分析：如何理解嵌入式无线技术未来？

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ZigBEE ANT、Z-Wave、INSTEON、Wavenis和WirelessHART共同分享了无线嵌入式控制市场，但是他们之间并没有真正的赢家。本文试图从各个角度来阐释这种现象背后的种种原因。
ZigBee规范在刚刚过去的2007年12月推出了第三版本。自从2004年以来，ZigBee在经历了漫长的过程之后，变得更加成熟、定义更加规范，也更有针对性。具有里程碑意义的第三版本不但为我们反映了ZigBee标准目前的情况，同时也反映了整个无线嵌入式控制(WiEC)技术的进展情况。
在过去的几年中，无线嵌入式控制(WiEC)技术的推动者们已经无数次的向设计工程师们描述了其美好愿景，但是有一个问题，我们仍然不得不问：我们真的理解嵌入式无线技术吗?
首先，应该给出无线嵌入式控制(WiEC)技术的合理定义。在收发器层，无线嵌入式控制技术通常指的范围在是10米到50米之间的低功率无线电波，数据速率在4Mbps以下，运行在任何工业、科学和医疗(ISM)频段。
无线嵌入式控制(WiEC)技术利用网络协议来控制无线节点之间的通信。网络的拓扑结构通常有两台机器之间(M2M)进行通信的简单的点对点拓扑，无线传感器网络(WSN)的星型拓扑，以及mesh拓扑。在所有这些拓扑结构中，节点之间都可以进行通信。
任何沉浸在嵌入式技术多年的设计工程师都会对无线嵌入式控制技术的推动者们所描述的美好愿景历历在目。
这些愿景会不断发生变化，但是，无一例外的，推动者们都使用了以下一些关键词来对无线嵌入式控制技术进行描述：低功率、低成本、高可靠性、高安全性、易于设计和易于使用。
伴随着技术上的美好愿景随之而来的是对投资回报率的大胆展望-生产商在短短数年内就可以卖掉上亿件产品，消费者逐渐意识到无线嵌入式控制技术所带来的效率的提高和成本的降低，整个世界被被这些小型低功率收发器所覆盖，它们将所有东西都连接在了一起。
炒作背后的真相
然而，不幸的是，在炒作多年之后，仍然没有一种单一的无线技术能够同时满足上述那些美好的愿景。在实际的工程中，我们看到的往往是折衷方案。
怎么可能会有一种技术能够适合同时控制家里的电灯和控制工厂的安全阀呢?而一些无线嵌入式控制技术的推动者们的确向我们描述过这种美好的愿景。
然而，在幻灯片陈述完这些美好的愿景之后开始的实际硬件操作时，却出现了许多意想不到的情况。或许是推动者们夸大其词了，或许是芯片和协议栈厂商太逊色了。或许，工程师们根本就不应该相信一种技术就可以解决所有问题这种鬼话。
有几个原因可以解释为什么这些愿景会失败(尽管有一些确实实现了)。首先就是，有一些指定的性能目标从根本上就与其它一些相对立，这为工程上带来了不可逾越的挑战。比如，低成本与高可靠性。
在工程上实现低成本需要一整套方法来减少花费。首先，必须减小硅片的大小，这就需要在收发器架构(比如开环与闭环调制，后者能提供更高的可靠性，但是需要极大的增加尺寸的大小)上进行折衷。
接下来，网络协议栈的大小需要裁减，以最小化运行RF收发器的处理器所需的代码空间的数量。而减小网络协议栈就意味着一些智能化功能(如完整的点到点路由和网络自愈合能力)将不复存在。需要这些功能吗?那你必须在硅片上花费更大的代价。

究竟多低才算是“低成本”?
从根本上来说这种折衷并没有错误;毕竟，“低成本”和“高可靠性”都是一些相对的词语。那么，究竟多低才算是“低成本”呢?这取决于消费对象是谁。假设一个无线节点的成本是100美元。相对于家庭用户来说，如果用这种节点作为电灯开关那就太昂贵了。但是，对于设计工厂的工业自动化方案来说， 100美元的价格就是非常可接受的，甚至还是相对廉价的。
低成本和高可靠性的比较只是无线系统设计过程中许多折衷中的一种，但是足以说明问题的存在。目前尚不清楚为什么会有人认为必须有一种统一的、无所不包的无线技术。
然而，不幸的是，对这种事实的初始应答是层出不穷的各种无线嵌入式控制(WiEC)技术，每一种技术都宣称它具有其它技术不具有的优势。
下面的列表是一个真正的商标和品牌的集合：ZigBee、ANT、Z-Wave、INSTEON、Wavenis、ISA SP-100、WirelessHART等，以及其它一些来自Cypress、Nordic、TI和Freescale(许多、许多)公司的RF专利技术。每一种技术都坚信自己能够提供更好的解决方案。事实上，根本不需要这么多技术投向同一个市场，但是很多人都忽视了这一点。
结果就是，市场被过度分割了。消费者有大量的嵌入式无线控制(WiEC)技术可以选择，对这些技术来说，并没有真正的赢家。一些消费者正在持观望态度，不愿意将资金投入到这些技术中，因为一旦这些技术将来不被采用，最终将血本无归。
问题是，这种预言正逐渐变成事实-有些技术确实未被采用。这同样意味着，对于大量的供应商来说，巨大的利润已经不存在了。
一些好消息
好消息是，这种压力正是缩小嵌入式无线控制技术领域所必需的，而且使得有竞争力的技术逐渐显现出来。自然选择的基本原理就是适者生存。
目前，这些技术正在走向成熟，至少比起先前的那些美好愿景来说要成熟的多。各种炒作也逐渐褪去，基于工程的理性的、规范的思考方式正渐渐展开。
新观点解决了炒作中的一个根本缺陷：单一技术不可能同样有效地解决所有问题。但是，它可以很好的解决一部分问题。
家庭电灯开关和工厂的安全阀可能都使用无线连接来控制，但是可能不会使用相同类型的无线连接。为了更好的理解目标市场和最终应用，供应商和推动者正在调整他们的工作重心。
拿ZigBee来说，mesh技术将被应用到从超低成本的消费者应用到关键系统控制的工厂应用等一系列应用当中。最近，ZigBee联盟正在关注一些能充分显示ZigBee优势的应用，包括自动会议架构(AMI)和商业办公自动化等。
目前尚缺乏有效的消费者应用(低成本使得ZigBee相比其它技术来说缺乏竞争力)和过程自动化应用(需要高可靠性和安全性)。ZigBee规范将继续(最精增加了ZigBee PRO功能集)致力于解决现实世界中消费者在实现ZigBee系统时面临的各种问题。对于供应商和消费者来说，各个版本的兼容性问题仍然是一个难题。
ZigBee在工业过程自动化方面的欠缺导致出现了一些副产品技术。设计者们意识到，如果将ZigBee使用IEEE 802.15.4协议与适合工业过程自动化的网络协议相结合，将能够有效的将RF技术用于工业过程自动化。

WirelessHART
由HART通信基金会(HCF)推动产生了WirelessHART技术。HART技术的有线版本已经安装到了2000多万个设备单元中，无线版本的推出旨在促进大规模的部署。
HCF的成员，Emerson Process Management和Endress+Hauser等公司已经重新调整了技术方案来解决他们非常熟悉的问题。
至少在理论上，WirelessHART具备了在市场上取得成功的要素-对问题的深入理解，对技术的不断调整，以及来自工业界权威人士的强有力的支持。第一批产品将于明年发布，我们期待这些产品在现实条件中的表现。
这并不表明所有的过程自动化设备供应商都支持WirelessHART。Honeywell Process Solutions正在推出自己的OneWireless技术，并承诺采纳ISA’s SP-100规范中的标准。
一个有趣的趋势是，供应商和消费者在IEEE 802.15.4规范上找到了结合点。似乎802.15.4规范是一种非常好的收发器和MAC技术，只要运行在上层的网络协议做出适当调整，就可以用于多种应用中。
ZigBee和WirelessHART联盟正在对一些协议进行标准化，而其它厂商正在标准的收发器技术上建立自己的协议。
对设计者来说，一个好消息是，许多硅片厂家提供IEEE 802.15.4相关设备解决方案，随着竞争的白热化，成本将更低，而性能将更高。对于硅片厂家来说，不管ZigBee协议还是WirelessHART 协议获胜，底层的收发器都是一样的，因此，他们能够从投资中再次获益。对于支离破碎的无线市场来说，这无异于一盏明灯。
离开工业无线应用，我们来到消费者应用，一种嵌入式无线控制(WiEC)技术从一开始就被寄予厚望，这就是Z-Wave。Z-Wave由Zensys公司推出，并最终形成了Z-Wave联盟。
尽管作为一种单一的供应商技术只存在了短短数年(规范近期已经向其它硅片厂家开放)，Z-Wave已经建立起一个中等规模的产业链，因为该技术只专注于家庭自动化领域。
Z-Wave联盟将Z-Wave技术定位在具有更低成本，是ZigBee技术的一种简单替代上，但它仍然具有mesh组网能力。专注于家庭自动化市场使得Zensys对消费者关注的问题更加了解-低成本、易于使用，以及与多个厂家设备(例如台灯来自一个厂家，开关来自另一个厂家)的兼容性。
Z-Wave不是一种非常复杂的无线技术-它的过于简单的架构(例如，非常低的数据速率)事实上使得它只能应用与电灯开关这种简单的应用中，而无法应用于更加复杂的工业应用中。与Z-Wave相似的另一种技术是INSTEON，也是定位在家庭自动化领域，而且也有一定的产业链。

谨慎的消费者
即使对于相对简单的嵌入式无线控制技术(WiEC)，如Z-Wave和INSTEON，消费者大规模采用的时代已经一去不复返了。对用户来说，成本和易于使用是他们最关心的。
一个普通的电灯开关不到2美元。而一个具有Z-Wave技术的无线电灯开关则需要大约40美元-当然，还必须有一个无线电灯源用来通信，这又要花费40多美元。
对消费者来说，40倍(2美元 vs. 80美元)的差价是巨大的，而获得好处不足以弥补所增加的花费。此外，安装一个无线系统也是有难度的，需要最佳的位置和配置。
这就是为什么ZigBee、Z-Wave和INSTEON仍然处于定制安装市场领域，富有的消费者花费数千美元请专业公司到家中来装配这些无线系统。结果，这些技术仍然处于低批量生产，缺乏良性的利润回报。
我曾经询问过一家照明控制公司的市场主管，什么时候才能达到数以百万计的批量生产。她回答说，只有每个节点的成本在5美元以下时，这种情况才会发生。
显然这个目标仍很难达到;然而，并不是遥不可及。所以，尽管就今天来说，用成千上万的小型WiEC收发器来连接我们的世界尚不能实现，但是，这只是个时间问题。
商业的需要，用户的期待，聪明的工程师们将实现我们的美好愿景。我们仍需更好的了解市场，确定应用目标，以及潜在的消费者动机来最终实现这个目标。