據(jù)上海。羿歌所認識，藍牙、Wi-Fi和ZigBee在無線通信領域都有一席之地。但基于不同原因，上述幾種技術都不太適合無線傳感器網(wǎng)絡應用。用于傳感和控制應用的無線產(chǎn)品和技術正迅速變?yōu)楝F(xiàn)實。無線技術的大規(guī)模普及只是時間早晚的問題，但標準化組織和技術供應商在解決競爭方案和技術混亂等方面的工作尚未做到位。具體地講，就是許多方案和技術對其適用范圍語焉不詳，從而造成了整個無序的局面。

　　最終用戶和系統(tǒng)開發(fā)商有多種理由急需標準化，這些理由包括：符合全球管制的要求、各種供應商產(chǎn)品間互操作性的需要、有備用的第二個貨源渠道、能進行貨比三家式的砍價以及與大量知識接軌的可能等。但還有其他一些。一些技術的開發(fā)成本非常高，以至于必須通過大批量生產(chǎn)才能收回成本并盈利。若實現(xiàn)大批量，則全球市場的表現(xiàn)至關重要。標準是實現(xiàn)全球認知的一個極佳載體，是全球市場繁榮的助推劑。

　　無線傳感器系統(tǒng)架構(gòu)

　　無線傳感器系統(tǒng)的基本架構(gòu)包括三層，如圖1所示。最底層的是無線收發(fā)器。在發(fā)射端，它負責將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為無線電磁信號并經(jīng)發(fā)射器傳送出去；在接收端，它將接收到的電磁信號恢復成數(shù)字信號。在以往的無線技術中，發(fā)射器只管發(fā)射，接收器也僅能接收。現(xiàn)在，為了提高可靠性和性能，許多技術已將發(fā)射和接收設備整合在一起。

　　圖1：無線傳感器設備的基本架構(gòu)。

　　芯片廠商需要通過大批量銷售來獲得盈利，而大批量需要涉及到全球市場。要想讓全球性技術市場騰飛，歷史證明，標準至關重要。上述判斷對Wi-Fi無線網(wǎng)絡（技術上稱為IEEE 802.11 a/b/g/n/）和藍牙（基于IEEE 802.15.1規(guī)范中定義的標準）都適用。被無線個人局域工作組在2003年制定的IEEE 802.15.4 （a/b）標準統(tǒng)治的傳感器網(wǎng)絡也不例外。

　　上述三種技術定位于不同應用。Wi-Fi被認為是有線以太網(wǎng)PC通信的替代技術，即中心有個基站、PC就在中心附近的高數(shù)據(jù)速率網(wǎng)絡（也即星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)）。為了實現(xiàn)局部區(qū)域的高數(shù)據(jù)速率，Wi-Fi的功耗相當大，一般需要采用筆記本電腦的電池供電。

　　數(shù)據(jù)速率將隨著與基站距離的增加而顯著降低。藍牙被認為與手機一起構(gòu)成了眾人注目的中心：它能把手機與耳機、GPS設備和筆記本電腦連在一起。1Mbps的藍牙數(shù)據(jù)速率對傳送音頻是綽綽有余了，但它比Wi-Fi的數(shù)據(jù)速率起碼低一個數(shù)量級。

　　但另一方面，藍牙的功耗低，通常采用手機電池供電。一般來說，藍牙的通信距離也比Wi-Fi短，當然，它也反映了手機一般就與耳機、筆記本電腦和GPS設備一起使用這個事實。

　　傳感器應用有截然不同的需求，特別是在功耗方面：在采用鈕扣電池或太陽能電池及振動發(fā)電采集器等環(huán)境能源的場合，傳感器一般必須要工作發(fā)好幾年，而傳感器所用的電池無法象筆記本電腦或手機電池那樣充電。

　　其他一些傳感器特有的要求是由以下因素決定的，如可靠性、通信距離、在單一網(wǎng)絡中所需支持的最大節(jié)點數(shù)以及自動網(wǎng)絡組織需求等。不過較低的數(shù)據(jù)速率一般即可滿足傳感器網(wǎng)絡要求，因為大多傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量并不大，而且一般并非連續(xù)輸出。

　　對無線傳感器收發(fā)器而言，IEEE 802.15.4規(guī)范可能是主要且可能唯一的實用標準。2003年批準了該規(guī)范的第一版，2006年進行了升級。目前有多家公司提供這方面的收發(fā)器芯片。其中一些芯片僅實現(xiàn)了該標準的很少部分。另一些芯片提供對某些應用來說有用的附加功能。例如，GreenPeak公司的GP-2000收發(fā)器就具有許多特別適用于鈕扣電池和低電能應用的低功耗特性。

　　表1列舉了IEEE 802.15.4標準的一些主要參數(shù)，并與藍牙進行了比較。一直有人嘗試著把Wi-Fi和藍牙應用于傳感器應用。在這兩種場合，藍牙和Wi-Fi都以非標準方式加以利用，從而過迂回實現(xiàn)了IEEE 802.15.4的基本原理。人們普遍承認，IEEE 802.15.4能為無線傳感器應用提供最佳方案。

　　表1： IEEE 802.15.4標準及藍牙的一些主要參數(shù)比較。

　　并非所有技術供應商都遵循IEEE 802.15.4標準。一些公司出于降低復雜性和成本的考慮，自己研制專用收發(fā)器。但這些專用方案是否能達到足以真正降低成本的批量尚待觀察。另外，降低復雜性一般以犧牲性能為代價，因此限制了這些方案的使用范圍。

　　網(wǎng)絡堆棧有兩個職責。首先，它構(gòu)成并維持該網(wǎng)絡。特別是無線網(wǎng)絡堆棧必須要能應對節(jié)點間的無線鏈接通信質(zhì)量的頻繁變化。例如，在建筑自動化應用中，走來走去的人（即一個人站在兩個節(jié)點之間）會對鏈接質(zhì)量帶來很大影響。因此，網(wǎng)絡堆棧必須考慮到鏈接隨時都可能消失進而造成一個節(jié)點甚至整個網(wǎng)絡分支被隔絕的情況。

　　圖2：最主要的傳感器網(wǎng)絡堆棧標準示意圖。

　　為防范干擾，網(wǎng)絡堆棧必須能重新路由通信路徑并建立新連接，以便為網(wǎng)絡內(nèi)所有部分提供不被打擾的連通性。網(wǎng)絡堆棧的第二個職能是確保訊息可靠高效地從源節(jié)點發(fā)送到目標節(jié)點。高效意味著延時要求—消息的傳輸時間—應被滿足，而且應避免在信息的路由行程中出現(xiàn)瓶頸。

　　無線傳感器應用的范圍很廣，要求差異也很大，因此通信技術要有一定的靈活性。單靠硬件無法提供這種靈活性。它需要一個可編程堆棧，借此來減少前期投入并支持供應商以較低批量獲得可觀回報。目前，已出現(xiàn)了一些標準網(wǎng)絡堆棧，另有一些在開發(fā)中，它們?nèi)家訧EEE 802.15.4為基礎。

　　ZigBee聯(lián)盟的影響

　　ZigBee聯(lián)盟是由眾多技術供應商和OEM支持的獨立標準組織。該組織最近里程碑式的工作是2007年底完成了對兩個網(wǎng)絡堆棧規(guī)范的定稿，這兩個網(wǎng)絡棧是：ZigBee和ZigBee PRO。從使用角度看，ZigBee堆棧很適合一般包含十到幾百個設備的住宅“家庭”網(wǎng)絡。ZigBee PRO是ZigBee的超集，它增加了一些功能，可對網(wǎng)絡進行擴展并更好地應對來自其他技術的無線干擾。

　　這些特性使ZigBee PRO很適合諸如商用建筑等大規(guī)模應用。目前來說，該功能需要越來越大的程序存儲器空間，從而增加了成本，進而限制了ZigBee PRO在許多消費市場的應用。但歸功于芯片成本的不斷下降 ，我們預計，ZigBee和ZigBee PRO間的成本差異不久就會變得微不足道，屆時，許多應用將采用ZigBee PRO。

　　ZigBee聯(lián)盟并沒明確要把工業(yè)應用排除在外。但若干大的工業(yè)自動化企業(yè)已經(jīng)確認需要一些額外功能，而這些功能并不在ZigBee聯(lián)盟考慮的要事之列。兩個最主要的“工業(yè)”特性是確定的延時和確定的可靠性。

　　延時是信息從源到目的地所需時間。如果源是PLC、目的地是機器，則嚴謹?shù)乜刂蒲訒r就很重要。這就是為什么明確以工業(yè)自動化為目標的那些標準在研發(fā)一種稱為“保證時隙”的IEEE 802.15.4特性，這一特性可以確保最壞情況下的信息延時。目前，ZigBee并沒有使用保證時隙功能。確定的可靠性指的是在兩個無線節(jié)點間提供有保證的通信信道的能力。

　　可靠性的主要敵人是來自相同無線頻段其他用戶的無線干擾。就工作在2.4GHz頻段的IEEE 802.15.4設備來說，最主要的干擾源是Wi-Fi收發(fā)器。大多數(shù)干擾源并不徹底阻斷IEEE 802.15.4設備。

　　但無論設備采用哪種網(wǎng)絡堆，干擾確實會造成無線數(shù)據(jù)的丟失。為緩解數(shù)據(jù)丟失造成的影響，工業(yè)設備采用的無線標準提供了一種允許數(shù)據(jù)丟失按時間均勻分布的機制，從而令傳輸更具預見性也更可靠。

　　ISA-100和無線HART

　　ISA-100和無線HART是兩個具有強勁推動力的工業(yè)無線自動化標準。ISA-100是專注于工業(yè)自動化的非盈利技術機構(gòu)—儀器儀表、系統(tǒng)與自動化協(xié)會（ISA）開發(fā)的。ISA-100將在2008-2009年度推出一個標準規(guī)范。

　　無線HART不是一個完整工業(yè)傳感器協(xié)議，而是用于工業(yè)自動化的歷史悠久但很流行的HART工業(yè)（有線）總線標準的補充。本質(zhì)上，無線HART是有線信息傳輸協(xié)議HART的替代技術。因ISA-100和無線HART本質(zhì)上解決的問題相同，最近，它們聯(lián)合起來檢討兩個標準是否能合二為一。最初版本很可能不具互操作性且需要網(wǎng)絡橋接（即兩個系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換器）。后續(xù)版本或許定義一種公共語言。

　　工業(yè)標準的性能增強也能轉(zhuǎn)換為商業(yè)建筑自動化領域中的優(yōu)勢，但一般不是主要的。而且這種改進也增加了不菲的成本，從而限制了其在住宅和商業(yè)應用方面的使用前景。表2列出了上述一些商業(yè)和工業(yè)標準的特性。

　　表2：部分商業(yè)和工業(yè)標準的特性比較。

　　專用無線技術