耳目无所不在：嵌入式设备的联网技术

耳目无所不在：嵌入式设备的联网技术

有了低成本无线收发器，使网络扩展到深层次嵌入式设备成为现实。

　　要点
　　●   低成本无线链路可以降低安装和维护成本，并可提供移动性。
　　●   电池寿命至关重要，最有效的节能方法是降低发送的频率和距离。
　　●   混合发送机制可以使你在同一网络上能更有效地支持多种多样的应用系统。
　　●   当你要管理的成百台设备没有足够的智能知道自己是网络的一部分，使用方便性是必不可少的。

　　鉴于人工设备管理是一项劳动密集型的工作，嵌入式网络的应用范围正随着成本的降低而不断扩大。正如控制系统（例如照明控制系统）那样，工业传感器网络是这一技术的基础。新型应用系统包括利用移动端点跟踪并监视一个组件的供应链管理系统、利用传感器从人体采集信号并将该信号发送给监控站的远程健康监控系统，以及使用传感器快速地保护某个场所的安全系统。
　　许多公司正指望用无线技术将嵌入式设备连接起来，从而避免安装电缆和电源线的高额费用。诸如温度传感器等设备每分钟可能只发送几个字节的数据。对于这种设备来说，诸如 802.11、蓝牙和 Zigbee 这些著名标准的成本太高，协议过于复杂，功耗也太大。你既不可能利用 X10 变焦技术可靠地监控一个工厂，也不可能经济实惠地为一电灯配备 TCP/IP 协议栈。大量嵌入式网络需要的是一条低成本的窄带宽无线链路。
　　设计一个实用的无线网络，需要了解涉及低成本连接的各种折衷方法。最主要的驱动因素是电源，如果仍然必须为一个无线电装置供电，则即使不采用数据电缆也节省不了很多钱。但是，你不希望用手动收集数据的负担去换取手工更换电池的麻烦。为了获得较长的电池寿命——亦即连续使用几年，你必须权衡带宽、等待时间、距离、布局复杂性、安全性和通用性等多种因素。
　　基本原理
　　一个嵌入式无线网络有多个组成部分。端点是需要连接的实际设备。AP（接入点）或网关将多个端点连接在一起，而且常常桥接到一个有线网络。转发器或路由器将遥远的端点与有效范围以外的 AP连接起来，并为网络配置提供冗余路由。如果这些 AP 本身是无线的（考虑到在工厂地面铺设数据电缆到各个点的成本），则可以采用一个第二层、带宽更宽的网络作为骨干网（图 1）。也可以用无线或总线方式将数据在本地集中起来，然后再送到无线骨干网上。

图1，一个星型网络(a)使用 Ap（接入点）来把多个端点连接起来。每个 AP 也有一个连接到有线网络的网关。处于两个 AP 覆盖范围内的端点必须只向一个AP注册。在一个网格网络(b) 中，每个端点可以作为一个转发器，为距离远得无法连接网关的端点服务。网格都有冗余能力：来自端点 1 的数据可通过端点 2 到达网关，也可通过端点 3 和 4 到达网关。一种两层方法(c)可通过使用诸如 802.11 这样的带宽较宽的技术作为与网关连接的干线，把多个接入点连接起来。

　　市场上有多种射频装置可供选用。可以用 1 美元的低价购买 Atmel 公司只发送的 RF装置，或者花 2 美元购买有效范围为 130 英尺、最大数据传输速率为 10kbps 的收发器。Cypress 公司的 WirelessUSB 具有 62.5～235 kbps 的数据传输速率和 50 米的最大传输距离，售价为 2 美元。花不到 10 美元，你就可以买到 Xemics 公司生产的数据速率高达 152kbps、传输距离达到几公里的插入式模块， 或者 Millennial Net 公司生产的自配置 i-Bean 模块，该模块的传输距离为 100 米的 LOS（视距），数据速率为115kbps，而且功耗很低。还有带宽更宽的射频装置，例如 Cirronet 公司的 WIT2410模块，其数据速率为460.8 kbps，输出功率有10mW 和100 mW 两档可供选择，售价低于 200 美元。AP 的价格从远低于 100 美元至超过 1000 美元不等，视网络的健全性和需要部署的功能而定。
　　链路可以是集成的 RF 芯片或完整的模块。模块一般具有比 RF 无线电装置多得多的功能，例如 ADC、数字 I/O、PWM 发生器、存储器或者附加的处理器。一开始你可能希望用模块翻新现有设备。但模块通常比自己制作的设备要昂贵，因为它们带有软件和相应的 AP。要考虑有时候为节省成本而集成模块的难度：如果你无法用自动装配系统将模块焊接到主板上，那就得在自己的装配线上手工进行劳动量大的翻新。
　　不同端点具有不同的连接需求。周期性地监控多台设备可提供连贯的数据流。但是，在没有争用和干扰的情况下，10 台以 5kbps 速率传输数据的设备就需要 50kbps 带宽。为了防止出现争用，AP 可以使用 TDMA 模式，以便有效地将带宽分配给每个端点。这种方法对于可预测的信息传输很有用，但是对于突发传输则没什么作用。虽然它们不需要传输补偿和冲突机制，但是未用的时隙却浪费了带宽。TDMA 对一个 AP 能支持的端点数有严格的限制；当增加更多端点时，特别是在支持移动端点时，就会减小每台设备的带宽。如果打算达到带宽的极限，则你就会希望有一种适当的 QoS（服务质量）机制。举例来说，在试图使用信道之前，较低优先级的设备可能要比较高优先级的设备等待更长的时间，从而对较高优先级设备有利。
　　但是，连贯的传输使电池寿命缩短得最快。为了减少传输，你可以采用一种轮询机制，亦即各端点只在AP 要求其传输时才传输数据。轮询机制可减少端点争用信道，从而提高带宽使用率，但却会增加两次传输之间的等待时间，进而限制响应时间。轮询还需要一种存储转发机制，亦即一个端点要存储周期性的数据，直到它有机会发送为止。
　　存储转发机制最适合于有可能短暂离开网络的移动端点；你可以在组件还在工厂里的时候对它进行跟踪，保存运输过程中的温度数据，并在组件到达目的地时恢复这些数据。网格网络经常在有些端点转发其他端点的数据的场合使用存储转发机制，或者在QOS 有效时缓存数据（见附文《网格网络》）。
　　有一种事件驱动机制能使端点实现自身的智能管理。举例来说，当其为高尔夫球场浇水时，你只需要知道湿度和温度。这种机制只传输必需的信息，就可节约电能和带宽。但是，它要求使用一种具有更多智能的端点。此外，你还需要一种“心跳”机制，务必使传感器保持工作状态。
　　如果网络可以包含多种类型的端点，则一个能支持这些机制混合的协议就可以最有效地利用带宽并节省电能。例如，你可以为事件驱动的传输或者突发传输保留几个 TDMA 时隙，从而用同一个 AP 同时支持轮询端点和事件驱动端点。