超低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以為很多應(yīng)用帶來好處。這包括監(jiān)視溫度、振動(dòng)、濕度、位置、液位高度等，在工廠中，可以將它們連接到HAVC系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)，或溫度控制系統(tǒng)等的控制和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
這樣的例子很多。對于農(nóng)業(yè)應(yīng)用，可以通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集溫度傳感器和土壤濕度傳感器的信息來監(jiān)視農(nóng)田、葡萄園、溫室，并自動(dòng)調(diào)整灌溉和施肥。

對于許多現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括無須使用線纜、增加了在空間受限或危險(xiǎn)區(qū)域應(yīng)用的靈活性、易于安裝、增加了安全性，而且降低了維護(hù)成本。然而，無線傳感器的發(fā)展完全依賴工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的進(jìn)度。

工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)了無線應(yīng)用的發(fā)展
無線通信在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的推進(jìn)下得到了很大的發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)為OEM和集成商提供了選擇的靈活性，允許不同供應(yīng)商的設(shè)備可以互操作，這在所有應(yīng)用中是最重要的。

與大多數(shù)無線網(wǎng)絡(luò)相比，傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求是截然不同的，功率消耗指標(biāo)就是最明顯的差別。對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器，事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.15.4規(guī)范（ZigBee和其他版本）。許多供應(yīng)商已經(jīng)開始提供基于802.15.4協(xié)議的收發(fā)器芯片。有些芯片是標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的簡化，而有些則提供了針對特殊應(yīng)用的附加特征。例如，GreenPeak公司的GP500收發(fā)器就包含了許多低功耗的特性，可以用于鈕扣電池供電和自收集能量供電的應(yīng)用。

也有一些廠商提供采用藍(lán)牙和Wi-Fi技術(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，IEEE 802.15.4和藍(lán)牙技術(shù)的比較如表1所示。它們都采用非標(biāo)準(zhǔn)的形式，利用IEEE 802.15.4協(xié)議在本國實(shí)現(xiàn)。IEEE 802.15.4協(xié)議規(guī)范提供最基本的低功耗無線傳感器網(wǎng)路應(yīng)用是被廣泛接受的。

表1 IEEE 802.15.4和藍(lán)牙主要參數(shù)比較

ZigBee聯(lián)盟的推動(dòng)
ZigBee聯(lián)盟是一個(gè)由技術(shù)提供者和OEM產(chǎn)品公司組成的獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)化組織。在2007年底，該聯(lián)盟為ZigBee和ZigBee PRO網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)范定稿。

從使用的角度出發(fā)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是非常適合家庭應(yīng)用的，家庭網(wǎng)絡(luò)通常包括10個(gè)，或多到100個(gè)設(shè)備。ZigBee PRO網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是ZigBee的超集，它增加了網(wǎng)絡(luò)容量和很好處理與其他無線技術(shù)沖突的能力特征。ZigBee PRO的特征使它非常適合大型應(yīng)用，特別是在商業(yè)建筑中的應(yīng)用。

ZigBee PRO的另一個(gè)特征就是需要更大的存儲(chǔ)器空間，這使它的成本更高。在對成本極其敏感的消費(fèi)電子市場，每一點(diǎn)額外增加的成本都限制了采用這項(xiàng)技術(shù)的可能性。然而，得益于半導(dǎo)體成本的日益降低，可以預(yù)測，在短期內(nèi)ZigBee和ZigBee PRO之間的成本差異將可以被忽略，并且更多的應(yīng)用將采用ZigBee PRO。

ISA-100和無線HART標(biāo)準(zhǔn)
ISA-100和無線HART是兩個(gè)工業(yè)自動(dòng)化無線標(biāo)準(zhǔn)。ISA-100是由儀器、系統(tǒng)和自動(dòng)化協(xié)會(huì)（ISA）發(fā)起的，該組織是一個(gè)針對工業(yè)自動(dòng)化的非盈利技術(shù)協(xié)會(huì)。無線HART不是完整的工業(yè)傳感器協(xié)議，它是一個(gè)對老式但卻很流行的、用于工業(yè)自動(dòng)化的HART工業(yè)有線總線標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充。由于ISA-100和無線HART基本上解決了同樣的問題，目前正在檢驗(yàn)是否可以合并這兩種標(biāo)準(zhǔn)。上述幾種低功耗無線協(xié)議的比較如表2所示。

表2 低功耗無線協(xié)議比較

私有無線通信技術(shù)
除了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)外，也有許多技術(shù)可以用來實(shí)現(xiàn)私有的收發(fā)器。其主要目的是降低復(fù)雜性和減小潛在的成本。

私有技術(shù)可以比標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)開發(fā)得更快，因?yàn)椴恍枰诓煌局g取得一致。也應(yīng)該看到如果私有解決方案會(huì)達(dá)到足夠的產(chǎn)量，同樣會(huì)降低成本。降低復(fù)雜性有時(shí)可能會(huì)犧牲性能，限制它的應(yīng)用范圍。

近期進(jìn)展
即使在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，技術(shù)提供商也可以有更多的創(chuàng)新空間。例如，GreenPeak公司的Emerald GP500C收發(fā)器和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是與IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)兼容的，但增加了針對超低功耗應(yīng)用的特征。

另一個(gè)進(jìn)展是將很快出現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)中的低功耗路由（LPR）技術(shù)。在LPR網(wǎng)絡(luò)中，電池供電的設(shè)備可以從鄰近的設(shè)備接收消息，并將信息轉(zhuǎn)發(fā)到更遠(yuǎn)的通信鏈路中。其他標(biāo)準(zhǔn)提供這個(gè)功能的目的僅僅是為了持續(xù)給設(shè)備供電，以使它一直處于偵聽狀態(tài)。LPR為網(wǎng)絡(luò)增加了時(shí)間同步機(jī)制，允許設(shè)備同時(shí)喚醒來啟動(dòng)通信，并避免了設(shè)備連續(xù)運(yùn)行。

IEEE Std 802.15.4-2003.pdf 標(biāo)準(zhǔn)

業(yè)界已經(jīng)開始尋找無須電池的無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。有許多用于特殊功能的ZigBee協(xié)議——ZigBee協(xié)議子集。這是一些更小、更面向任務(wù)、功耗更低的協(xié)議棧。用于智能能源（Smart Energy）和家庭自動(dòng)化（Home Automation）特殊的ZigBee協(xié)議已經(jīng)被開發(fā)出來并且發(fā)布了。新的無電池供電協(xié)議仍然在開發(fā)中，并且有望在一季度完成。