WSN与众不同之处
无线感测器网路(Wireless Sensor Network;WSN)约是在2000至2001年间开始兴起,台湾则是在1到2年后开始重视WSN。相较于今日多数的新无线标准,WSN是很特殊的新应用。
今日无论是Wi-Fi、WiMAX、3G、Bluetooth等新无线标准,其末端发送/接收者用户都是以人为本,是为了让人与人沟通便利而设。相对地,WSN的末端用户,多半是装设在环境中设备上的感测器或者是致动器(Actuator)等等;与人接触相关部分,仅有一些属于监控数据的显示器、或是监控操作用的按钮等。简言之,WSN是为了在环境现场以设备环节装置进行感测、监督、控制而设。
WSN另一个特性与多数新无线标准所不同的是,多数新无线标准隶属的传输范畴都已获得确立,例如Wi-Fi属于无线区域网路、3G是无线广域网路的主流、Bluetooth在无线个人区域网路及无线免持听筒方面已经成熟等。而相较之下,以何种主流标准作为WSN领域的轮廓,似乎依旧模糊而尚未成形。
多样标准在WSN新生阶段并存并用
目前为止,WSN领域中最具未来主流发展可能性的标准,似乎是其底层基础标准为IEEE 802.15.4的ZigBee,不过相关业界对此并非全然认同。自2004年底ZigBee标准颁布发表后,反而有许多业者与组织陆续提出与ZigBee相同诉求或性质相近的标准。或许有两种可能来解释这种趋势,其一是WSN尚属新生阶段,当前真正具份量的主流标准未成形前,厂商仍有机会争取按自有标准一统江湖,所以同时期多种标准如雨后春笋般浮现竞逐实属正常,等到大势底定,主流成熟的标准自然为业界所心悦诚服。
另一种可能,则是目前ZigBee无法满足WSN领域涵盖各个层面的多样需求,WSN的应用范围非常大,不太容易以单一标准适用于所有类型的空间环境,自然环境监控、医疗环境监控、家庭自动化、设备监控等场合性质几乎互不隶属,因此有可能在短期之内,WSN领域仍旧保持多种标准并用并存的状态。
无论如何,眼前WSN标准众声喧哗是既定事实,而在WSN领域中,各个所推出的新无线标准特性及发展现况为何,便是相关业界开发WSN技术与应用时应该关注的焦点。
Wibree、RuBee、Z-Wave各执擅场
在WSN标准的新生阶段,有几个技术标准动向受到瞩目,包括Wibree、RuBee、Z-Wave等等。不过这些新标准技术并不一定与WSN有直接相关,却都可以作为短距离无线传输标准的新款替代方案选项之一。
Wibree
首先来说明Wibree。 Wibree是Nokia在2006年10月所提出的技术,Wibree的实体层位元传输率仅有1Mbps,收发距离则在30英呎(约10公尺)之内,收发工作频段为2.4GHz,从这些技术特性来研判,Wibree都与现有Bluetooth 1.x相近,很明显的Wibree会是Bluetooth的替代性技术。
![《图一 Nokia提出的Wibree无线技术,有很大的意味是为了替代Bluetooth在手机上的应用,Wibree宣称用电仅Bluetooth的1/10,图为Wibree标章。 》](/art/2007/05/220953278909/p1.gif)
《图一 Nokia提出的Wibree无线技术,有很大的意味是为了替代Bluetooth在手机上的应用,Wibree宣称用电仅Bluetooth的1/10,图为Wibree标章。 》 | 数据源:Wibree.com |
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作为全球第一的手机大厂,Nokia有为数众多的手机产品需要内建无线免持听筒、无线档案传输及列印等功能,这些应用范围目前大多以Bluetooth技术实现,可是每支使用Bluetooth技术的手机,都需支付技术权利金给授权机构Bluetooth SIG。为节省成本,Nokia便另立Wibree替代方案以合算方式尝试取代Bluetooth。因此,Wibree与WSN领域并无关连。
![《图二 Wibree技术的通讯协议堆栈图。 》](/art/2007/05/220953278909/p2.gif)
《图二 Wibree技术的通讯协议堆栈图。 》 | 数据源:Wibree.com |
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RuBee
其次是RuBee。 RuBee类似Wi-Fi、WiMAX、ZigBee等发展模式,在底层技术上倚赖IEEE所订立的标准。 RuBee的底层技术为IEEE 1902.1(实体层、资料连结层等规范),不过该标准仍处于提案阶段,因此也称为IEEE P1902.1(P字母为Proposal提案之意),所以RuBee尚未成为正式标准,预计在12~18个月后正式标准便可出炉。
与Wibree相似,RuBee的性质也是以替代性应用为新技术主要考量,其对象正是RFID,不过也有部分互补的用意;因此RuBee在技术特性上,与RFID有诸多差异之处。先以RuBee Tag与RFID Tag来做比较,RFID Tag多为单纯的EEPROM记忆体,而RuBee Tag则多为微控制器;RFID Tag多半不带有电池,也可选用配备,而RuBee Tag几乎都带有锂电池;RuBee Tag的好处在于读取与写入标签资讯时,都只要相同的磁波能量与存取时间,相对地RFID在写入时需要较多的感应能量以及较长的存取时间。
![《图三 Visible Assets公司所推出的RuBee(IEEE P1902.1)射频卷标。》](/art/2007/05/220953278909/p3.gif)
《图三 Visible Assets公司所推出的RuBee(IEEE P1902.1)射频卷标。》 | 数据源:www.rfidjournal.com |
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此外,RuBee能以较低的频率、较长的波长进行感应,其波段频率低于450kHz,最佳化的运作频率则在132kHz。 RuBee选择低频的主要原因,很可能在于RFID的前车之鉴。在高频(HF)的RFID感应应用,若RFID Tag所附贴的物品为金属(如罐头)或液体(如饮料)时,金属易造成感应波的反射,以致感应效果变差,而液体更是会吸收感应波,而低频的RuBee则较无此种问题,制作成本低、并且能够感应抗杂讯。
另外,RuBee的感应距离在3~30公尺之内,使用锂电池运作的标签,可以连续使用10~15年,能与附贴保存品的保存年限内都不用再换替标签及电池,传输率最高可达9600鲍率(Baud),超越一般在1200鲍率的效能。
RuBee的应用范畴与RFID相近,不过RFID并非是WSN,RFID用于器物货品等物流的感应辨识,严格来讲WSN应用于设备环境。两者较相近之处则在于:RFID与WSN都不是Wi-Fi或Bluetooth之类的无线个人网路通讯范畴;此外RFID和RuBee都的应用都以类似传统条码呈现,读取器与标签之间是1对1、1对多的感应存取模式,连接拓朴层面属于点对点或星状(Star)放射,而非WSN的多节点间相互资讯中继与传递(Mesh)。
Z-Wave
再来看看Z-Wave。 Z-Wave是丹麦厂商Zensys所创立的无线技术,Zensys为了让此技术有更高的普及适用性,因此另外成立一个技术标准的管理与推行机构Z-Wave Alliance,由该机构负责标准的后续增订、修订,并欢迎其他业者会员的加入与参与。
从技术面来审视Z-Wave,将其归属于WSN是恰当的。 Z-Wave采行多节点互连的Mesh型连接拓朴,各节点能相互转传资讯,并能以低功耗方式运作;节点间的资讯传递具有高度即时性、并确保高度正确性,以及资讯内容量小等特点。不过Z-Wave并非是适用所有环境场合,而是集中针对家庭自动化而设计的WSN技术。
![《图四 Zensys公司的Z-Wave系统单芯片ZW0201,宣称在简单的应用如传感器、遥控器、门锁等情况下,只要2个AAA电池即可使用10年。 》](/art/2007/05/220953278909/p4.gif)
《图四 Zensys公司的Z-Wave系统单芯片ZW0201,宣称在简单的应用如传感器、遥控器、门锁等情况下,只要2个AAA电池即可使用10年。 》 | 数据源:www.zen-sys.com |
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在Zensys尚未提出Z-Wave技术之前,Zensys本就专注于家庭自动化的电子设计方案。由于Z-Wave的一个区网仅只允许设置200多个节点(定址长度8-bit,具体数字是232个),相对地ZigBee却可以有6万多个节点(定址长度16-bit,具体数字是65536个),若要进行大型工厂与大面积环境的监控,仅有200多个节点的Z-Wave绝对是不够的,所以Z-Wave只适合家庭应用,目前主要应用来调整灯光、自动百叶窗、空调等方面,未来则可能用来遥控各种自动化家电或数位家庭概念的相关产品。
再论RuBee
前述的RuBee还有更多的技术细节值得分享。由于RuBee内部一定会包含微控制器、提供基准时脉频率给微控器的石英震荡器、锂电池、无线收发天线等零组件,所以业界人士会担心RuBee Tag的体积是否会大于RFID Tag。不过在技术上典型的RuBee Tag仅有1×1×0.7英吋,有些在厚度体积上还能薄于1.5mm,已与RFID相去不远。而在标签内的硬体资源方面,典型RuBee标签内的4-bit微控器还具有1KB~5KB不等的SRAM记忆体,另外可选择加装感测器、或者是简易的显示器及按钮等。
![《图五 典型不具备自有电能的被动式RFID卷标天线》](/art/2007/05/220953278909/p5.gif)
《图五 典型不具备自有电能的被动式RFID卷标天线》 |
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值得注意的是,RuBee Tag支援IPv4协定,这表示RuBee Tag可透过Internet进行存取。不过近年来IPv4的位址数逐渐不够配发,因此RuBee Tag可能需要透过内外IP的对应与转换才能实用,像类似的ZigBee相关增订标准中,有一项便是能让ZigBee节点位址与IPv6位址相互对应转换的机制。
此外RuBee采行可变长度的讯息封包,封包大小约在数十个Byte至数百个Byte之间,同时也支援传输加密,目前的安全防护作法近似于一次性金钥(One Time Key)的概念。
在应用上,RuBee也收到全球卖场厂商与电子资讯化方案业者的支持,卖场业者包括英国Tesco、德国Metro、法国Carrefour、美国Best Buy等都鼎力支持;电子厂商包括HP、IBM、Sony、Panasonic 、Motorola、NCR等都鼎力支持。 RuBee预计将应用在物流追踪(仓库、商店、卖架)、医疗管理(医院、手术室、医疗设备及器材)、以及农务管制(牲畜、进口动物管制)等领域。
再论Z-Wave
与其他无线技术不同,Z-Wave的发展并没有以IEEE标准为基础,这或许是IEEE组织已认定全力发展ZigBee的结果。原本Z-Wave并不被业界看好,但在Cisco采行Z-Wave技术、以及Intel投资Zensys公司及其Z-Wave技术之后,Z-Wave技术受到关注的幅度大大提升起来。之后Microsoft也在.net Micro Framework的预想性应用展示中,应用Z-Wave技术,尔后也有Logitech推出使用Z-Wave技术的家庭遥控器。接连多家国际大厂的积极态度举动,使业界对于Z-Wave技术更感好奇,甚至许多人将它与ZigBee进行比较。
Z-Wave主要有2个可用的频段,在欧洲使用868.42MHz,在美国则用908.42MHz,调变上使用GFSK,初期标准传输率为9.6kbps,随后又增订出40kbps的新速率,且新旧速率的节点可相容共通运作。
在传输距离上,Z-Wave在毫无阻隔遮蔽的条件下,两节点间的传输距离可达100英尺(约30公尺),不过当有遮蔽阻隔时,传输距离就会缩短,不过仍可穿透阻隔持续完成传输,长度缩短的幅度则与阻隔物的材质相关连。此外Z-Wave各节点可以协助资讯转传,最多可以跳跨4个装置节点,若各跨段皆为最远传输的100英呎,则最远传递距离可达400英呎。
除上述特点外,Z-Wave相当低廉简单,Z-Wave单晶片收发器每颗已低于3美元,且使用8-bit的8051微控制器就可操作,相对的Bluetooth的无线通讯,最少都要32-bit的ARM7处理器才能操控。
不过Z-Wave的缺点在于,不是使用最具全球通讯适用性的ISM频段,工作频段没有可切换的通道(Channel),如此将不易排除干扰,且传输上没有加密的安全防护措施,加上节点数不足,还有其他产销面的顾虑,因此目前Z-Wave收发器晶片仍由Zensys独家供应,对欲采行应用的业者而言,仍有供货源上的难题需克服。
参考方向之一:ODVA机构提出CompoNet网路标准
CompoNet过去在研发阶段的专案名称为「CipNet SA」,之后在2006年4月时由ODVA组织发表,才正式命名为CompoNet。 ODVA在订立CompoNet之前就已订立过许多网路标准,包括DeviceNet、ControlNet、EtherNet/IP等等。这些网路标准都有共通特性,那就是只定义实体层、连结层、传输层的技术标准,更往上的协定层则一律采行CIP(Common Industrial Protocol)协定,所以DeviceNet、ControlNet、EtherNet/ IP以及CompoNet等,也都被称为CIP网路。
![《图六 ODVA组织订立了各种适用于CIP协议的网络标准,包括DeviceNet、ControlNet、EtherNet/IP等,而最新的成员则是CompoNet。 》 - BigPic:761x638](/art/2007/05/220953278909/p6.jpg)
《图六 ODVA组织订立了各种适用于CIP协议的网络标准,包括DeviceNet、ControlNet、EtherNet/IP等,而最新的成员则是CompoNet。 》 - BigPic:761x638 | 数据源:www.odva.org |
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CompoNet确实是针对感测器、致动器而设计的网路,但却不是无线网路,而是实线网路。 CompoNet采行Master/Slave实体连接架构,网路中最多可以有1个主控(Master)节点、64个中继器(Repeater)、以及284个Slave节点。在传输速率上CompoNet有4Mbps、3Mbps、1.5Mbps以及93.75kbps 等4种速率。
CompoNet在连线长度上最远可达1500公尺,但是要达到理想值,必须在速率上使用最低的93.75kbps,同时连线架构中必须用上中继器,线路必须是用Round Cable才行,而CompoNet的Master到Slave之间,最多只能透过3个中继器。
CompoNet的线路类型与连接拓朴也值得注意。 CompoNet的可用线路,除了前述的Round Cable外,还可使用以压力夹钳成的IDC连接器IP20。这个被称为Flat Cable的装置,除了传递信号外,也可以顺带传输电力,最高可传递直流电压24V、电流5A的电能,如此就可以在供电状态下实现节点的新增及移除作业。
![《图七 CompoNet独有的Flat缆线以及用压力夹钳成的IDC连接器。 》](/art/2007/05/220953278909/p7.gif)
《图七 CompoNet独有的Flat缆线以及用压力夹钳成的IDC连接器。 》 | 数据源:www.odva.org |
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在连接架构上,CompoNet提供2种弹性的连接拓朴,允许使用daisy-chain型态或者是trunk-line型态的连接方式,并可支援阶层式连接,同时也提供高可用性(High Availability;HA )的备援连接。目前最先支援CompoNet的业者为日本的欧姆龙(OMRON)与美国洛克威尔自动化(Rockwell Automation)。
参考方向之二:Dusk Network公司提出RTMP通讯协定
TSMP的全称为Time Synchronized Mesh Protocol,TSMP确实是针对WSN而提出的通讯协定。该协定的内容范畴,在于OSI通讯堆叠模型中的资料连结层、网路层与传输层。至于最底层的连结层,则不在TSMP的定义内,不过TSMP在此层次也有2种选择:直接取用IEEE 802.15.4的定义,即是使用与ZigBee相同的实体层,但只使用2.4GHz的ISM频段;另一则是使用900MHz频段,不过却没有依循的标准,而是使用专属性技术来实现。
![《图八 TSMP支持多种连接拓朴,包括网形(Mesh)、星形(Star)、以及星网形(Star Mesh),星网形的内部为网形(交错性连接),外部为星形(放射性连接)。 》](/art/2007/05/220953278909/p8.gif)
《图八 TSMP支持多种连接拓朴,包括网形(Mesh)、星形(Star)、以及星网形(Star Mesh),星网形的内部为网形(交错性连接),外部为星形(放射性连接)。 》 | 数据源:www.dustnetworks.com |
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TSMP在多方存取上,采行TDMA技术,以时槽(Time Slot)来进行传输配置。而为了合乎WSN运用上力求节点省电的应用要求,各节点只有在预先排定的工作排程中、有需要收发传输时才会唤醒运作,否则都会进入休眠模式。
此外,TSMP为了能在恶劣环境下也能完成传输的应用考量,除了采行与Bluetooth相同的跳频(Frequency Hopping)技术来抗干扰外,相同的资讯在透过不同节点进行传递时,也会换用其他通道(Channel)来传递。另外,TSMP也善用Mesh连接拓朴,来做为WSN的容错与备援网路,同时也在协定中加入多种智慧性机制,使整个WSN运作更为顺畅耐用。