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选择ZigBee方案七要素

已有 1229 次阅读  2009-12-05 11:52   标签ZigBee  要素  方案  选择 
 在IEEE标准802.15.4组织和ZigBee联盟的努力下,未来的家庭、工厂、办公室和零售商店都不需要很多线缆。如果用802.15.4无线开关取代传统的线缆式开关,承建商就能够在新的建筑工程中把劳动和材料这两方面的成本削减大约1/3。此外,这些标准更有望在医疗监测设备、工业控制、自动读表和其他领域开发出全新的应用。

  IEEE802.15.4是低数据率的无线标准。ZigBee联盟正在开发一套基于802.15.4的连网拓扑及应用标准,以确保不同供货商提供的设备获得ZigBee认证后能相互操作。必须谨记的是,由于ZiBee是802.15.4的子集,故获得ZigBee认证的应用必须同时符合ZigBee和802.15.4这两个标准,但802.15.4的应用却不一定符合ZigBee标准。这种区别非常重要,因为ZigBee标准正持续发展,而一些较高级的应用层至今仍没有定义。对于工程师来说,能够为设计中802.15.4部分在物理和媒体访问控制层,以及ZigBee标准在网络安全、应用构架和应用规范层,提供充足支持的供货商,就是理想的选择。此外,我们还要考虑网络解决方案、频率、MAC的完整性和架构、选用单芯片还是双芯片、功耗、对未来的应用构架和规范的支持质量等问题。

  要素一:能完成任务的简单网络

  802.15.4和ZigBee标准可以实现若干类型的网络配置:点到多点(星形)网络、树形网络和网状网络。

  点到多点(星形)网络多用于低成本的游戏或娱乐中心控制。它们的实现方式最简单,而且设置和控制所需的代码也最少,但一般来说节点的数量和覆盖范围有限。

  树形网络多用于诸如存取或工业控制感测之类的应用。因为它们能容纳较多的节点,所以可以覆盖比点对多点网络更大的范围。然而,其缺点是可能因延迟效应而造成严重的节点故障并令系统停顿。树形网络一般需要比多点系统更多的节点。

  网状网络是最高层次的802.15.4/ZigBee配置,而且需要最多的网络级代码。网状网络具有重要节点故障的“自愈”能力,这使它们成为大型建筑的控制系统或广域感测的理想选择。这类网络是至今为止最难以设计和推行的802.15.4/ZigBee网络。

  至于应选择哪一种网络?我们的建议是,能够完成任务的最简单网络就最好。能满足所有要求的通用型网络解决方案看似可缩短产品上市时间,但它可能是如此不实用又成本昂贵,以至实际上反而会延迟上市时间。

  要素二:2.4GHz适合全球应用

  802.15.4标准定义了三个无线收发器频率:868MHz(仅用于欧盟)、902MHz(用于美国)和2.4GHz(全球通用)。2.4GHz无线收发器以250Kbps的数据率传输,902MHz及868MHz无线收发器分别以40Kbps和20Kbps的数据率传输。

  现今市场上的绝大多数802.15.4无线收发器都在2.4GHz频段内工作。这个无须使用许可的频率在全球通用,所以,需要具有全球相互操作性的应用一定要选用2.4GHz频段。

  不过,2.4GHz无线收发器也有一些缺点:其一是2.4GHz频段拥挤不堪。蓝牙、无线局域网(WLAN)、微波炉以至车库大门的遥控器也都在这个无须使用许可的频段内工作,大大增加了受干扰的可能性。86MHz/902MHz频段则几乎没有任何干扰,除了一些老式的无线电话及键盘鼠标之外。此外,868MHz/902MHz无线收发器的灵敏度较高,而且具有较强的固有墙壁穿透率,故可以把它们隔开得更远,从而有助降低网络的成本。由于具有这两项优点,因此在同样的距离上,这些较低带宽的无线收发器所消耗的功率也比2.4GHz无线收发器所消耗的要低。

  但从不好的一面看,900MHz频带并未在欧盟获得广泛应用,所以对于需要在美国和欧洲之间具有互用性的应用,这是不大可行的方案。然而,这个频段在非欧盟国家中相对缺乏,加上具有低功耗和高灵敏度的有利条件,使900MHz无线收发器成为工业或其他不需要全球相互操作性的应用的理想选择。

  要素三:灵敏度和输出功率

  接收器的灵敏度是无线接收装置能够可靠地接收数据所需的最小功率,其单位是分贝(dBm)。dBm绝对数值越大(而且是负数),则表示接收器的灵敏度越高,这样,无线接收装置之间就可以隔得更远。

  802.15.4标准指定的2.4GHz无线接收装置的最小接收灵敏度为-85dBm,而900MHz无线接收装置的最小接收灵敏度为-92dBm。所有供货商的802.15.4无线接收装置都超过了这些标准的要求,提供的无线接收装置具有-90dBm到-100dBm的接收灵敏度。

  通过把接收灵敏度从-94dBm提高到-100dBm,就可以把无线接收装置的视界距离有效地延伸一倍。更重要的是较高的灵敏度可以减少或取消对昂贵而耗电的功率放大器(PA)的需求,因此可以简化系统的复杂性、降低成本,并减少功耗。另外一个决定无线发射装置距离的因素是传输功率。无线传输装置的传输功率越大,其距离就越长。802.15.4标准要求无线传输装置具有-3dBm或0.5mW的最小输出功率。现今市场上的无线传输装置具有0dBm(1mW)和3dBm(2mW)的输出功率。

  但是,接收灵敏度和传输功率将影响一对传输器/接收器的视界距离。接收灵敏度越高,传输功率越大,则距离越远。接收灵敏度和输出功率的绝对数值之和被称为“链路预算”,并且与操作距离有关。当评估802.15.4或ZigBee应用时,链路预算是极重要的考虑因素。链路预算越高就越好,因为无线收发器可以被间隔得更远,所需的节点数便可以减少,而且系统成本也会降低。

  要素四:MAC对系统的影响

  802.15.4媒体访问控制器(MAC)是在网络安全层和802.15.4无线收发器之间提供接口的软件。MAC的推行方式对系统的复杂性、性能、功耗、成本和系统功能的可扩展能力有着实质的影响。

  一个完整的802.15.4MAC可能需要多达24KB的内存,故MAC的“完美”程度与系统成本之间存在一定的折中。不同的供货商采用不同的方法来尽可能把MAC所占用的内存减至最小。一些供货商把MAC代码优化,从而占用最少的内存,但同时保持完整的MAC功能集;另一些供货商则删减MAC的功能,如保证时隙(GTS)就被视为对目标应用不重要而删掉。虽然后一种方法会因微控制器使用较小的闪存而可能降低成本,但却可能对下一代应用中系统的可扩展能力造成不利影响。例如,若应用的MAC不具备GTS,当演进到将来一代需要GTS的应用时,至少MAC、甚至可能整个网络层都不得不重新设计。如果它是一个ZigBee应用,那么整个设计都必须重新经过认证。

  选择能提供最紧凑编译代码的C/C++型微控制器和编译程序来解决代码密度问题是更可取的做法。MAC架构及其与应用软件的整合方式也可能对系统性能产生重大影响。资源的调度极其重要,因为MAC子层必须与网络层(提供网络配置、处理和消息路由)及应用层(提供器件的预期功能)共享处理器资源。调度的方法基本上有两种:协同式多任务调度和先取式多任务调度。

  简而言之,协同式多任务调度让应用设计工程师控制调度工作;而先取式多任务调度则把控制调度的能力给予操作系统和软件堆栈。

  要素五:无线收发器+MCU

  许多供货商提供802.15.4/ZigBee无线收发器或控制器,或两者同时提供。这些功能可以被整合到一个单芯片上或以完整的芯片组形式出现。工程师如果对无线收发器与控制器的整合不在行的话,就应该向一个供货商选购完整的解决方案,这将大大简化产品的开发过程,并为工程师带来极大的自由度,为终端应用开发出与众不同的功能。

  单芯片解决方案虽然占位面积小,而且可以降低功耗,但却可能使工程师采用不是最适合于目标应用的微控制器。此外,嵌入式控制器可能不具备所有必要的外围设备。再者,虽然嵌入式控制器具备对第一代设计而言足够的闪存,但却可能无法升级到采用更大内存的器件,因此不能满足添加新软件功能的需求。如果没有升级到具有128KB或256KB闪存控制器的途径,就可能需要加入外部芯片,这样便会增加系统的成本、电路板的面积和功耗。相反,单芯片解决方案也不能通过选择具有较小闪存或较少外围设备的控制器来降低成本。

  802.15.4/ZigBee市场仍然处于萌芽时期。因此,现阶段最好就是采用离散式无线收发器加上一系列微控制器的方式来设计应用,这样应用就可以随着市场的发展而灵活演进。

  要素六:工作和休眠模式功耗

  802.15.4/ZigBee应用涉及的网络具有多达65000个节点,每一个节点都有一个无线收发器和一个控制器。节点有三种基本类型:控制器节点、全功能节点(FFD)和精简功能节点(RFD)。控制器和全功能节点,例如网关服务器或电气设备中的节点,通常以线缆连接到一个电源。精简功能节点,例如连接到传感器和开关的节点,则往往由电池供电。所有由电池供电的节点都应该具有非常长的电池寿命,如果可能的话,要比终端产品的寿命要长。事实上,ZigBee标准对电池供电的节点要求具有两年的电池寿命。当然,电池的寿命越长就越好。

  影响功耗的因素包括:无线收发器和微控制器的供电电压;无线收发器和微控制器所消耗的工作电流;控制器工作的时钟频率;无线收发器和微控制器的休眠模式功耗;系统中需要的外围组件(特别是功率放大器)的数量;以及代码长度(代码长度越长,影响越大)。

  在设计电池供电的节点时,经验法则之一是选用具有最高传输功率和最高接收灵敏度的无线收发器,从而把功率放大器的耗电量减至最少甚至完全消除。控制器应该由执行最小时钟周期数的MAC支持。无线收发器和控制器两者都要支持多个电源电压,其中,低端不要高于1.8V,并具有真正的1.8V工作电压。

  由于大多数电池供电的802.15.4/ZigBee节点(如恒温器或电灯开关)在99.9%的时间里都处于休眠模式,只会周期性地唤醒数毫秒,以检查传感器或查询其他无线收发器,所以节点的总功耗接近休眠模式的功耗。这一点是很重要的,因为工程师和供货商都倾向于强调工作功耗。然而,对一个大多数时间处于关闭状态的系统中,工作功耗可能还不如休眠功耗重要。一般休眠模式功耗占总功耗的1/3。工程师除了关心工作功耗之外,还应该关心休眠模式功耗。

  要素七:最少外部组件

  射频电路往往需要外部组件,如滤波器、功率放大器、平衡/不平衡变换器、线圈和电感器,以满足距离或灵敏度标准的要求。然而,外部组件的数量应该维持最少,因为它们价钱不菲,而且也会增加电路板的面积和功耗。虽然工程师不必成为射频架构专家,但他们必须了解需要多少及需要什么类型的外部组件。如果同时有两款射频电路都满足功耗和灵敏度要求,并提供非插入式MAC,那么,哪一款射频电路只需最少的外部组件就是最好的选择。

  802.15.4/ZigBee应用在未来几年将会蓬勃发展。整合式系统级解决方案较受欢迎,这种方案包含了802.15.4无线收发器部分、控制器、所有接口及802.15.4/ZigBee软件堆栈,以及能够仿真应用的开发系统。一些供货商如爱特梅尔、德州仪器、飞思卡尔、Jennic和r等,在这些方面提供了相当完整的解决方案。

  在评估802.15.4/ZigBee系统解决方案时,要特别注意架构的稳健性和媒体访问控制器的大小;由无线收发器供货商所支持的微控制器的多样性和灵活性;以及无线收发器的接收灵敏度。
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