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Sub-GHz、Wi-Fi、藍牙和ZigBee,四種物聯網無線技術對比

52RD.com 2016年2月29日 我愛方案網            參與:1人 我來說兩句
  

      據預測,到2020年將有大約500億個采用無線通信方式的裝置。據來自GSM聯盟的數據,其中移動手持和個人計算機僅占1/4,其余的是采用非用戶交互方式與其他機器通信的自主互連裝置。當前我們的互聯網正在快速發展成為無線裝置互連的萬維網 - 物聯網(IoT)。

  為了更好的服務最終用戶,公共事業公司和市政局開始擴展智能計量系統,以解決實時數據不斷增長的問題。公共事業公司通過智能電表,能夠更頻繁和更有效的查看客戶的能源消耗信息,同時也能快速識別、隔離,以及解決電力失效等問題。消費者也能通過互連來獲取相關信息。室內網絡設備均能實時報告其狀態和能耗,并且還能響應公共事業公司發出的信息。采用智能能源和智能家居系統,消費者將更加方便和高效,例如,在電費最低的時候控制激活洗碗機,或是適時提醒用戶需要添加洗滌劑。

  無線網絡技術核心特性和能力

  Wi-Fi是基于2.4GHz頻段的通信技術,其擅長在兩節點之間快速傳輸大量數據,但同時消耗能量高,并且在星型配置中,每個AP限制在不超過15-32個客戶端。

  Bluetooth是另一種2.4GHz技術,其針對便攜式設備,主要作為點對點的解決方案,僅支持幾個節點。

  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點的特殊需求。

  

表1匯總目前的無線網絡技術核心特性和能力

  ZigBee:無線網狀網絡的優化解決方案

  ZigBee基于全球標準,是一個開放的無線網狀網絡技術。與傳統的網絡架構不同,例如星型和點對點,網狀網絡采用最低成本節點為建筑物內的所有位置提供可靠覆蓋(參見下圖中網絡拓撲結構選項對比)。ZigBee采用動態、自主的路由協議,基于AODV(Ad Hoc On-demand Distance Vector)的路由技術。在AODV中,當一個節點需要連接時,他將廣播一條路由請求報文,其他節點在路由表中查找,如果有到達目標節點的路由,則向源節點反饋,源節點挑選一條可靠、跳數最小的路線,并存儲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,節點能夠簡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能夠自適應的找到一條更長但可用的路由線路。

  

網絡拓撲結構比較

  例如,基于Silicon Labs EM35x Ember ZigBee SoC和EmberZNet PRO協議棧的無線傳感器網絡,可提供自配置和自修復的網狀網絡連通性,能夠擴展連接單一網絡中的數百或數千節點。“ZigBee認證產品”的快速開發得益于Ember AppBuilder,其隱藏協議棧細節,聚焦ZAP(ZigBee Application Profiles)實現的開發工具。通過圖形化界面,開發人員能夠快速選擇應用所需的屬性,然后由AppBuilder自動生成所需代碼。

  為發揮ZigBee網絡靈活性的最大優勢,需要高效的調試工具。網狀網絡的復雜性使傳統網絡分析工具(例如Packet sniffer)使用起來更加困難。事實上,由于包可能穿越多跳到達目的地,許多中間傳輸超出分析儀的應用范圍。對于這個問題,目前唯一的解決方案是采用Silicon Labs桌面網絡分析儀(Desktop Network Analyzer),此款分析工具功能強大,能夠在圖形化界面內展示網絡中每個包收發的全貌,并且內置協議分析和可視化跟蹤引擎,開發人員可以協調網絡通信和裝置的任務。

  在某些情況下,網狀網絡并不是合適的選擇,因為節點密度太低,因此無法提供有效的故障轉移支持。例如,公路或鐵路網絡拓撲結構需要沿著狹長路徑寬間距部署節點。同樣,校園的外部設施對于采用網狀網絡來說過于稀疏。在這些環境中,星型拓撲結構結合可跨越更遠距離,因而更可靠,更合適。

  Sub-GHz:長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、長距離通信或穿墻能力上,sub-GHz射頻更有優勢。對于許多應用,433MHz成為2.4GHz的全球替代品(但日本不允許其用于無線應用)。基于868MHz和915MHz的設計可用于美國和歐洲市場。有許多可用的無需授權或需要授權的頻段,對于系統集成商來說,既可選擇在某些特定區域進行性能優化,或者配合公共事業公司在廣闊區域設計系統。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絡的整體性能,減少傳輸中的重傳次數。

  第三方和基于標準的網絡協議棧可用于sub-GHz射頻,但許多廠商仍選擇專用解決方案來針對其特定需求。許多無線協議面臨著一個問題,接口要不斷激活 “監聽”網絡中通信。數據發射比數據接收消耗更多的能量,但是發射是短暫的,并且有長時間間隔,因此長期平均能耗通常更低。在許多無線協議中,接收器不知道消息何時到來。因此不得不保持監聽以便不丟失任何數據,因此即使沒有消息,接收器也不能完全關閉能耗。這種情形將限制節點的電池自主權,需要對電池定期更換或充電。

  Sub-GHz收發器,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,并在芯片內集成天線分集邏輯算法。通過采用跳頻和時鐘同步技術相結合的方法,系統集成商能夠在協調器和終節點之間實現跨越數公里的sub-GHz網絡,同時終節點采用單電池可運行十年以上。由此系統集成商能夠采用少量協調器即能可靠覆蓋特定區域,并且把終節點放置在主電源無法連接的地方。

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