包含ZigBee傳感和控制解決方案的經濟高效的無線個人區(qū)域網(wǎng)絡

　　無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(或WPAN)對傳感、監(jiān)視和控制應用來說尤其有用。經濟高效的WPAN具有在眾多最終產品中實施無線連通性的獨特潛力，而在以前，這些產品從未考慮過這一功能。對主要WPAN 設計因素進行徹底的、基于事實的、邏輯的和有組織的評估可以密切管理系統(tǒng)財務目標，用積極的回報率提升最終產品價值，同時仍實現(xiàn)主要的無線設計目標。

　　傳感、監(jiān)視、控制解決方案推動著WPAN實施的具體考慮因素。傳感、監(jiān)視和控制應用中的低成本無線網(wǎng)絡范圍是那些距離在300米及以下和數(shù)據(jù)速率在250 kbps及以下的網(wǎng)絡。在WPAN最終節(jié)點設計中，為了滿足產品需求，通常必須把電池壽命延長到一個適當?shù)乃健?/p>

　　嵌入式工程師在設計工作開始前先分析幾個關鍵因素，可以提高最終無線網(wǎng)絡實施的效果。以矩陣格式開發(fā)和探究這些關鍵因素將有助于設計工程師加快組件和解決方案選擇分析進程。參考設計圖、物料清單和其他應用信息也可以作為設計啟動的基本要素進行收集。本文舉出了一個無線UART(通用異步接收/發(fā)射器)參考設計示例。

　　建議嵌入式工程師考慮與WPAN設計要求有關的以下區(qū)域：集成、無線聯(lián)網(wǎng)拓撲、無線電(RF調制解調器或收發(fā)器)、性能、操作電壓、數(shù)據(jù)速率、范圍、信道靈活性、輸出功率、靈敏度、電源管理、外圍設備、時鐘、多層軟件、硬件和軟件設計的簡便性、天線設計和封裝。另外，無論是考慮集成的解決方案還是離散解決方案，都應從以下幾方面評估一下微控制器(MCU)：CPU特性、性能、內存選件、電源管理、時鐘源選件、模擬-數(shù)字轉換、外圍設備、封裝、在線調試和編程功能、以及軟件和硬件設計的簡便性。這些分析將為工程決策提供一個合理的視角、為設計成功鋪平道路，最終實現(xiàn)產品的快速上市和更輕松實施經濟高效的無線聯(lián)網(wǎng)。

集成

　　低成本無線聯(lián)網(wǎng)的各種實施替代方案為工程師提供了高度靈活的設計流程。像下面顯示的這種替代方案，它考慮采用一站式采購提供商的解決方案，這種解決方案提供了各種與一系列微控制器選擇結合使用的獨立收發(fā)器配置(見圖1)。

　　作為第二種同樣有效的替代方案，它考慮使用能夠提供集成的收發(fā)器/微控制器 (MCU)產品的最新解決方案。由于設計人員通常在多個類似的最終產品上工作，設計組件和工程投資的再利用就顯得非常重要。因此，解決方案選項的結構性評估在成本和資源兩個方面都非常有效。周密的研究可以為基于一個基礎設計的幾種最終產品提供依據(jù)(見圖2)。

無線聯(lián)網(wǎng)拓撲

　　2.4 GHz ISM頻段支持幾種短距離無線聯(lián)網(wǎng)拓撲。每種替代方案的開發(fā)都是為了最好地服務特定應用或功能。與2.4 GHz頻率范圍有關的最常見聯(lián)網(wǎng)拓撲是Bluetooth、WiFi和ZigBee、以及其他一些專用解決方案(見圖3)。這些解決方案都適合于無線個人區(qū)域網(wǎng)絡，還有些解決方案則提供擴展功能，能夠很好地滿足傳感、監(jiān)視和控制應用需要。也可以考慮一些非標準專用解決方案，但這些解決方案可能帶給設計人員一定風險，因為它們依賴于廠商，并可能隨時更改。

　　根據(jù)ZigBee聯(lián)盟(見www.zigbee.org)的解釋，ZigBee(一種基于 IEEE 802.15.4標準的解決方案)的創(chuàng)建主要針對那些要求低功耗、低數(shù)據(jù)速率、可靠性和安全性的網(wǎng)絡。ZigBee解決方案適應特定網(wǎng)絡的支持網(wǎng)狀聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡恢復和愈合、設備互操作性和廠商獨立性。ZigBee解決方案頻率通常在868/915 MHz或2.4 GHz的頻譜范圍內。

　　ZigBee技術解決方案的數(shù)據(jù)速率是250 Kbps。為了最大限度地延伸電池使用壽命，功耗必須特別低，使堿性或鋰電池實現(xiàn)幾個月甚至幾年的使用壽命(通常相當于電池的貨架壽命)。從理論上講，ZigBee技術最多可支持65,000個節(jié)點。最適合由ZigBee技術解決方案支持的常見傳感、監(jiān)視和控制應用包括：

　　個人和醫(yī)療監(jiān)視；資產管理、狀態(tài)和跟蹤；安全、接入控制和安全監(jiān)視；舒適性監(jiān)控；流程傳感和控制；能源管理；家庭自動化；加熱、通風、空氣調節(jié)傳感和控制；樓宇自動化；工業(yè)自動化和眾多其他應用。

　　有些無線個人區(qū)域網(wǎng)絡可能與單一的點到點或星狀配置一樣簡單。對于一些特定的應用，與ZigBee類似的其他專用無線解決方案能提供最適合該應用的設計簡便性與系統(tǒng)功能匹配。比如簡單媒體接入控制或SMAC。這一領域的解決方案都是廠商提供易用源碼，加快簡易網(wǎng)絡的面市。符合IEEE802.15.4標準的媒體接入控制器 (MAC)解決方案用數(shù)據(jù)包和流數(shù)據(jù)模式、時隙和非時隙網(wǎng)絡、128 AES數(shù)據(jù)加密，支持更復雜的配置。

　　提供多級堆棧功能的提供商讓嵌入式工程師能夠將他們的設計軟件重新用于各種WPAN，包括復雜程度不同的WPAN。多堆棧解決方案使嵌入式工程師可以輕松建立無線系統(tǒng)，并將大部分精力集中到應用軟件的基礎設計。

無線(收發(fā)器)或射頻調制解調器

　　要實施低成本無線聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，應考慮幾個RF調制解調器特性。大多數(shù)經濟高效的WPAN RF解制解調器解決方案都建議采用2.0-3.4V的電源。

　　對輕量無線網(wǎng)絡來說，低數(shù)據(jù)速率足以支持監(jiān)視、傳感和控制功能，并能夠幫助管理系統(tǒng)功耗。就像前面提到的那樣，2 MHz信道(其中信道間距為5 MHz)中具有全展頻編解碼、速率為250 kbps及以下的O-QPSK數(shù)據(jù)通常為這類應用選擇。在這種環(huán)境中，收發(fā)器喚醒，收聽開放信道，并以較低數(shù)據(jù)速率發(fā)射小型數(shù)據(jù)包，直到顯示了下一事件時才關閉。順序排列、快速加電延遲、低數(shù)據(jù)速率和小型數(shù)據(jù)包允許802.15.4收發(fā)器選擇數(shù)據(jù)傳輸最有效的時間增量。

　　正如前面所述，對傳感和控制子系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)傳輸范圍和功率要求最好用WPAN軟件堆棧解決方案進行支持。典型范圍是0-10米，然而很多解決方案都提供遠遠超過300米的視線范圍。

　　查看與規(guī)劃設計有關的可用收發(fā)器信道的數(shù)量和類型非常重要?？晒┻x擇的收發(fā)器信道讓設計人員能夠選擇利用那些最能降低噪聲的信道，特別是遠離更為擁擠的2.4GHz WiFi 信道。對于較嘈雜的操作環(huán)境，有經驗的廠商會提供三到四條噪聲可能較低的2.4GHz信道。

　　建議設計人員在0-4 dBm范圍內尋找典型的發(fā)射輸出功率。一般情況下，-90 dBm范圍內的接收靈敏度就足以滿足傳感、監(jiān)控和控制功能的需要。已緩沖的發(fā)射和接收數(shù)據(jù)包能夠為將與收發(fā)器結合使用的低成本MCU簡化數(shù)據(jù)管理。無線或收發(fā)器還應提供鏈路質量和能量檢測功能，以便進行網(wǎng)絡性能評估。

　　多種節(jié)電模式都可以節(jié)約電力，從而最大限度地降低系統(tǒng)功耗。這些模式通常包括單數(shù)字微安范圍內的斷開電流、冬眠電流和睡眠電流。當范圍或環(huán)境需要較低功率就能實現(xiàn)發(fā)射和接收目標時，輸出功率的可編程性還讓設計人員進一步降低了功耗。確保在所選解決方案中提供這些功能將有助于最大限度地延長以電池為電源的全功能/協(xié)調器或最終節(jié)點設備的電池使用壽命，通常都能達到電池的貨架壽命。