ZigBee SoC的設(shè)計研究

今日相容于IEEE 802.15.4且適用于ZigBee的無線射頻收發(fā)器、微控制器及系統(tǒng)單芯片(SoC)半導體裝置已相當普及。高度整合的多功能SoC解決方案是促成ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)得以廣泛運用在眾多應用中的重要因素，包括工業(yè)監(jiān)控、家庭及建筑自動化、傳感器網(wǎng)絡(luò)，乃至于無線醫(yī)療解決方案。在以上解決方案中增添無線射頻裝置的定位功能使得這些網(wǎng)絡(luò)的價值得以大幅提升。
　　
定位功能

定位數(shù)據(jù)在許多應用中可以顯著提升所交換信息的價值。對于病患監(jiān)控、資產(chǎn)追蹤、庫存控制、保全、倉儲、制造物流以及對于高度敏感的服務與計費等相關(guān)應用而言，定位功能可以說是驅(qū)動了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。節(jié)點或傳感器位置信息也有助于無線網(wǎng)絡(luò)的傳遞及調(diào)整。例如，無線節(jié)點可以使用全球定位系統(tǒng)(GPS)之類的現(xiàn)有系統(tǒng)取得位置信息。然而，GPS型系統(tǒng)可能相當昂貴，而且對于低成本且大范圍的簡易網(wǎng)絡(luò)應用而言，也可能過于耗電且復雜。此外，GPS可以在室外環(huán)境有效又精確地發(fā)揮定位功能，但在室內(nèi)則未必如此。

在許多無線個人局域網(wǎng)絡(luò)(WPAN)應用中，針對具備定位功能的網(wǎng)絡(luò)來說，其吸引力在于低成本的傳感器裝置，以及以低功耗自動運作達到較長的設(shè)備使用壽命。由于ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)具有多樣性，而且預期未來會相當普遍，因此區(qū)域定位很可能成為這類無線系統(tǒng)中最令人興奮的特色之一。其中的概念是，透過簡易且符合成本效益的方式，在大量的 ZigBee網(wǎng)絡(luò)加入定位功能，即將定位功能加入傳感器節(jié)點硅芯片裝置中，這只會稍微提高復雜程度和成本。若將此類位置模塊整合于芯片，并且運用無線信號處理過程中既有的信號指示器估計位置，例如接收信號強度指針(RSSI)，即可將增加的尺寸大小與功耗以及位置估計工作的復雜程度降至最低。無線射頻定位是相當繁復的過程。透過分布式方法(算法)，可以將整個過程分成多個可管理的工作項目，這不僅能夠使節(jié)點所需的資源量相對減輕，且相較于集中式的方法也能夠明顯減少位置相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)流量。

內(nèi)建定位引擎的ZigBee SoC

對于大多數(shù)ZigBee型無線應用而言，若要使應用系統(tǒng)的成本及設(shè)計復雜程度降低，卻又不減損 IEEE 802.15.4/Zigbee技術(shù)的功能，具備最優(yōu)設(shè)計的系統(tǒng)單芯片裝置是重要關(guān)鍵。真正實行系統(tǒng)單芯片解決方案，也就是將無線射頻收發(fā)器、數(shù)據(jù)處理單元、內(nèi)存及使用者應用功能等所有的運作功能，整合于一個硅芯片，即可達到高效能、低成本及快速上市等優(yōu)點。低功耗之所以能夠發(fā)揮高效能，是因為芯片內(nèi)建專門功能緊密交互作用，使得耗用的資源大幅降低。透過最低程度的系統(tǒng)物料清單 (BOM)、較小的體積尺寸與較少的組件、較簡易的組裝與測試，以及簡單且可靠的設(shè)計，其制造成本得以降低并能加速上市時程。

圖1是市售硅芯片解決方案中具有代表性的CC2431，這是一款真正的系統(tǒng)單芯片CMOS器件，不僅能夠發(fā)揮高效能，而且能夠滿足以2.4GHz ISM頻帶運作的IEEE 802.15.4/ZigBee無線標準對于低成本及低功耗的需求。由于2.4GHz ISM頻帶具備最大頻寬且全球通用，能夠促進全球市場的發(fā)展及應用設(shè)計的彈性，IEEE 802.15.4標準的2.4GHz PHY因而具有相當大的潛力。CC2431將高效能2.4GHz直接序列展頻(DSSS)無線射頻收發(fā)器結(jié)合廣受業(yè)界肯定的精巧型高效率8051微控制器、8KB RAM、128KB嵌入式閃存，以及其他實用的支持功能。其中一項是強大的RSSI定位引擎，適用于低功耗ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應用，例如，資產(chǎn)追蹤、病患監(jiān)控、庫存控制、保全及試行網(wǎng)絡(luò)。芯片內(nèi)建定位引擎的一項主要功能是分布算法，例如，在各個節(jié)點進行位置計算。由于過程中只傳輸計算的位置，而非進行計算所使用的數(shù)據(jù)，因此在節(jié)點進行位置計算能夠減少集中式運算法會出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)流量及通信延遲。

圖1 具備定位功能的ZigBee SoC裝置

分布式定位功能(Distributed Localization)

CC2431的定位引擎是數(shù)字硬件區(qū)塊，能夠使無線節(jié)點在IEEE 802.15.4或ZigBee網(wǎng)絡(luò)中以迅速有效的方式?jīng)Q定自身的平面位置坐標。利用相同引擎的多個參照節(jié)點或其他動態(tài)鄰近節(jié)點所接收到的信號值，可以統(tǒng)計、演算與估計最可能的位置，以完成無線節(jié)點的定位。

定位引擎模塊的設(shè)計使其便于使用及與芯片內(nèi)建的微控制器接合。這個獨立模塊的功耗相當?shù)筒⑶疫\作快速，因此能夠持續(xù)使用，完全不會耗用裝置的運算資源。

在網(wǎng)絡(luò)中，已知位置的節(jié)點稱為參照節(jié)點，位置未知而需要計算的節(jié)點則稱為待測節(jié)點(blind node)。根據(jù)距離最近的參照節(jié)點所收到的信息，CC2431能夠運用分布式定位功能得知待測節(jié)點的位置。

其中的網(wǎng)絡(luò)流量僅局限于(待測)節(jié)點的通信范圍內(nèi)所涵蓋的節(jié)點，而不會擴及到可能相距甚遠的中央節(jié)點。此分布式方法能夠處理相同網(wǎng)絡(luò)的大量待測節(jié)點，而集中式方法的網(wǎng)絡(luò)流量則會因為待測節(jié)點過多而急遽增加。在參照節(jié)點與待測節(jié)點間交換的必要信息為參照節(jié)點的X與Y坐標。參照節(jié)點接收到的信息中內(nèi)含所測得的RSSI值，定位引擎會根據(jù)參照(X，Y)坐標以及此RSSI值，計算出自身的(X，Y)坐標。

兩個無線射頻之間的RSSI值深受環(huán)境(變化)的影響，為了補足這個變動，CC2431的定位引擎會收集3～16個參照節(jié)點的數(shù)據(jù)，以用于計算位置。如果接收到的數(shù)據(jù)來自16個以上的節(jié)點，則會將接收的參照節(jié)點位置加以排序，并使用其中16個最強的參照RSSI值。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)使用CC2431進行的實際室內(nèi)測量如圖2所示。

圖2 CC2431的分布式定位