耳目無所不在：嵌入式設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)
要點(diǎn)
● 低成本無線鏈路可以降低安裝和維護(hù)成本,并可提供移動(dòng)性。
● 電池壽命至關(guān)重要,最有效的節(jié)能方法是降低發(fā)送的頻率和距離。
● 混合發(fā)送機(jī)制可以使你在同一網(wǎng)絡(luò)上能更有效地支持多種多樣的應(yīng)用系統(tǒng)。
● 當(dāng)你要管理的成百臺(tái)設(shè)備沒有足夠的智能知道自己是網(wǎng)絡(luò)的一部分,使用方便性是必不可少的。
鑒于人工設(shè)備管理是一項(xiàng)勞動(dòng)密集型的工作,嵌入式網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍正隨著成本的降低而不斷擴(kuò)大。正如控制系統(tǒng)（例如照明控制系統(tǒng)）那樣,工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)是這一技術(shù)的基礎(chǔ)。新型應(yīng)用系統(tǒng)包括利用移動(dòng)端點(diǎn)跟蹤并監(jiān)視一個(gè)組件的供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)、利用傳感器從人體采集信號(hào)并將該信號(hào)發(fā)送給監(jiān)控站的遠(yuǎn)程健康監(jiān)控系統(tǒng),以及使用傳感器快速地保護(hù)某個(gè)場(chǎng)所的安全系統(tǒng)。
許多公司正指望用無線技術(shù)將嵌入式設(shè)備連接起來,從而避免安裝電纜和電源線的高額費(fèi)用。諸如溫度傳感器等設(shè)備每分鐘可能只發(fā)送幾個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。對(duì)于這種設(shè)備來說,諸如 802.11、藍(lán)牙和 Zigbee 這些著名標(biāo)準(zhǔn)的成本太高,協(xié)議過于復(fù)雜,功耗也太大。你既不可能利用 X10 變焦技術(shù)可靠地監(jiān)控一個(gè)工廠,也不可能經(jīng)濟(jì)實(shí)惠地為一電燈配備 TCP/IP協(xié)議棧。大量嵌入式網(wǎng)絡(luò)需要的是一條低成本的窄帶寬無線鏈路。
設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)用的無線網(wǎng)絡(luò),需要了解涉及低成本連接的各種折衷方法。最主要的驅(qū)動(dòng)因素是電源,如果仍然必須為一個(gè)無線電裝置供電,則即使不采用數(shù)據(jù)電纜也節(jié)省不了很多錢。但是,你不希望用手動(dòng)收集數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)去換取手工更換電池的麻煩。為了獲得較長(zhǎng)的電池壽命——亦即連續(xù)使用幾年,你必須權(quán)衡帶寬、等待時(shí)間、距離、布局復(fù)雜性、安全性和通用性等多種因素。
基本原理
一個(gè)嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)有多個(gè)組成部分。端點(diǎn)是需要連接的實(shí)際設(shè)備。AP（接入點(diǎn)）或網(wǎng)關(guān)將多個(gè)端點(diǎn)連接在一起,而且常常橋接到一個(gè)有線網(wǎng)絡(luò)。轉(zhuǎn)發(fā)器或路由器將遙遠(yuǎn)的端點(diǎn)與有效范圍以外的 AP連接起來,并為網(wǎng)絡(luò)配置提供冗余路由。如果這些 AP 本身是無線的（考慮到在工廠地面鋪設(shè)數(shù)據(jù)電纜到各個(gè)點(diǎn)的成本）,則可以采用一個(gè)第二層、帶寬更寬的網(wǎng)絡(luò)作為骨干網(wǎng)（圖 1）。也可以用無線或總線方式將數(shù)據(jù)在本地集中起來,然后再送到無線骨干網(wǎng)上。
圖1,一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)(a)使用 Ap（接入點(diǎn)）來把多個(gè)端點(diǎn)連接起來。每個(gè) AP 也有一個(gè)連接到有線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)。處于兩個(gè) AP 覆蓋范圍內(nèi)的端點(diǎn)必須只向一個(gè)AP注冊(cè)。在一個(gè)網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)(b) 中,每個(gè)端點(diǎn)可以作為一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器,為距離遠(yuǎn)得無法連接網(wǎng)關(guān)的端點(diǎn)服務(wù)。網(wǎng)格都有冗余能力：來自端點(diǎn) 1 的數(shù)據(jù)可通過端點(diǎn) 2 到達(dá)網(wǎng)關(guān),也可通過端點(diǎn) 3 和 4 到達(dá)網(wǎng)關(guān)。一種兩層方法(c)可通過使用諸如 802.11 這樣的帶寬較寬的技術(shù)作為與網(wǎng)關(guān)連接的干線,把多個(gè)接入點(diǎn)連接起來。
市場(chǎng)上有多種射頻裝置可供選用�？梢杂� 1 美元的低價(jià)購買 Atmel 公司只發(fā)送的 RF裝置,或者花 2 美元購買有效范圍為 130 英尺、最大數(shù)據(jù)傳輸速率為 10kbps 的收發(fā)器。Cypress 公司的 WirelessUSB 具有 62.5～235kbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率和 50 米的最大傳輸距離,售價(jià)為 2 美
