解析致远电子物联网无线应用

　　1 概述

　　各种无线技术的发展并与孤立传感网之结合应用，将是物联网发展为关键的推动力，也是为重要的组成部分。2009无线技术世界暨物联网国际高峰会议正是着眼于此，立足中国，面向，以"无线技术推动物联网发展"为主题，现场则以分板块、多种形式，全面探讨无线电通信，特别是中短距离的无线通信技术的发展；伴随着以WLAN、蓝牙、UWB、ZigBee、RFID这些短距离无线技术正日益走向成熟，应用步伐不断加快，各种无线通信技术在自动化控制和家庭信息化领域扮演越来越重要的角色，发挥越来越重要的作用；我国近期也通过一系列措施支持和鼓励中短距离无线通信、与无线传感技术相关技术的研发和产业化。

　　2 物联网无线应用需求分析

　　（1）短距离应用

　　短距离无线通信技术在IEE802.15协议中有规范，早在1998年，IEEE 802.15 工作组成立， 专门从事WPAN标准化工作。它的任务是开发一套适用于短程无线通信的标准，分为4个工作组：

　　TG1:蓝牙工作组：蓝牙是无线个人局域网早研究的技术；

　　TG2:共存工作组，解决802.11和802.15之间共存的问题；

　　TG3:高速无线个人区域网络；

　　TG4:低速无线个人区域网络。

　　TG1和TG4分别是我们熟悉的蓝牙和ZigBee技术，蓝牙技术数据率相对高一些，可以达到10 Mb/s,理论上每秒可以传输1 Mbyte的数据，实际传输速度在800 kb/s左右，组网方式为点对点，使用上需要完成一个配对过程，如图1所示，并且没有路由中继功能，适合点对点近距离通信。

 

　　ZigBee技术的网络特性比较突出，数据传输采用接力式，协议中允许网络中包含三种不同的角色，其中功能的角色如路由节点和协调器节点具备路由的功能，可以实现数据的转发，因此可以组建大规模的网络（可达6万个），在Mesh网络结构中，每个节点的角色都是路由器，既有实际功能又同时可以帮助其他节点转发数据。ZigBee组网模型如图2所示。

　　Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和"嗡嗡"（zig）地抖动翅膀的"舞蹈"来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

　　ZigBee技术规范中规定无线端通信波特率在250 kb/s,厂商标准中，会对此限制有所突破，广州周立功公司代理的CEL模块之间可以配置成1 Mb/s的无线波特率。

　　在各种终端机中，如投币游戏机、酒店洗手液盒、地铁自助服务机等，ZigBee模块应用起来都非常合适。

　　在无线路灯控制中，ZigBee技术也在各个城市开始试点，越来越多的路灯厂商开始使用ZigBee产品，周立功公司的ZigBee模块已在几家路灯厂商的实验路上运行。针对这种线型的网络，周立功公司无线事业部推出的ZLGnet协议，可以实现大型快速稳健的路灯系统解决方案。周立功ZigBee模块及配置软件如图3所示。

　　（2）长距离应用

　　在类似景观灯、路灯类型的应用中，由于节点数很多，如果完全使用ZigBee技术的中继功能，在大规模网络中，还是会出现硬件瓶颈、网络上过多的数据包、数据包长度过长，都会导致数据冲突，这时，可以使用增加主路由节点的发射功率和接收灵敏度来实现。

　　这种增强的路由节点好比一个通信基站，大功率ZigBee模块输出功率可以达到100 mW（20 dBm），比一般的节点要多出90 mW,接收灵敏度也比普通节点增加8 dBm,通信覆盖面积可以达到半径1 500 m.ZigBee无线路灯拓扑图如图4所示。

　　在2 GHz~3 GHz的频段中，设备之间通信绕射能力比较差，家庭使用WIFI就有这样的经验，关上门窗，或者置于墙后边，信号会差很多，因此电信运营商在2G转3G的改造中，也不得不增加更多的基站，在较大的楼宇中，还要进行"室内覆盖",这都是这个频段本身的物理特性决定的。相比之下，可以看到对讲机就没有这个问题，保安们使用的对讲机，不管在小区的哪个地方，通话质量都很好，因为对讲机使用的频段一般是400 MHz左右（400 MHz、433 MHz、470 MHz等），这个波段的无线信号可以通过门窗和空隙，绕射传播。通俗地讲，频段越高越类似于光，光是直线传播的，频段低的就像声音，绕射能力强。

　　因此，在非组网模式（点对点，点对多点），还可以使用433 MHz的无线数传模块，但是通信数据率会比较低，组网路由的能力也会差一些。

　　（3）低功耗应用

　　在嵌入式应用中，通常设备不能与市电相连，只能用电池供电，如传感器、有源RFID和无线的水及燃气表头等，要求几个月甚至几年不能更换电池，而且电池的体积受限，容量通常也在1 000 mAh以内，应用WIFI技术显然不能满足功耗要求，而采用433 MHz无线数传模块和2.4 GHz的ZigBee模块，因为硬件调制方式和运行的通信协议栈的原因，在功耗上可满足以上的需求，这些模块在发送接收时只有十几毫安的电流，并且这些收发器启动完毕进入工作状态只需要毫秒级甚至微秒级的时间完成小数据量的发送，马上进入休眠模式，电流维持在几微安，小容量的电池就可以用上几个月。

　　另外一个低功耗因素还在于，运行WIFI协议的设备通常需要运行高端的操作系统，如WinCE或者Linux等，这些系统流畅的运行需要至少ARM9以上的处理器，主频也上百兆，这一部分也是非常耗电的。相比之下，无线物联网节点应用功能单一，只需要简单的操作系统或者前后台系统就可以实现，对处理器要求低，在复杂应用中，还可以考虑使用ARM系列的conrtex-M0处理器，如NXP公司的LPC1000等，功能非常强大，功耗和价格与以往的8位单片机不相上下。操作系统也可以运行类似TinyOS,μcos-II等，实时性非常好。

　　（4）价格敏感应用

　　目前优质的无线通信模块价格较高，因为射频原材料，如微波PCB板材、射频芯片及高频电容电感等，都还比较贵，而且在设计无线前端的走线和阻抗匹配时，需要一套完整的传输线理论基础，并且还要有可实际操作的设计步骤和验证设备，因此技术门槛还比较高。国内一些专注于无线通信领域的团队，深入钻研了无线射频技术之后，也自己做了不少工作，例如周立功无线事业部使用2.4 GHz射频芯片设计生产的ZigBee模块ZM2410,已完成射频前端及整机设计验证、板材及加工工艺攻关、射频一致性测试、高品质射频器件采购存货等前期准备工作，具备本土优势和品质保障的模块，价格上非常有优势。

　　3 展望

　　2011年，除2.4 GHz模块ZM2410（标准功率）和ZICM-2410-P2（大功率）模块之外，广州周立功还将推出433 MHz无线数传模块，配合已有的网关类设备产品（ZigBee转COM口、ZigBee转USB、ZigBee转以太网设备、ZigBee分析仪），以及GPRS/CDMA/3G远距离无线通信，将逐渐完成无线通信领域的技术产品覆盖，为客户提供全面的无线应用解决方案。

　　在无线物联网普及以后，用于动物、植物和机器、物品的传感器与电子标签及配套的接口装置的数量将大大超过手机的数量。无线物联网的推广将会成为推进经济发展的又一个驱动器，为产业开拓了又一个潜力无穷的发展机会。按照目前对无线物联网的需求，在近年内就需要按亿计的传感器和电子标签，这将大大推进信息技术元件的生产，同时增加大量的就业机会。