如何理解嵌入式無線技術的未來

摘要：過去幾年里，無線嵌入式控制技術的推動者們已經無數次向設計工程師們描述了其美好愿景，但有一個問題：我們真的理解嵌入式無線技術嗎?在多種標準共存的環境下，需要相互協調。

關鍵詞：無線；ZiKbee；Wireless HART 802.15.4；WiEC

無線嵌入式控制的理想

首先，應該給出無線嵌入式控制技術的合理定義。在收發器層，無線嵌入式控制技術通常是指低功耗無線電技術，其特定范圍在10m-50 m之間，數據傳輸速率在4Mbit/s以下，可運行于任何工業、科學和醫療(ISM)頻段。無線嵌入式控制技術利用網絡協議來控制無線節點之間的通信。網絡的拓撲結構通常有機器對機器(M2M)通信的簡單點對點拓撲、基礎無線傳感器網絡(WSN)的星型拓撲，以及高級自愈網狀網絡的Mesh拓撲。在所有這些拓撲結構中，節點之間都可以進行通信。

大家都會對無線控制技術推動者所描述的美好愿景歷歷在目，這些愿景會不斷發生變化，但無一例外的是，推動者們使用了低功耗、低成本、高可靠性、高安全性、易于設計和使用這些詞匯描述它們。

用戶逐漸意識到無線嵌入式控制技術所帶來的效率的提高和成本的降低，整個世界將被這些小型低功耗收發器所覆蓋，它們將所有東西都連接在了一起。

然而，不幸的是，在炒作多年后，仍然沒有一種無線技術能夠同時滿足上述那些美好的愿景。在實際的工程設計中，我們看到的往往是采用折衷方案。怎么可能會有一種技術能夠適合同時控制家里的電燈和控制工廠的安全閥呢?而一些無線嵌入式控制技術的推動者們的確向我們描述過這種美好的愿景。然而，在幻燈片陳述完這些美好的愿景之后開始實際操作時，卻出現了許多意想不到的情況。或許是夸大其詞，或許是芯片和協議棧太遜色了，或許工程師們根本就不該相信一種技術就可以解決所有問題。

愿景為何失敗

有幾個原因可以解釋為什么這些愿景會失敗。首先是有一些指定的性能目標從根本上就與其它一些相對立，這使工程設計面臨不可逾越的挑戰。比如，低成本與高可靠性。在工程上實現低成本需要一整套方法來減少花費。先必須減小硅片的尺寸，這就需要在收發器架構(比如開環與閉環調制，后者能提供更高的可靠性，但需要更大的裸片尺寸)上進行取舍。接下來，網絡協議棧的大小需要裁減，以最小化運行RF收發器的處理器所需的代碼空間的數量。而減小網絡協議棧就意味著一些智能化功能(如完整的點到點路由和網絡自愈能力)將不存在。

從根本上來說這種折衷并沒有錯誤，畢竟“低成本”與“高可靠性”是一些相對的詞語。究竟多低才算是“低成本”呢?這取決于面對的用戶對象是誰。假設一個無線節點的成本是100美元。相對于家庭用戶來說，如果用這種節點作為電燈開關就太貴了。但對那些為工廠設計工業過程自動化解決方案的客戶而言，又是完全可以接受的。

然而不幸的是，對這種事實的初始的反應是層出不窮的各種無線嵌入式控制技術，每一種技術都宣稱它具有其它技術不具有的優勢。下面是一些商標和品牌：ZigBee、ANT、z—Wave、INSTEON、Wavenis、ISASP-100、WirelessHART等，以及其它一些來自Cypress、Nordic、TI和Freescale等公司的RF專有技術。每一種技術都堅信自己能夠提供更好的解決方案。事實上，根本不需要這么多技術投向同一個市場，但是很多人都忽視了這一點。

結果就是，市場被過度分割了。用戶有大量的嵌入式無線控制技術可以選擇，對這些技術來說，并沒有真正的贏家。一些消費者正在持觀望態度，不愿意將資金投入到這些技術中，因為一旦這些技術將來不被采用，最終將血本無歸。

多種標準的共存與協調

好消息是，這種壓力正在縮小，嵌入式無線控制技術領域所必需的、而且使得其中有競爭力的技術逐漸顯現出來。自然選擇的基本原理就是適者生存。目前這些技術正在走向成熟，至少比起先前要成熟的多。各種炒作也逐漸褪去，基于理性的、規范的思考方式正漸漸展開。

新的觀點是單一技術不可能同樣有效地解決所有問題。但是，它可以很好地解決一部分問題。家用電燈開關和工廠的安全閥可能都使用無線連接來控制，但是可能不會使用相同類型的無線連接。通過更好的理解市場和應用，供應商和推動者正在調整他們的工作重心和產品系列。

拿ZigBee來說，ruesh技術將被應用到從超低成本的消費類應用到實現關鍵任務系統控制的工廠應用中。最近，ZigBee聯盟正在關注一些能充分顯示ZigBee優勢的應用，包括自動測量架構(AMI)和商業樓宇自動化等領域。現在，我們很少提到將zigBee用于消費類應用(低成本使得zigBee相比其它技術來說缺乏競爭力)和過程自動化應用(需要高可靠性和高安全性)。ZigBee規范將繼續(最近新增了zigBee PRO功能集)致力于解決用戶在過去兩年里嘗試實現ZigBee系統時所面臨的各種問題。對于供應商和用戶來說，版本的兼容性仍然是一個難題。

zigBee在工業過程自動化方面的欠缺導致出現了一些衍生技術。設計人員認識到，如果將IEEE802.15.4/zigBee通信協議與適合工業過程自動化的網絡協議相結合，能夠有效地將RF收發技術用于工業過程自動化。由HART通信基金會(HCF)推動產生了WirelessHART技術。HART技術的有線版本已經安裝到了2000多萬個設備單元中，無線版本的推出旨在促進大規模的部署。HCF的成員Emerson ProcessManagement和Endress+Hauser等公司已經重新調整了技術方案來解決他們非常熟悉的問題。至少在理論上，wirelessHART具備了在市場上取得成功的要素一對問題的深入理解，對技術的不斷調整，以及來自工業界權威人士的強有力的支持。不過，預計將于2009年推出的首批產品到底會表現如何，我們拭目以待。

有趣的趨勢是供應商和用戶在IEEE 802.15.4規范上找到了結合點。似乎802.15.4規范是一種非常好的收發器和MAC技術，只要運行在上層的網絡協議做出適當調整，就可以用于多種應用中。ZigBee和wirelessHART聯盟正在對一些協議進行標準化，而其他廠商正在標準的收發器技術上建立自己專有的協議。對設計人員來說，一個好消息是，芯片廠商提供IEEE 802.15.4相關設備解決方案，隨著競爭的白熱化，成本將更低，而性能將更高。對于芯片廠商來說，不管zigBee協議還是wirelessHART協議誰獲勝，底層的收發器都是一樣的，對于支離破碎的無線市場來說，這無異于是一盞明燈。

結語

盡管就今天來說，用成千上萬的小型wiEC(無線嵌入式控制)收發器來連接我們的世界尚不能實現，但是，這只是個時間問題。商業的需要、用戶的期待，聰明的工程師們將實現我們的美好愿景。我們仍需更好地了解市場需求，以確定應用目標以及潛在的消費者動機，來最終實現這個目標。