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          新型低功耗無線標準-ZigBee

          作者: 時間:2010-10-20 來源:網絡 收藏

            越來越多的有線數據傳輸正在被無線解決方案取代。對用戶而言,線纜的棄用不僅帶來了更多方便,而且大大降低了安裝成本。特別是在傳感器網絡和控制應用中,現有網絡的安裝和改造成本是重要的考量因素。當從有線網絡轉向無線網絡時,通常節(jié)點也要從有線電源轉向電池供電。在無線網絡中,每個節(jié)點的功耗便成為一個重要因素。因此,超低功耗設計技術變得至關重要,特別是在無線傳感器節(jié)點許多年內只使用一節(jié)電池供電的情況下。

            如果確定要使用無線網絡,那么第一步就是要選擇現有無線標準或實施專有解決方案,并在內部完成全面系統開發(fā)。這兩種方法各有利弊:

            * 專有解決方案

            o 優(yōu)點:硬件靈活性高且成本低,因為僅需實現必要的功能。

            o 缺點:軟件棧和傳輸協議開發(fā)時間長,且與其他設備不兼容

            * 標準解決方案

            o 優(yōu)點:開發(fā)時間短,因為已有現成的軟件堆棧且經過了多個用戶測試。與其他廠商的產品相兼容。

            o 缺點:通常,標準的軟件部分為非必須的且在應用中未予以使用。這就增加了軟件和數據存儲所需的存儲器容量。

            得到廣泛認可的無線標準有多種,且每一種都針對某特定應用領域。例如目前大家熟悉的 Wi-Fi/802.11和藍牙RF標準,前者適用于相對較短距離和中等功耗的高速傳輸??捎糜赑C聯網、家庭聯網以及視頻分配;而后者則面型低功耗短距離中速傳輸??捎糜诙鷻C、PC外設、PDA以及移動電話連接。

            在大多數控制應用中,這些標準都不是很理想。例如,就傳感器網絡而言,利用一節(jié)小電池就可使器件工作多年的超低功耗最為關鍵。高數據速率并非必需,因為需要傳輸的只有極少數控制指令和某些測量值。

            IEEE 802.15.4——ZigBee的基礎

            因此,對于傳感器和控制應用而言,Wi-Fi/802.11和藍牙并非是最佳解決方案。也正因如此,業(yè)內開發(fā)了IEEE 802.15.4 標準,并于2003年10月推出。2006年6月,IEEE 802.15.4-2006 (Rev B)獲得通過。該標準不但描述了個域網(PAN)中的點對點傳輸,而且還定義了面向低功耗、低速度及可靠RF傳輸的PHY和MAC層。一般室內的傳輸距離從10到30米不等,在室外最大傳輸距離可達150 米。取決于具體應用不同,電池使用壽命可長達數年。

           

            圖 1 免費頻段的全球分配情況

            在實施無線傳輸以前,還必要對傳輸頻率進行定義。圖1顯示了當今全球頻率的分配情況。全球各地區(qū)低于1GHz的頻率使用情況不盡相同。在歐洲,433MHz和868MHz均為免費使用,而在美國,免費使用的頻段為315MHz和915MHz。只有2.4GHz 頻段(Wi-Fi和藍牙也使用該頻段)在全球免費使用。此外,就868MHz和915MHz而言,可以使用相同的天線。只要具有一個靈活、自由可編程的RF 收發(fā)器,一款可選擇運行在868MHz或915MHz上的全球解決方案也是一個不錯的選擇。在這種情況下,必須要確保將運行頻率轉換至設備運行地區(qū)所允許的頻段范圍。這會增加成本,因為必須要發(fā)布兩個不同的固件版本。

            IEEE 802.15.4專門針對下列頻率而定義:

            * 868MHz、1通道 20kbps … 100kbps(僅適用于歐洲)

            * 915MHz、10通道 40kbps … 250kbps(僅適用于美國)

            * 2.4GHz、16 通道 250kbps(適用于全球各地區(qū))

            ZigBee——軟件棧

            ZigBee聯盟是一個由多家公司組成的行業(yè)協會,這些公司通力合作以實現可靠、低成本、低功耗、無線網絡監(jiān)控并推出基于開放性全球標準的控制產品。ZigBee聯盟的推動者包括BM Spa、Ember、飛思卡爾、霍尼韋爾、華為、三菱電機、摩托羅拉、飛利浦、三星、施耐德電氣、意法半導體、西門子以及TI等公司。該聯盟擁有超過200家成員,并且這一數字還在不斷增長。該聯盟定義了ZigBee棧:是在IEEE 802.15.4 PHY和MAC之上的一種標準協議棧。ZigBee的目標應用領域如下:

            * 家庭自動化:

            o 自動抄表(AMR)

            o 照明、制熱、警報、安全

            o 白家電健康狀態(tài)監(jiān)控

            * 商業(yè)樓宇自動化

            o 采暖、通風和空調系統(HVAC)

            o 能量管理

            o 警報、安全

            * 工業(yè)自動化

            * 住院和病患護理

            * 資產跟蹤/有源 RFID

            * 無線傳感器網絡

            

            圖 2 ZigBee 星形網絡

            

            圖 3 ZigBee 網狀網絡

           位于IEEE 802.15.4點對點通信協議之上的ZigBee棧,使ZigBee節(jié)點的個域網(PAN)實現成為可能??梢圆捎眯切尉W絡拓撲(請參見圖2)、樹形或網狀網絡拓撲(請參見圖3)。每一個ZigBee PAN 都需要一個PAN協調器設備。PAN 協調器啟動網絡,并向新網絡分配PAN-ID。此外,PAN協調器通常還具有數據包路由功能。在樹形和網狀網絡中,通常會有若干個具有ZigBee路由器功能的節(jié)點。這些路由器節(jié)點可將接收到的數據包轉發(fā)至下一個ZigBee節(jié)點,并通過完整的ZigBee網絡以這種方式實現數據包從發(fā)送者到接收者的跳轉。

            ZigBee終端設備僅與其母節(jié)點(PAN協調器或路由器)進行通信。這些終端設備的功能相對較少,因為它們不需要路由功能。精簡功能設備(RFD)的一個優(yōu)點就是棧尺寸明顯要小很多。因此,程序閃存、數據存儲器RAM以及閃存要求也大大降低。這就使得通常是ZigBee節(jié)點主要組成部分的RFD頗具成本優(yōu)勢。RFD特別適用于超低耗設計,因為在大部分時間里可以將微控制器和RF收發(fā)器關閉。一個具有路由功能的設備需要始終謹記,其必須要接收一個數據包。

            ZigBee使用16位節(jié)點尋址,理論上允許一個PAN中有近2^16個ZigBee節(jié)點。在實際應用中,節(jié)點的數量受數據包延遲限制。就星形網絡而言,《2000個節(jié)點最為合適。

            談及 ZigBee,一種比較簡單的情況就是開啟和關閉燈具的照明開關。照明開關可以是一個RFD且連續(xù)處于深睡眠模式。如果按下照明開關上的按鈕,則微控制器被喚醒,開啟射頻并將要求的數據包發(fā)送至其母設備(路由器或PAN協調器),等待數據包確認并返回到睡眠模式。然后,該網絡將開始傳輸數據包,數據包最終跳轉至目標地址—— 燈具。路由器和PAN協調器必須始終清楚會有一個數據包到達。因此,這些節(jié)點絕不能進入深睡眠模式。但是在該示例中,如果路由器位于與主電源相連的燈具中,則不存在功耗問題。

            底層的PHY和MAC均由IEEE?802.15.4標準定義。上述所有層均由 ZigBee定義。PHY和MAC實現了兩個節(jié)點間的點對點通信。ZigBee NWK(網絡)層進行數據包路由,并將接收到的數據包發(fā)送至下一個ZigBee 節(jié)點,或將其轉發(fā)至APS(應用支持子層)。然后,APS將處理ZigBee節(jié)點內針對某個應用的數據包。具有射頻功能的一個ZigBee節(jié)點可處理若干個應用,以開關為例,溫度測量和濕度測量就可在一個盒子里進行。在這種情況下,由 APS來決定哪些應用是數據包的終點。首先,ZigBee設備對象(ZDO)有助于應用軟件和ZigBee堆棧軟件的協同運行。一旦做出決定,還可集成一個安全服務以實現安全的數據傳輸。

            ZigBee配置文件

            只有所有的ZigBee符合ZigBee標準配置文件之一,才能實現 ZigBee產品的廠商的獨立兼容性。ZigBee 聯盟將配置文件定義為一種可確保應用級互操作性的方法。

            除協議之外,配置文件還對發(fā)送至其他設備的數據內容進行了定義,例如,哪個數據內容將開啟燈具,哪個數據內容又將燈具關閉。配置文件中的定義為:獨特的配置文件ID;設備類型;報文格式、內容編碼以及集群解釋。

            已經定義的標準配置文件為:“家庭自動化”(自2006年9月開始,不再后向兼容以前的“家庭控制——照明”);“工業(yè)廠房監(jiān)控”(自2006年第四季度開始);包括HVAC在內的“商用樓宇自動化”(自2007年第一季度開始)。

            其他更多的標準配置文件尚在討論之中,如自動抄表、醫(yī)療保健等。專有配置文件可由客戶來定義,但是這會限制共享該配置文件設備的應用互操作性。專用配置文件并不排斥網絡級互操作性。

            為了確保新開發(fā)的終端設備符合ZigBee標準以及標準配置文件之一,必須要進行ZigBee一致性認證測試。一旦順利通過測試,就可以在產品上使用ZigBee的logo。

            TI推出的 ZigBee 解決方案

            TI 推出了一系列完整的硬件和軟件ZigBee解決方案。MSP430微控制器產品系列由于其出色的超低功耗性能以及易于使用的開發(fā)工具而被熟知。自2006年起,該16位微控制器實現了架構升級,現在該微控制器具有高達120k的閃存以及高達10k的RAM存儲器。具有高于60k閃存的 MSP430派生產品系列即將推出。MSP430架構升級與現有的MSP430版本100%二進制后向兼容,并且仍然使用線性內存尋址范圍。該解決方案實現了眾所周知的易用性架構與現有MSP430編碼100%重復使用性的結合。

            此外,TI 還推出了首款符合 ZigBee 標準的收發(fā)器 。該 2.4?GHz 收發(fā)器被廣泛用于 ZigBee 社區(qū),功耗低且具有與其他任何 MSP430 微控制器輕松組合的特性。作為一種替代產品,是在一顆芯片上集成了 收發(fā)器與 8051 CPU的片上系統( SoC)。

            TI 還推出了用于 MSP430 + 和 SoC 的ZigBee 軟件棧 Z-Stack。Z-Stack 完全符合 ZigBee 標準,并提供了許多靈活的用戶可選選項。

            結論

            ZigBee 是一種基于開放性全球標準、針對低功耗、無線網絡化監(jiān)控及控制產品的標準。該標準憑借經過測試的軟硬件確保了快速的開發(fā)時間。廠商互操作性是符合 ZigBee 標準的產品的另一個優(yōu)勢?,F在開始供應 ZigBee 硬件和軟件。



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