無線感測網路技術概論1/4

各位好,歡迎參加本次的培訓課程。 在本次課程中,我將和大家一起探討一些關於無線網絡的基本知識。 先做一個自我介紹,我叫崔楠,來自於中國技術中心的系統應用工程師。 在我們日常中可以看到,在幾乎所有的電子設備中, 比如存在嵌入式的一些控制監控,隨着其爆炸式的增長, 這些應用間相互通信的需求正在導致一些問題的出現。 爲了解決這些問題,製造商們使用各種不同的通信接口, 或者通信標準,或者專有的,或者是根據自己的公司特點所創建的一些, 以實現應用間的相互通信。 傳統的通信鏈路是通過有線方式傳輸,既能爲控制器和外圍供電, 又可以爲兩者之間提供可靠的信號傳輸。 但是當這些外圍設備實體並不被包含在控制器時, 有線這個方式將會帶來一些比如安裝成本的增加安全性, 以及在某些特定環境下線纜的操作並不具備便利性。 等一些問題,隨之而來的就是使用無線技術可以來規避掉這些弊端。 不過對於同樣來說,對於無線技術來說,它也會面臨一些問題, 比如說在空間傳播的一些干擾,信息的安全性, 還有另外一個就是關於傳輸之間的一些規則和一些其他問題。 爲了解決這些無線技術的問題,就會增加系統的複雜性, 從而導致系統成本的增加。 這張圖上面就會向大家展示在數據中心中的一些無線的應用, 包括它數據中心的可能無線的AHU部分, 還有一些監控部分。 首先,左邊這張圖向大家顯示了目前低速無線個人區域網絡不同的一些劃分。 右邊這張圖是我們ADI的SmartMesh無線網絡的一個產品。 無線區域網就是WLAN是對於IEEE802有線區域網的一個擴充, 適用於高端的無線傳輸數據, 其基本要求包括無縫漫遊功能,報文轉發,或者儘可能的遠距離傳輸, 以及允許大量的設備接入的能力。 不同於WLAN無線個域網,工作基於個人空間操作, 我們所謂的POS,覆蓋區域爲個人周圍環境, 無論是靜態的還是動態的環境下都可以使用。 而在對於WPAN,就是我們所謂的無線個域網, 它應用於相對短距離的相關收發體之間傳輸信息消息。 相對於WLAN,它很少需要基礎網絡設備的輔助, 這使得在各種各樣的設備中都能實現這種體積小、高效, 而且價格比較低的方式。 這個對於我們可以看到的分工, 比如WPAN這一類的,包括了802.15.1, 藍牙的一個協議,以及802.15.4的一個協議。 這個在802.15.4包括了我們常用的ZigBee, 以及ADI的SmartMesh,一個是802.15.4G,一個是802.15.4E。 然後對於IEE802.1IS工作組, 根據數據率、電池消耗和QoS,將WPAN分爲三類。 一種類就是高數據率的WPAN, 它們是符合IEE802.15.3標準, 它們的數據率會更高一些。 另外一個是802.15.1藍牙標準的中處WPAN, 被設計用來替代以移動電話和PDA爲核心的 消費電子設備之間的有線連接。 最後一個就是我們目前針對於低功耗和低成本的應用的, 就是802.15.4的最底下這部分。 我們可以看到相對於其他來說,它的複雜度是最低的, 能量消耗也是最少的, 相對於其他的線連接,它的傳輸帶寬是比較小, 數據率也就是要求會比較寬鬆的場合會使用。 這張圖就給出了不同的一些802.15.4標準下的 無線網絡的一些基本特性。 我們可以看到在對於802.15.4來說, 它的距離相對其他的會稍微近一點, 但是它的數據率會低一點, 不過它的優點在於它的體積複雜度, 以它的一些功耗, 底下這一項可以很明顯看出來, 802.15.4相對於其他的網絡來說, 在接下來的視頻中, 我將會向大家去按照這幾點去講, 第一部分是無線傳感器網絡的一些概述, 包括了無線傳感器網絡的一些發展和組成, 第二部分我會向大家會大概地聊一下 無線傳感網絡它的一些基本的典型運用, 像在工業、消費、農業等等一些領域。 第三部分我會向大家簡要介紹一下 802.15.4它的協議的基本和一些相關概念。 第四部分的話, 我會向大家會介紹一下 ADS、WireMesh、無線傳感網絡它的一些產品, 以及802.15.4和4E之間的一些進一步的開發。 無線傳感網絡就是剛纔我們所提到的, 它是無線網絡的一個分支, 用於在沒有有線連接情況下, 爲傳感器和啓動器之間建立連接。 其實我們一般現在叫無線傳感網絡, 它的全稱應該叫無線傳感器網絡。 傳感器網絡可以根據傳感類型, 應用可以分爲不同的一些方式, 比如我們可以工業、醫學、汽車或者工作環境中, 比如爆炸、震動、加速度、溫度等等。 IEC 802.15.4E 基本上就是把它的工作組會把它的應用重點 放在無線傳感器網絡上。 這一點就是說我們左邊可以看到 對於無線傳感網絡的一些優點, 相對於目前有線的一些優點。 第一,更低的傳感器安裝成本, 因爲傳統的傳感器安裝需要 它的成本可能來自於你的佈線、人力成本、材料、 以及測試和驗證。 例如一個工業壓力傳感器, 可能你只需要花幾百塊錢, 但是把它連接起來的成本, 再加上你的人工以及剛纔我們提到的這些費用, 可能要比傳感器的價格要貴得多。 除此之外,在工業和住在環境下進行的規範佈線, 也需要額外的材料和安裝作業。 第二點就是有線連接方式存在缺陷, 它需要很多連接線, 而這些連接線可能由於震動、環境等因素, 以及或者頻繁接觸相鄰的設備, 變得松、變鬆,接觸不良或受損。 這個在我們可能就比如說有些閉路電視中, 我們可能就會有很大的一個體驗。 第三點就是無線傳感器網絡形成了更底層的智能維護系統, 使得傳感器密集的環境下, 能夠獲取大量可用於改進工業流程的數據。 通過這些操作的話, 可以降低下我們有線網絡所導致的性能複雜性。 然後這一點就是可移動性, 是無線解決方案相對於有線最優秀的一個特點。 我們也可以列成它是易安裝情況, 就是有一些在運動的機器內部中, 如果內部的傳感器只和這臺內部設備通信, 然後有線的話就會很難做到這一點。 其實我們也並不是說無線通信一定能完全取代有線連接, 有線連接方式在可靠性和安全性上仍會高於無線通信, 所以說在以後的發展方向肯定是有線和無線混合網絡的出現, 有線和無線網絡將會共存,互相彌補不足, 無線網絡將會作爲有線網絡的拓展, 被應用於一些特定的環境中。 這個圖就表明了我們ADI在SmartMatch的一個典型的網絡, 它的網關,然後這兩個是節點。 到目前爲止的話,WSN應用發展仍比較緩慢, 根本原因在於開發者缺乏專注於在某一層面和通信方面的標準化技術, 無線產業界當前的發展重點放到了更高的數據存儲量的無線通信, 而對於短距離連接,其實並不是很關心這個。 所以大部分人來說一方面需要具有利於安裝大量收發器的能力, 另一方面面臨的無線通信存在的諸多問題, 就是傳感距離比較近,數據比較小,這些。 這張圖中就會列出了我們能實現無線傳感的一些方法, 第一種就是光通信方式, 它包括了我們可能所熟知的宏觀數據通信, 但它的缺點就在於這種網絡需要一個無障礙的設計範圍之內, 比如說我們之前我曾經去在學校做過的激光通信, 它就是必須在設計之內,沒有障礙纔可以做到。 第二點是場感應, 但是它比較像我們平時用的比較FID的應用通訊, 它比較要求的距離基本上是兩條貼到一塊。 第三個超聲波,這個問題它就是會傳感器的尺寸比較大。 第四點是電力線的載不通信, 這種一般會應用在家庭網絡爲主的活動中, 它沒有用到更多的電, 所以被稱爲一種無線技術, 並不是類似其他類似的無線技術。 最後一點是射頻, 這目前是用得比較最多的一點, 但它的功耗會比較高一些。 然後我們想考慮剛纔那些在無線網絡中會有一些限制的因素, 第一點就是它的功耗的問題, 就是在一些需要使用電池供電或能量收集的方式的話, 對於功耗問題來說就會比較敏感。 一般常用的方法就是實現功率循環, 降低設備的音頻佔功比, 這個我們在8020U4這個協議中會提到, 它是如何去調整這個佔功比的方式。 然後另外一點就是網絡同步問題, 這個我們也可以採用核測技術來解決, 這兩點對於ADN的產品來說都可以做到, 第二點是傳送距離的問題, 這個我們就可以想象到的, 因爲對於低速的無線網絡來說的話, 它可能更傾向於鋪開的網絡, 但是在某些應用場合下, 它的傳送距離會比較長一些, 但是它就會被受限掉, 因爲傳送距離會跟你的發射功率, 它是會成正比的一個關係, 但是你發射功率又跟你的功耗又會成一個反比的關係, 就是你的發射功率越大, 你的功耗就越大, 這樣的話你導致你的電池的壽命就會比較短。 最後一個就是可能帶寬, 目前情況下的話, 我們一般IE8020U4的規定帶寬分三個, 一個是868到868.6, 一個是902到928, 這個是我們最常見的, 就是2.4到2.48, 目前來說的話, 在868到86.86中是之前的一些低速的, 低功耗的無線網絡比較傾向的, 但是隨着發展, 更多的廠商就會, 因爲我們可以看到2.4到2.48, 所以說, 現在更多的廠商就會把那些專注於 轉距離無線通信的原始設備商, 開始禁止於這個頻段, 其實我們也是, ADI的Smart Match就是在2.4GHz到2.48GHz的這個頻段中, 它就有16個通道。 然後另外一點就是它的一個網絡連接方式, 我們一般這兩種給個我們不同的一些網絡連接方式, 有我們的心情, 還有一些可能就是一些網絡可能的突破, 但它有各個優秀缺點, 通過建立一個網格狀突破結構的多條網, 可以克服單個收發器影片的傳輸, 無線上級網絡的要求就是低維護成本, 然後爲了達到這個目的, 無線突破需要被設計成 允許網絡設備工作低於低端功比, 就是說我們的一般在Mesh網絡中這張圖, 我們右上這張圖就可以看到, 它的由於路徑冗明性, 它的可靠性, 需要優於這個的一些信息網絡, 或者把它一個環境突破網絡, 以及總線網絡, 這一點這一點有一個叫自動網, 自動網它其實是一個ADHOC網絡的一個特性, ADHOC網絡是由一大批收發器種的網絡, 而無需任何固定設施或集中管理系統的輔助, 該網絡根據路由協議選擇合適的 從原設備到目標設備的消費路徑, 例如在某種協議中, 每一個無線電設備存儲於 一個與鄰居無線電設備的連接類比, 並且在網絡突破結構發生時, 它能自行更新路由表, 自動網策略是網絡脫負, 網絡安全和應用區域的聚合體, 它通常基於應用行規的相關定義來實現, 應用行規並非IEEE82.0.4的標準, 它具有將相同功能應用統一起來, 成爲遵循標準設備之前的一個回拋作,