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ZigBee/ Sub-GHz/Wi-Fi與藍(lán)牙誰更適合物聯(lián)網(wǎng)?

發(fā)布時(shí)間:2014-07-11 責(zé)任編輯:echotang

 【導(dǎo)讀】Wi-Fi擅長(zhǎng)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;Bluetooth針對(duì)便攜式設(shè)備,主要作為點(diǎn)對(duì)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,到底哪一種更適合物聯(lián)網(wǎng)呢?
 
據(jù)預(yù)測(cè),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)。
 
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(zhǎng)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(shí)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。

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)核心特性和能力
 
Wi-Fi是基于2.4GHz頻段的通信技術(shù),其擅長(zhǎng)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(duì)便攜式設(shè)備,主要作為點(diǎn)對(duì)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。
 
ZigBee:無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化解決方案
 
ZigBee基于全球標(biāo)準(zhǔn),是一個(gè)開放的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不同,例如星型和點(diǎn)對(duì)點(diǎn),網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)采用最低成本節(jié)點(diǎn)為建筑物內(nèi)的所有位置提供可靠覆蓋(參見下圖中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選項(xiàng)對(duì)比)。ZigBee采用動(dòng)態(tài)、自主的路由協(xié)議,基于AODV(Ad Hoc On-demand Distance Vector)的路由技術(shù)。在AODV中,當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要連接時(shí),他將廣播一條路由請(qǐng)求報(bào)文,其他節(jié)點(diǎn)在路由表中查找,如果有到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由,則向源節(jié)點(diǎn)反饋,源節(jié)點(diǎn)挑選一條可靠、跳數(shù)最小的路線,并存儲(chǔ)信息到本地路由表以便用于未來所需,如果一條路由線路失敗,節(jié)點(diǎn)能夠簡(jiǎn)單的選擇另一條替代路由線路。如果源和目的地之間的最短線路由于墻壁或多徑干擾而被阻塞,ZigBee能夠自適應(yīng)的找到一條更長(zhǎng)但可用的路由線路。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較
 
例如,基于Silicon Labs EM35x Ember ZigBee SoC和EmberZNet PRO協(xié)議棧的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),可提供自配置和自修復(fù)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)連通性,能夠擴(kuò)展連接單一網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)百或數(shù)千節(jié)點(diǎn)。“ZigBee認(rèn)證產(chǎn)品”的快速開發(fā)得益于Ember AppBuilder,其隱藏協(xié)議棧細(xì)節(jié),聚焦ZAP(ZigBee Application Profiles)實(shí)現(xiàn)的開發(fā)工具。通過圖形化界面,開發(fā)人員能夠快速選擇應(yīng)用所需的屬性,然后由AppBuilder自動(dòng)生成所需代碼。為發(fā)揮ZigBee網(wǎng)絡(luò)靈活性的最大優(yōu)勢(shì),需要高效的調(diào)試工具。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性使傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析工具(例如Packet sniffer)使用起來更加困難。事實(shí)上,由于包可能穿越多跳到達(dá)目的地,許多中間傳輸超出分析儀的應(yīng)用范圍。對(duì)于這個(gè)問題,目前唯一的解決方案是采用Silicon Labs桌面網(wǎng)絡(luò)分析儀(Desktop Network Analyzer),此款分析工具功能強(qiáng)大,能夠在圖形化界面內(nèi)展示網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)包收發(fā)的全貌,并且內(nèi)置協(xié)議分析和可視化跟蹤引擎,開發(fā)人員可以協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)通信和裝置的任務(wù)。
 
在某些情況下,網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)并不是合適的選擇,因?yàn)楣?jié)點(diǎn)密度太低,因此無法提供有效的故障轉(zhuǎn)移支持。例如,公路或鐵路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要沿著狹長(zhǎng)路徑寬間距部署節(jié)點(diǎn)。同樣,校園的外部設(shè)施對(duì)于采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)來說過于稀疏。在這些環(huán)境中,星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合可跨越更遠(yuǎn)距離,因而更可靠,更合適。
 
Sub-GHz:長(zhǎng)距離和低功耗通信的理想選擇
 
無線傳播與頻率成反比,在低功耗、長(zhǎng)距離通信或穿墻能力上,sub-GHz射頻更有優(yōu)勢(shì)。對(duì)于許多應(yīng)用,433MHz成為2.4GHz的全球替代品(但日本不允許其用于無線應(yīng)用)?;?68MHz和915MHz的設(shè)計(jì)可用于美國(guó)和歐洲市場(chǎng)。有許多可用的無需授權(quán)或需要授權(quán)的頻段,對(duì)于系統(tǒng)集成商來說,既可選擇在某些特定區(qū)域進(jìn)行性能優(yōu)化,或者配合公共事業(yè)公司在廣闊區(qū)域設(shè)計(jì)系統(tǒng)。在這種多樣化中,與2.4GHz頻段相比,sub-GHz頻段頻譜干擾更少。干擾較少的頻段能提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能,減少傳輸中的重傳次數(shù)。
 
第三方和基于標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議??捎糜趕ub-GHz射頻,但許多廠商仍選擇專用解決方案來針對(duì)其特定需求。許多無線協(xié)議面臨著一個(gè)問題,接口要不斷激活 “監(jiān)聽”網(wǎng)絡(luò)中通信。數(shù)據(jù)發(fā)射比數(shù)據(jù)接收消耗更多的能量,但是發(fā)射是短暫的,并且有長(zhǎng)時(shí)間間隔,因此長(zhǎng)期平均能耗通常更低。在許多無線協(xié)議中,接收器不知道消息何時(shí)到來。因此不得不保持監(jiān)聽以便不丟失任何數(shù)據(jù),因此即使沒有消息,接收器也不能完全關(guān)閉能耗。這種情形將限制節(jié)點(diǎn)的電池自主權(quán),需要對(duì)電池定期更換或充電。
 
Sub-GHz收發(fā)器,例如Silicon Labs Si446x EZRadioPRO IC,支持從119MHz-1050MHz的頻率范圍,最大146dB的鏈路預(yù)算,以及休眠模式下僅需50nA電流消耗。為了減輕多徑衰落的影響,EZRadioPRO芯片支持雙天線,并在芯片內(nèi)集成天線分集邏輯算法。通過采用跳頻和時(shí)鐘同步技術(shù)相結(jié)合的方法,系統(tǒng)集成商能夠在協(xié)調(diào)器和終節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)跨越數(shù)公里的sub-GHz網(wǎng)絡(luò),同時(shí)終節(jié)點(diǎn)采用單電池可運(yùn)行十年以上。由此系統(tǒng)集成商能夠采用少量協(xié)調(diào)器即能可靠覆蓋特定區(qū)域,并且把終節(jié)點(diǎn)放置在主電源無法連接的地方。
 
通過本文對(duì)ZigBee/ Sub-GHz/Wi-Fi與藍(lán)牙幾種無線傳輸?shù)姆绞椒治?,?yōu)勢(shì)劣勢(shì)已經(jīng)一目了然,具體哪一種跟適合物聯(lián)網(wǎng)還需要綜合各種因素來考慮。
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