選擇ZigBee方案七要素

IEEE 802.15.4是低數(shù)據(jù)率的無線標準。ZigBee聯(lián)盟正在開發(fā)一套基于802.15.4的連網(wǎng)拓撲及應(yīng)用標準，以確保不同供貨商提供的設(shè)備獲得ZigBee認證后能相互操作。必須謹記的是，由于ZiBee是802.15.4的子集，故獲得ZigBee認證的應(yīng)用必須同時符合ZigBee和802.15.4這兩個標準，但802.15.4的應(yīng)用卻不一定符合ZigBee標準。這種區(qū)別非常重要，因為ZigBee標準正持續(xù)發(fā)展，而一些較高級的應(yīng)用層至今仍沒有定義。對于工程師來說，能夠為設(shè)計中802.15.4部分在物理和媒體訪問控制層，以及ZigBee標準在網(wǎng)絡(luò)安全、應(yīng)用構(gòu)架和應(yīng)用規(guī)范層，提供充足支持的供貨商，就是理想的選擇。此外，我們還要考慮網(wǎng)絡(luò)解決方案、頻率、MAC的完整性和架構(gòu)、選用單芯片還是雙芯片、功耗、對未來的應(yīng)用構(gòu)架和規(guī)范的支持質(zhì)量等問題。

要素一：能完成任務(wù)的簡單網(wǎng)絡(luò)

802.15.4和ZigBee標準可以實現(xiàn)若干類型的網(wǎng)絡(luò)配置：點到多點(星形)網(wǎng)絡(luò)、樹形網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

點到多點(星形)網(wǎng)絡(luò)多用于低成本的游戲或娛樂中心控制。它們的實現(xiàn)方式最簡單，而且設(shè)置和控制所需的代碼也最少，但一般來說節(jié)點的數(shù)量和覆蓋范圍有限。

樹形網(wǎng)絡(luò)多用于諸如存取或工業(yè)控制感測之類的應(yīng)用。因為它們能容納較多的節(jié)點，所以可以覆蓋比點對多點網(wǎng)絡(luò)更大的范圍。然而，其缺點是可能因延遲效應(yīng)而造成嚴重的節(jié)點故障并令系統(tǒng)停頓。樹形網(wǎng)絡(luò)一般需要比多點系統(tǒng)更多的節(jié)點。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是最高層次的802.15.4/ZigBee配置，而且需要最多的網(wǎng)絡(luò)級代碼。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)具有重要節(jié)點故障的“自愈”能力，這使它們成為大型建筑的控制系統(tǒng)或廣域感測的理想選擇。這類網(wǎng)絡(luò)是至今為止最難以設(shè)計和推行的802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

至于應(yīng)選擇哪一種網(wǎng)絡(luò)？我們的建議是，能夠完成任務(wù)的最簡單網(wǎng)絡(luò)就最好。能滿足所有要求的通用型網(wǎng)絡(luò)解決方案看似可縮短產(chǎn)品上市時間，但它可能是如此不實用又成本昂貴，以至實際上反而會延遲上市時間。

要素二：2.4GHz適合全球應(yīng)用

802.15.4標準定義了三個無線收發(fā)器頻率：868MHz(僅用于歐盟)、902MHz(用于美國)和2.4GHz(全球通用)。2.4GHz無線收發(fā)器以250Kbps的數(shù)據(jù)率傳輸，902MHz及868MHz無線收發(fā)器分別以40Kbps和20Kbps的數(shù)據(jù)率傳輸。

現(xiàn)今市場上的絕大多數(shù)802.15.4無線收發(fā)器都在2.4GHz頻段內(nèi)工作。這個無須使用許可的頻率在全球通用，所以，需要具有全球相互操作性的應(yīng)用一定要選用2.4GHz頻段。

不過，2.4GHz無線收發(fā)器也有一些缺點：其一是2.4GHz頻段擁擠不堪。

但從不好的一面看，900MHz頻帶并未在歐盟獲得廣泛應(yīng)用，所以對于需要在美國和歐洲之間具有互用性的應(yīng)用，這是不大可行的方案。然而，這個頻段在非歐盟國家中相對缺乏，加上具有低功耗和高靈敏度的有利條件，使900MHz無線收發(fā)器成為工業(yè)或其他不需要全球相互操作性的應(yīng)用的理想選擇。

要素三：靈敏度和輸出功率

接收器的靈敏度是無線接收裝置能夠可靠地接收數(shù)據(jù)所需的最小功率，其單位是分貝(dBm)。dBm絕對數(shù)值越大(而且是負數(shù))，則表示接收器的靈敏度越高，這樣，無線接收裝置之間就可以隔得更遠。

802.15.4標準指定的2.4GHz無線接收裝置的最小接收靈敏度為-85dBm，而900MHz無線接收裝置的最小接收靈敏度為-92dBm。所有供貨商的802.15.4無線接收裝置都超過了這些標準的要求，提供的無線接收裝置具有-90dBm到-100dBm的接收靈敏度。

通過把接收靈敏度從-94dBm提高到-100dBm，就可以把無線接收裝置的視界距離有效地延伸一倍。更重要的是較高的靈敏度可以減少或取消對昂貴而耗電的功率放大器(PA)的需求，因此可以簡化系統(tǒng)的復(fù)雜性、降低成本，并減少功耗。另外一個決定無線發(fā)射裝置距離的因素是傳輸功率。無線傳輸裝置的傳輸功率越大，其距離就越長。802.15.4標準要求無線傳輸裝置具有-3dBm或0.5mW的最小輸出功率。現(xiàn)今市場上的無線傳輸裝置具有0dBm(1mW)和3dBm(2mW)的輸出功率。

但是，接收靈敏度和傳輸功率將影響一對傳輸器/接收器的視界距離。接收靈敏度越高，傳輸功率越大，則距離越遠。接收靈敏度和輸出功率的絕對數(shù)值之和被稱為“鏈路預(yù)算”，并且與操作距離有關(guān)。當評估802.15.4或ZigBee應(yīng)用時，鏈路預(yù)算是極重要的考慮因素。鏈路預(yù)算越高就越好，因為無線收發(fā)器可以被間隔得更遠，所需的節(jié)點數(shù)便可以減少，而且系統(tǒng)成本也會降低。

要素四：MAC對系統(tǒng)的影響

802.15.4媒體訪問控制器(MAC)是在網(wǎng)絡(luò)安全層和802.15.4無線收發(fā)器之間提供接口的軟件。MAC的推行方式對系統(tǒng)的復(fù)雜性、性能、功耗、成本和系統(tǒng)功能的可擴展能力有著實質(zhì)的影響。

一個完整的802.15.4MAC可能需要多達24KB的內(nèi)存，故MAC的“完美”程度與系統(tǒng)成本之間存在一定的折中。不同的供貨商采用不同的方法來盡可能把MAC所占用的內(nèi)存減至最小。一些供貨商把MAC代碼優(yōu)化，從而占用最少的內(nèi)存，但同時保持完整的MAC功能集；另一些供貨商則刪減MAC的功能，如保證時隙(GTS)就被視為對目標應(yīng)用不重要而刪掉。雖然后一種方法會因微控制器使用較小的閃存而可能降低成本，但卻可能對下一代應(yīng)用中系統(tǒng)的可擴展能力造成不利影響。例如，若應(yīng)用的MAC不具備GTS，當演進到將來一代需要GTS的應(yīng)用時，至少MAC、甚至可能整個網(wǎng)絡(luò)層都不得不重新設(shè)計。如果它是一個ZigBee應(yīng)用，那么整個設(shè)計都必須重新經(jīng)過認證。

選擇能提供最緊湊編譯代碼的C/C++型微控制器和編譯程序來解決代碼密度問題是更可取的做法。MAC架構(gòu)及其與應(yīng)用軟件的整合方式也可能對系統(tǒng)性能產(chǎn)生重大影響。資源的調(diào)度極其重要，因為MAC子層必須與網(wǎng)絡(luò)層(提供網(wǎng)絡(luò)配置、處理和消息路由)及應(yīng)用層(提供器件的預(yù)期功能)共享處理器資源。調(diào)度的方法基本上有兩種：協(xié)同式多任務(wù)調(diào)度和先取式多任務(wù)調(diào)度。

簡而言之，協(xié)同式多任務(wù)調(diào)度讓應(yīng)用設(shè)計工程師控制調(diào)度工作；而先取式多任務(wù)調(diào)度則把控制調(diào)度的能力給予

要素五：無線收發(fā)器+MCU

許多供貨商提供802.15.4/ZigBee無線收發(fā)器或控制器，或兩者同時提供。這些功能可以被整合到一個單芯片上或以完整的芯片組形式出現(xiàn)。工程師如果對無線收發(fā)器與控制器的整合不在行的話，就應(yīng)該向一個供貨商選購?fù)暾慕鉀Q方案，這將大大簡化產(chǎn)品的開發(fā)過程，并為工程師帶來極大的自由度，為終端應(yīng)用開發(fā)出與眾不同的功能。

單芯片解決方案雖然占位面積小，而且可以降低功耗，但卻可能使工程師采用不是最適合于目標應(yīng)用的微控制器。此外，嵌入式控制器可能不具備所有必要的外圍設(shè)備。再者，雖然嵌入式控制器具備對第一代設(shè)計而言足夠的閃存，但卻可能無法升級到采用更大內(nèi)存的器件，因此不能滿足添加新軟件功能的需求。如果沒有升級到具有128KB或256KB閃存控制器的途徑，就可能需要加入外部芯片，這樣便會增加系統(tǒng)的成本、電路板的面積和功耗。相反，單芯片解決方案也不能通過選擇具有較小閃存或較少外圍設(shè)備的控制器來降低成本。

802.15.4/ZigBee市場仍然處于萌芽時期。因此，現(xiàn)階段最好就是采用離散式無線收發(fā)器加上一系列微控制器的方式來設(shè)計應(yīng)用，這樣應(yīng)用就可以隨著市場的發(fā)展而靈活演進。

要素六：工作和休眠模式功耗

802.15.4/ZigBee應(yīng)用涉及的網(wǎng)絡(luò)具有多達65000個節(jié)點，每一個節(jié)點都有一個無線收發(fā)器和一個控制器。節(jié)點有三種基本類型：控制器節(jié)點、全功能節(jié)點(FFD)和精簡功能節(jié)點(RFD)?？刂破骱腿δ芄?jié)點，例如網(wǎng)關(guān)服務(wù)器或電氣設(shè)備中的節(jié)點，通常以線纜連接到一個電源。精簡功能節(jié)點，例如連接到傳感器和開關(guān)的節(jié)點，則往往由電池供電。所有由電池供電的節(jié)點都應(yīng)該具有非常長的電池壽命，如果可能的話，要比終端產(chǎn)品的壽命要長。事實上，ZigBee標準對電池供電的節(jié)點要求具有兩年的電池壽命。當然，電池的壽命越長就越好。

影響功耗的因素包括：無線收發(fā)器和微控制器的供電電壓；無線收發(fā)器和微控制器所消耗的工作電流；控制器工作的時鐘頻率；無線收發(fā)器和微控制器的休眠模式功耗；系統(tǒng)中需要的外圍組件(特別是功率放大器)的數(shù)量；以及代碼長度(代碼長度越長，影響越大)。

在設(shè)計電池供電的節(jié)點時，經(jīng)驗法則之一是選用具有最高傳輸功率和最高接收靈敏度的無線收發(fā)器，從而把功率放大器的耗電量減至最少甚至完全消除?？刂破鲬?yīng)該由執(zhí)行最小時鐘周期數(shù)的MAC支持。無線收發(fā)器和控制器兩者都要支持多個電源電壓，其中，低端不要高于1.8V，并具有真正的1.8V工作電壓。

由于大多數(shù)電池供電的802.15.4/ZigBee節(jié)點(如恒溫器或電燈開關(guān))在99.9%的時間里都處于休眠模式，只會周期性地喚醒數(shù)毫秒，以檢查傳感器或查詢其他無線收發(fā)器，所以節(jié)點的總功耗接近休眠模式的功耗。這一點是很重要的，因為工程師和供貨商都傾向于強調(diào)工作功耗。然而，對一個大多數(shù)時間處于關(guān)閉狀態(tài)的系統(tǒng)中，工作功耗可能還不如休眠功耗重要。一般休眠模式功耗占總功耗的1/3。工程師除了關(guān)心工作功耗之外，還應(yīng)該關(guān)心休眠模式功耗。

要素七：最少外部組件

射頻電路往往需要外部組件，如濾波器、功率放大器、平衡/不平衡變換器、線圈和電感器，以滿足距離或靈敏度標準的要求。然而，外部組件的數(shù)量應(yīng)該維持最少，因為它們價錢不菲，而且也會增加電路板的面積和功耗。雖然工程師不必成為射頻架構(gòu)專家，但他們必須了解需要多少及需要什么類型的外部組件。如果同時有兩款射頻電路都滿足功耗和靈敏度要求，并提供非插入式MAC，那么，哪一款射頻電路只需最少的外部組件就是最好的選擇。

802.15.4/ZigBee應(yīng)用在未來幾年將會蓬勃發(fā)展。整合式系統(tǒng)級解決方案較受歡迎，這種方案包含了802.15.4無線收發(fā)器部分、控制器、所有接口及802.15.4/ZigBee軟件堆棧，以及能夠仿真應(yīng)用的開發(fā)系統(tǒng)。一些供貨商如愛特梅爾、德州儀器、飛思卡爾、Jennic和Ember等，在這些方面提供了相當完整的解決方案。

在評估802.15.4/ZigBee系統(tǒng)解決方案時，要特別注意架構(gòu)的穩(wěn)健性和媒體訪問控制器的大小；由無線收發(fā)器供貨商所支持的微控制器的多樣性和靈活性；以及無線收發(fā)器的接收靈敏度。