為了更好的服務最終用戶，公共事業公司和市政局開始擴展智能計量系統，以解決實時數據不斷增長的問題。公共事業公司通過智能電表，能夠更頻繁和更有效的查看客戶的能源消耗信息，同時也能快速識別、隔離，以及解決電力失效等問題。消費者也能通過互連來獲取相關信息。室內網絡設備均能實時報告其狀態和能耗，并且還能響應公共事業公司發出的信息。采用智能能源和智能家居系統，消費者將更加方便和高效，例如，在電費最低的時候控制激活洗碗機，或是適時提醒用戶需要添加洗滌劑。

同樣的，在鐵路運輸網絡中，無線傳感器能可用于遠程監視廣闊的軌道網絡，技術人員能提前識別維護需求，以降低人工軌道巡視的成本和遲延。

 

無線傳感器網絡的核心需求

 

可擴展性對于無線傳感器網絡環境至關重要。某些傳感器僅每秒進行一次狀態更新，并且每次僅傳輸幾個字節信息，但單個建筑物可能有數萬個節點。舉個例子，美國拉斯維加斯的Aria酒店，部署7萬多個采用ZigBee網狀網絡通信的節點，以便控制照明、空調和建筑物周圍的許多其他服務。在多數應用中，傳感器需要安裝在無法連接主電源或只能電池供電的位置。因此，可靠的網絡架構要求有能力處理大量匯聚的數據，但傳感器節點自身必須低功耗。

可靠性、可擴展性和電源效率的組合，明確界定無線傳感器節點能夠采用的通信技術需求。系統集成商不僅要考慮所選拓撲結構和無線協議的優缺點，也要考慮無線技術本身固有的物理屬性。混凝土墻和多徑衰落對于任何無線系統來說都是不利的，但也有辦法減輕影響。為了解決這個問題，不同國家有不同的法規來管理無線電頻譜和可用的頻率范圍。

其中2.4GHz已成為無需授權的全球頻段，因此無線系統的設計能夠服務于全球所有主要市場。例如Wi-Fi是基于2.4GHz頻段的通信技術，其擅長在兩節點之間快速傳輸大量數據，但同時消耗能量高，并且在星型配置中，每個AP限制在不超過15-32個客戶端。Bluetooth是另一種2.4GHz技術，其針對便攜式設備，主要作為點對點的解決方案，僅支持幾個節點。ZigBee與Bluetooth和Wi-Fi共享相同的無線頻譜，但僅用于滿足低功耗無線傳感器節點的特殊需求。表1匯總目前的無線網絡技術核心特性和能力。

 

 表1 無線網絡技術和標準的比較

 

ZigBee：無線網狀網絡的優化解決方案

 

ZigBee基于全球標準，是一個開放的無線網狀網絡技術。與傳統的網絡架構不同，例如星型和點對點，網狀網絡采用最低成本節點為建筑物內的所有位置提供可靠覆蓋 (參見圖2中網絡拓撲結構選項對比)。ZigBee采用動態、自主的路由協議，基于AODV(AdHocOn-demandDistanceVector)的路由技術。在AODV中，當一個節點需要連接時，他將廣播一條路由請求報文，其他節點在路由表中查找，如果有到達目標節點的路由，則向源節點反饋，源節點挑選一條可靠、跳數最小的路線，并存儲信息到本地路由表以便用于未來所需，如果一條路由線路失敗，節點能夠簡單的選擇另一條替代路由線路。如果源和目的地之間的最短線路由于墻壁或多徑干擾而被阻塞，ZigBee能夠自適應的找到一條更長但可用的路由線路。

 

 圖2 - 網絡拓撲結構比較

 

例如，基于SiliconLabsEM35xEmberZigBeeSoC和EmberZNetPRO協議棧的無線傳感器網絡，可提供自配置和自修復的網狀網絡連通性，能夠擴展連接單一網絡中的數百或數千節點。“ZigBee認證產品”的快速開發得益于EmberAppBuilder，其隱藏協議棧細節，聚焦ZAP(ZigBeeApplicationProfiles)實現的開發工具。通過圖形化界面，開發人員能夠快速選擇應用所需的屬性，然后由AppBuilder自動生成所需代碼。

為發揮ZigBee網絡靈活性的最大優勢，需要高效的調試工具。網狀網絡的復雜性使傳統網絡分析工具(例如Packetsniffer)使用起來更加困難。事實上，由于包可能穿越多跳到達目的地，許多中間傳輸超出分析儀的應用范圍。對于這個問題，目前唯一的解決方案是采用SiliconLabs桌面網絡分析儀(DesktopNetworkAnalyzer)，此款分析工具功能強大，能夠在圖形化界面內展示網絡中每個包收發的全貌，并且內置協議分析和可視化跟蹤引擎，開發人員可以協調網絡通信和裝置的任務。

在某些情況下，網狀網絡并不是合適的選擇，因為節點密度太低，因此無法提供有效的故障轉移支持。例如，公路或鐵路網絡拓撲結構需要沿著狹長路徑寬間距部署節點。同樣，校園的外部設施對于采用網狀網絡來說過于稀疏。在這些環境中，星型拓撲結構結合可跨越更遠距離，因而更可靠，更合適。

 

Sub-GHz：長距離和低功耗通信的理想選擇

 

無線傳播與頻率成反比，在低功耗、長距離通信或穿墻能力上，sub-GHz射頻更有優勢。對于許多應用，433MHz成為2.4GHz的全球替代品(但日本不允許其用于無線應用)。基于868MHz和915MHz的設計可用于美國和歐洲市場。有許多可用的無需授權或需要授權的頻段，對于系統集成商來說，既可選擇在某些特定區域進行性能優化，或者配合公共事業公司在廣闊區域設計系統。在這種多樣化中，與2.4GHz頻段相比，sub-GHz頻段頻譜干擾更少。干擾較少的頻段能提高網絡的整體性能，減少傳輸中的重傳次數。

第三方和基于標準的網絡協議棧可用于sub-GHz射頻，但許多廠商仍選擇專用解決方案來針對其特定需求。許多無線協議面臨著一個問題，接口要不斷激活“監聽”網絡中通信。數據發射比數據接收消耗更多的能量，但是發射是短暫的，并且有長時間間隔，因此長期平均能耗通常更低。在許多無線協議中，接收器不知道消息何時到來。因此不得不保持監聽以便不丟失任何數據，因此即使沒有消息，接收器也不能完全關閉能耗。這種情形將限制節點的電池自主權，需要對電池定期更換或充電。

Sub-GHz收發器，例如SiliconLabsSi446xEZRadioPROIC，支持從119MHz-1050MHz的頻率范圍，最大146dB的鏈路預算，以及休眠模式下僅需50nA電流消耗。為了減輕多徑衰落的影響，EZRadioPRO芯片支持雙天線，并在芯片內集成天線分集邏輯算法。通過采用跳頻和時鐘同步技術相結合的方法，系統集成商能夠在協調器和終節點之間實現跨越數公里的sub-GHz網絡，同時終節點采用單電池可運行十年以上。由此系統集成商能夠采用少量協調器即能可靠覆蓋特定區域，并且把終節點放置在主電源無法連接的地方。

 

無線共存和云

 

在無線網絡世界中，沒有一種“萬能”的解決方案。在大規模、低功耗網絡中，不能僅選擇無線網絡中的某一種形式。Sub-GHz和ZigBee無線網絡可以很好的共存，因為他們采用不同的無線電頻譜，并且具有獨特的屬性。例如，在校園中，2.4GHzZigBee適用于室內自動化系統，而sub-GHz用于戶外燈控。可靠有效的收集數據能力當然是最重要的，但是為了真正激發網絡潛能，實現所有實時信息的數據分析、可視化，以及對移動服務的訪問，則需要連接到云。

大規模網絡通常利用回程系統，把每個子網中收集的信息轉換成當前大多數世界信息的中間媒介-互聯網協議(IP)。在每個收集點，把接收到的數據轉換成適合在標準IP幀中傳輸的格式。大多數情況下，使用在傳感器網絡中的網絡協議頭將剝離并進行包分析。然后，回程系統能夠把含有源和目的信息的原始數據裝配成IP包，而無需維護傳感器網絡的系統開銷。接下來，IP包采用與其他互聯網數據包一樣的方式進行路由，從而服務提供商可通過云的服務，來分析和可視化信息，并且消費者也可以通過平板電腦、筆記本或手機來管理和操作數據。

這是令人激動的時代!無線技術和低功耗操作的發展帶給我們諸多便捷，我們可以測量、監視和控制我們的環境，而以前是無法想象的。現實中無線技術的使用多種多樣，污水管理和森林火災探測一類的應用可能仍然處于起步階段，而智能電表、安全和樓宇自動化等應用已經為商家和消費者帶來效率和便利性。由于不同的技術各有優勢，ZigBee協議和sub-GHzRF系統為實現高可擴展和可靠性的低功耗無線傳感器網絡提供理想的解決方案。發展正在加速，而我們看到的物聯網才剛剛開始。