这篇文章是关于的T-Mesh简单介绍,使用叙述性文本,把T-Mesh介绍了概念原理、优势和应用。为了便于理解,采用了通俗易懂的句子,尽量避免专业词汇和术语。
T-Mesh从本质上讲,作为一种无线通信方法WIFI、蓝牙、4G生活中常用的网络、集群对讲机等东西没有本质区别,也是利用无线电波传输信息的一种方式。此外,生活中也有一些不常用的例子:Zigbee、NB-IOT、LoRaWAN、Wireless-Hart、WIA-PA等。这些从本质上讲都是利用无线电波传输信息的一些方法和参数控制过程,这些方法和控制过程的参数在细节上各有不同,并且各自存在不同的优缺点。到目前为止,还没有一种无线通信技术能够适用于所有的应用场景。根据实际应用需要,各种无线通信技术相互补充,形成了丰富的无线通信协议家,T-Mesh即将成为这个家庭的一员。
T-Mesh与上述无线通信技术不同,T-Mesh通信协议层的定义更加灵活,与硬件无关。以计算机工程为例,更倾向于TCP/IP协议的角色,如:TCP/IP协议可以在10/1000之间运行M在以太网中,它可以在千兆光纤中或WIFI中等等无线局域网。TCP/IP协议是一种与硬件无关的通信协议层,直接产生了应用场景的普遍性。到目前为止TCP/IP它仍然是世界上最受欢迎的通信协议。
T-Mesh硬件无关TCP/IP类似地,它可以在2中运行.4GHz的IEEE802.15.4(Zigbee)433MHz的GFSK芯片也可以在780上运行MHz的LoRa芯片也可以在2上运行.4GHz在蓝牙芯片上,它甚至可以在电力线载波芯片上运行(它可以脱离无线通信的狭窄范围)。一般来说,只要能发射和接收信号的芯片能够运行T-Mesh。这种硬件也是无关的T-Mesh例如,当我们需要快速传输数据时,我们带来了更广泛的应用场景Zigbee芯片上运行T-Mesh,当我们需要长距离时,我们在LoRa芯片上运行T-Mesh,而遇到成本敏感的项目时我们在价格不足3元人民币的GFSK芯片上运行T-Mesh,总之,只要能找到能满足应用需求的芯片T-Mesh就可以把自身的优势发挥到这个芯片上。
T-Mesh这个术语有两个含义,一个是字母T,另一个是单词Mesh。字母T代表Time这意味着时间。用通信专业的词汇表达也可以TDMA的意思。后面的单词Mesh网状组网结构代表无线通信。因此,从学术层面定义,T-Mesh是一种基于TDMA网状自组网通信控制方法。用流行的概念来解释,T-Mesh多点对多点交错通信是一种在精确时间控制下进行的方法。
T-Mesh第一个优点是在精确的时间控制下有序地收发数据TDMA相同频率下的节点不会同时发送,造成相互干扰。发送方的发送始终得到精确控制,相应的接收方将在相应的精确时间打开。这种精确控制的第一个好处是最大限度地降低功耗。接收方的好处是,接收数据不早也不晚,也不浪费任何空等电能。发送方的好处是不需要发送额外的唤醒命令或长前导码来浪费电能。这样,发送方和接收方在业余时间都处于低功耗状态,整个网络的所有节点都可以低功耗运行。最大的优势之一就是T-Mesh低功耗路由器平均电流小于5mA的低功耗路由器,太阳能板只需要手掌大小,是业内非常有竞争力的产品。
各种无线通信底层的过程控制有一个共同的特点:数据接收的触发依赖于同步头机制。一旦接收器认为它捕获了同步头,它将启动数据缓冲区的填充,然后任何信号将被视为数据载荷。这种机制有一个弱点,一旦干扰信号等于同步头内容,干扰信号将是先入为主的,真正想要接收的信号的同步头将作为数据载荷接收。例如:ZIGBEE协议规定同步头为0xA7.一旦有干扰信号波形满足0XA7的值,ZIGBEE接收器就会开始接收数据,此时如果真正要接收的数据包在某个紧接着的时刻到来,就会被插入到数据载荷的某个位置甚至有可能被截断。
T-Mesh精确的时间控制正好解决了上述缺陷。当发射机刚刚启动发射时,接收端打开(必须立即打开)。此时,接收到的同步头是真正想要的数据包。T-Mesh这种“先出收后开机制,不给其他干扰信号先入为主的机会,至少减少了这种干扰的机会。
T-Mesh通信资源的分配采用间隙和频率两个维度间隙维度的数量可根据网络规模(通常是几十到几百个)进行准备,频率维度有16个通道。例如,如果准备了100个间隙,相应的总时间约为1秒,每个间隙在频率维度上可以同时使用16个信道,那么1秒可以使用100个x16=这1600次通信可以来自1600压力温度传感器1秒报告也可以来自100图形采集在1秒钟内报告设备中数据量较大的图形。 因此,T-Mesh的通信资源可以按设备一对一占用,也可以被少量设备瓜分每个设备占用多个资源,甚至被一台设备独享所有资源,这种通信资源的灵活按需分配,让带宽的应用更加灵活。让应用场景更加广泛。
T-Mesh借鉴了IEEE802.15.4e标准中描述的TSCH采用间隙信道跳频策略,TSCH业界已经共识到提高抗干扰能力不是T-Mesh优势的重点WIA-PA不同的集中调度方法,T-Mesh用了分布式调度方法,其他节点不需要从一个中心节点频繁申请资源,这样就大大减少了空中通信次数。另一个好处就是中心节点不再重要,甚至可以省略中心节点,形成真正的Mesh型对等网络(正在研发的T-Mesh 2.0将会支持),由于没有了中心节点,网络中任何节点失效都不会造成整个网络瘫痪,这将大大提高系统的冗余性能和自愈性能。
正在研发的T-Mesh2.0即将支持一个复杂的自适应跳频过程,对于像ZIGBEE那样仅仅依靠中心节点扫描来确定整个网络的共用频率,早已不能满足日益拥挤的无线电环境,甚至像WIA-PA这样的信道约定也是过于简单,它没有根据不同节点所处地理位置的干扰频率不同进行频率切换,在一个时隙内从发送到确认使用同一个频率,这样的缺点是,接收方虽然接收到了数据,但使用同样的频率发送应答到发送方的时候,发送方所处的地理位置上恰好有相同频率的干扰,造成无法接收到应答。无论接收方被干扰还是发送方被干扰这个频率都不能使用了,这就造成无形中减少了两个可用频率。
T-Mesh的机制有效解决了以上问题,具体做法是:在一个时隙中发送和应答采用了两个频率,把对方所处地理位置存在的干扰频率记录在邻居表中。发送方发送数据之前查询邻居表对应的频率避开接收方所处位置的干扰频率,接收方接收到数据包之后要发送应答,同样也根据邻居表中存储的频率避开接收方所处位置的干扰频率,发送与应答采用不同的频率。进一步提高了信道利用率。
T-Mesh借鉴了移动蜂窝网的结构优势,终端节点(例如手机)可以连接多个父节点(例如多个基站)。这样的一来优势就很明显了,首先就是适应了移动场景(包括基站经常被车辆遮挡等情况也属于移动场景),在移动场景中无缝切换,数据不丢失。其次就是无线路径冗余性能,当某个路由器故障时,还可通过另一个路由器传输。
T-Mesh的这个优势是ZIGBEE、WIA-PA、Wireless-Hart等技术不具备的,此项技术是T-Mesh开发团队在工程实践中沉淀积累出来的,尤其在智能交通物流等领域有很大实用意义。
T-Mesh在终端节点低功耗控制方法上抛弃了IEEE802.15.4主动请求数据的(DATA_REQ原语)策略。而是按照几秒钟的间隔在时隙开始处短暂开启接收器,并在1毫秒之内确定是否有数据要继续接收,如果没有数据要接收则立即关闭接收器进入休眠状态。例如:按照5秒钟开启一次,每次开启1毫秒,则平均功耗不足10uA(微安),5AH左右的电池供电使用寿命即可达5年以上。 T-Mesh终端节点的接收策略不会无谓的发送数据请求,T-Mesh空闲时候整个网络很安静,夸大一点说T-Mesh为整个无线通信环境提供了一种清洁的技术。在无线设备密集应用的情况下,T-Mesh也为多种网络并存提供了有利条件。在这一点上ZIGBEE、WIA-PA等沿用IEEE802.15.4的协议显然无法做到。 T-Mesh最大的优势就是,即使在如此低功耗的状态下,依然可以接收数据,每5秒钟开启接收器就是接收数据的机会。一旦接收到数据,就会根据是否还有后续数据保持继续接收,后续数据就不需要再等5秒钟,可以连续发送。T-Mesh的这种优势为低功耗状态下的遥控和参数下发提供了高效实时的手段。对于油田的低功耗注水井阀门控制就是一个很好的应用。
T-Mesh的采用了广播轮训泛洪扩散机制进行全网固件升级技术。此项技术在业内是首创,它能实现几百上千节点的极速固件升级,为什么极速呢?因为一千个节点全部升级完毕只需要1分钟之内。其原理就在于所有节点在所有时隙广播方式同时接收,一千个节点与一个节点花费的时间是一样的,而且可以根据网络拓扑进行泛洪式扩散。 值得一提的是,T-Mesh的终端节点也支持快速空中升级,它在很低的功耗下依然可以利用5秒钟一次的唤醒机会切换到快速空中升级的模式。
T-Mesh把上面提到的广播轮训泛洪扩散机制应用到了快速全网遥控的应用上,这对于全网遥控实时性要求很高的情况非常有实用价值,例如:紧急情况下需要在几秒钟内快速关闭所有阀门,晚一些将会出现重大事故。 在实时性指标上,T-Mesh的5秒间隔唤醒机制可实现10秒内几百个节点全网遥控,这对于ZIGBEE、WIA-PA的低功耗节点来说是不可能实现的。
对于一个经过多年研发投入才成形的先进技术来说,刚刚投入市场即被山寨,知识产权被侵占,这无疑是一种悲哀。可惜在国内大环境下这种情况时常发生,甚至通过法律手段也不能有效阻止。T-Mesh采用了固件防拷贝技术,有效阻止了产品被竞争对手山寨。
精致的产品在于细节,在同一个软件框架下,为什么不同公司产品性能差别很大,关键就在于软件中的细节。T-Mesh产品中的每一行代码都是经过仔细调试和推敲的。自主研发的实时操作系统和内存管理机制,可实现多任务和多数据并发。
T-Mesh开发团队掌握了每一个技术细节,并拥有完全的软件著作权,可任意修改所有源代码。可根据需求任意定制特殊功能,这对于业内某些直接使用开源项目的公司来说是很困难的。由于全部自主开发整个项目中不存在其他依赖和疑点,所以定制的速度也可以很快。
1. 2.4GHz T-Mesh无线模组
2. 433MHz GFSK无线模组
3. 470MHz LoRa无线模组
4. 2.4GHz ZIGBEE无线模组(可以直接替代美国Digi公司的XBEE系列模块)
以上四种模块产品管脚PIN TO PIN兼容,串口协议兼容,可根据实际需求互相直接替换。具体定义见技术规格书。