ZigBee SoC的設(shè)計(jì)研究

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

定位數(shù)據(jù)在許多應(yīng)用中可以顯著提升所交換信息的價(jià)值。對(duì)于病患監(jiān)控、資產(chǎn)追蹤、庫(kù)存控制、保全、倉(cāng)儲(chǔ)、制造物流以及對(duì)于高度敏感的服務(wù)與計(jì)費(fèi)等相關(guān)應(yīng)用而言，定位功能可以說是驅(qū)動(dòng)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。節(jié)點(diǎn)或傳感器位置信息也有助于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳遞及調(diào)整。例如，無(wú)線節(jié)點(diǎn)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(dāng)昂貴，而且對(duì)于低成本且大范圍的簡(jiǎn)易網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而言，也可能過于耗電且復(fù)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(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)(WPAN)應(yīng)用中，針對(duì)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(dòng)運(yùn)作達(dá)到較長(zhǎng)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(yù)期未來會(huì)相當(dāng)普遍，因此區(qū)域定位很可能成為這類無(wú)線系統(tǒng)中最令人興奮的特色之一。其中的概念是，透過簡(jiǎn)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(diǎn)硅芯片裝置中，這只會(huì)稍微提高復(fù)雜程度和成本。若將此類位置模塊整合于芯片，并且運(yùn)用無(wú)線信號(hào)處理過程中既有的信號(hào)指示器估計(jì)位置，例如接收信號(hào)強(qiáng)度指針(RSSI)，即可將增加的尺寸大小與功耗以及位置估計(jì)工作的復(fù)雜程度降至最低。無(wú)線射頻定位是相當(dāng)繁復(fù)的過程。透過分布式方法(算法)，可以將整個(gè)過程分成多個(gè)可管理的工作項(xiàng)目，這不僅能夠使節(jié)點(diǎn)所需的資源量相對(duì)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(duì)于大多數(shù)ZigBee型無(wú)線應(yīng)用而言，若要使應(yīng)用系統(tǒng)的成本及設(shè)計(jì)復(fù)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(jì)的系統(tǒng)單芯片裝置是重要關(guān)鍵。真正實(shí)行系統(tǒng)單芯片解決方案，也就是將無(wú)線射頻收發(fā)器、數(shù)據(jù)處理單元、內(nèi)存及使用者應(yīng)用功能等所有的運(yùn)作功能，整合于一個(gè)硅芯片，即可達(dá)到高效能、低成本及快速上市等優(yōu)點(diǎn)。低功耗之所以能夠發(fā)揮高效能，是因?yàn)樾酒瑑?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(jiǎn)易的組裝與測(cè)試，以及簡(jiǎn)單且可靠的設(shè)計(jì)，其制造成本得以降低并能加速上市時(shí)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(yùn)作的IEEE 802.15.4/ZigBee無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(jìn)全球市場(chǎng)的發(fā)展及應(yīng)用設(shè)計(jì)的彈性，IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz PHY因而具有相當(dāng)大的潛力。CC2431將高效能2.4GHz直接序列展頻(DSSS)無(wú)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(shí)用的支持功能。其中一項(xiàng)是強(qiáng)大的RSSI定位引擎，適用于低功耗ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，例如，資產(chǎn)追蹤、病患監(jiān)控、庫(kù)存控制、保全及試行網(wǎng)絡(luò)。芯片內(nèi)建定位引擎的一項(xiàng)主要功能是分布算法，例如，在各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位置計(jì)算。由于過程中只傳輸計(jì)算的位置，而非進(jìn)行計(jì)算所使用的數(shù)據(jù)，因此在節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位置計(jì)算能夠減少集中式運(yùn)算法會(huì)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(wú)線節(jié)點(diǎn)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(biāo)。利用相同引擎的多個(gè)參照節(jié)點(diǎn)或其他動(dòng)態(tài)鄰近節(jié)點(diǎn)所接收到的信號(hào)值，可以統(tǒng)計(jì)、演算與估計(jì)最可能的位置，以完成無(wú)線節(jié)點(diǎn)的定位。

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

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

其中的網(wǎng)絡(luò)流量?jī)H局限于(待測(cè))節(jié)點(diǎn)的通信范圍內(nèi)所涵蓋的節(jié)點(diǎn)，而不會(huì)擴(kuò)及到可能相距甚遠(yuǎn)的中央節(jié)點(diǎn)。此分布式方法能夠處理相同網(wǎng)絡(luò)的大量待測(cè)節(jié)點(diǎn)，而集中式方法的網(wǎng)絡(luò)流量則會(huì)因?yàn)榇郎y(cè)節(jié)點(diǎn)過多而急遽增加。在參照節(jié)點(diǎn)與待測(cè)節(jié)點(diǎn)間交換的必要信息為參照節(jié)點(diǎn)的X與Y坐標(biāo)。參照節(jié)點(diǎn)接收到的信息中內(nèi)含所測(cè)得的RSSI值，定位引擎會(huì)根據(jù)參照(X，Y)坐標(biāo)以及此RSSI值，計(jì)算出自身的(X，Y)坐標(biāo)。

兩個(gè)無(wú)線射頻之間的RSSI值深受環(huán)境(變化)的影響，為了補(bǔ)足這個(gè)變動(dòng)，CC2431的定位引擎會(huì)收集3～16個(gè)參照節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，以用于計(jì)算位置。如果接收到的數(shù)據(jù)來自16個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)，則會(huì)將接收的參照節(jié)點(diǎn)位置加以排序，并使用其中16個(gè)最強(qiáng)的參照RSSI值。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)使用CC2431進(jìn)行的實(shí)際室內(nèi)測(cè)量如圖2所示。

圖2 CC2431的分布式定位