目前,几乎所有的电子设备都会采用微控制器。但在每年交付的数十亿微控制器中,用于无线网络应用的比例相对较少。而且长期以来,并没有合适的无线标准适用于在家庭、工业及商业监控系统中通常使用的基于小型低功耗微控制器的设备。蓝牙/IEEE 802.15.1及 Wi-Fi/IEEE 802.11等现有的标准均无法满足上述系统的独特要求。通常,家庭、工业及商业监控网络节点对吞吐量的要求不太严格,但是要求低成本、低功耗,并要求小型电池能够保持常年供电。此外,这些网络还要求相对较长的工作距离、较大的地址空间、自适应路由以及其它自我修复功能。因此,过去许多具有上述设计要求的网络都采用针对通用低功耗 RF收发器的专利协议架构。

ZigBee应用与网络层标准建立在IEEE 802.15.4物理无线电(PHY)与媒体接入控制(MAC)层标准的基础之上,是满足低速无线个人区域网络(LRWPAN)应用需求的首个完整的标准化安全协议栈。

现在,很多电子设备的连接都采用专利RF系统甚至IR,这些系统可以通过ZigBee/IEEE 802.15.4设计方案得到更好的实现。类似于大多数无线标准,ZigBee也能实现不同厂商之间的互操作性,且具备移动性和易于部署等优势。随着经过工业验证的RF IC、协议栈软件,以及开发与网络分析工具的迅速到位,ZigBee/IEEE 802.15.4还可以显著缩短开发时间,从而让设计人员将精力集中在应用软件的开发,以及通过互操作性及高认可度来提升商业潜力上。不过,将非ZigBee应用转变成支持ZigBee技术的系统,或者在新设计方案中集成ZigBee技术,还面临诸多挑战。

图1:ZigBee协议栈。

无线嵌入式网络中的ZigBee技术及其基本挑战

尽管IEEE 802.15.4支持多种ISM频带,但只有2.4GHz的频带能在全球通行,且无需申请许可证。这对制造商来说是一个优势,有助于他们加强供应链物流管理,以进行全球部署。然而另一面,这种优势背后事实上还存在2.4GHz ISM频带本身的问题,由于各种标准化专利RF系统均在相对较窄的2.4GHz频带中工作,因此不同系统间的共存是一个大问题。

IEEE 802.15.4及ZigBee标准将通过几种方法来解决这个问题。

最底层PHY的空中接口采用直接序列扩频技术(DSSS)与正交相移键控(QPSK)调制技术。QPSK与DSSS是两种广为人知的、具有鲁棒特性的调制技术,它们的抗干扰性强,数据包丢失率非常低。这些技术的应用范围非常广泛,包括Wi-Fi/IEEE 802.11b、GPS和数字电视广播等卫星系统。

在MAC层采用载波侦听多址访问/冲突避免(CSMA/CA)技术,以确保需要传输的节点首先通过IEEE 802.15.4硬件提供的接收信号强度指示器(RSSI)信号,检查通道是否被另一传输节点占用。如果该通道处于空闲状态,节点就会启动传输。否则,节点会在较短的随机时间间隔内暂停使用通道,然后再次尝试启动传输。一定范围内的所有节点均通过这种方法来避免干扰正在进行传输的节点,这样就可以减少干扰问题。除了RSSI之外,还可以采用链路质量指示器(LQI)。LQI可用来逐个数据包地检测通道损坏情况,并在数据包成功传输时提供更高协议层的通道情况信息。也就是说,LQI可以指示数据包接收离发生故障有多远。

图2:初始节点之间的关系及路由发现过程。

IEEE 802.15.4 MAC上面就是ZigBee,它也采用几种抗干扰策略。当能够充当PAN协调器的ZigBee节点启动时,它扫描所有通道,以确保自身在通道上能被检测到的活动最少。此外,ZigBee还采用数据包确认、再传输及自适应路由等技术。自适应路由可在路由节点发生临时或永久故障的情况下,为数据包提供通过网络的其它可选路径。ZigBee节点采用被称为“按需距离矢量路由协议”(AODV)的路由发现算法来建立通过该网络的其它可选路径。在节点发生故障或部分网络传输条件暂时恶劣的情况下,AODV的恢复能力极强。如果存在几条到目的节点的可选路径,那么ZigBee路由器会采用包括LQI记录在内的多种指示器来选择适当的路由路径,以尽可能避免数据包丢失。

ZigBee的路由功能还实现了另一重要功能。IEEE 802.15.4收发器(如业经验证的CC2420)的典型室内工作距离在10至75米之间,具体根据环境而定。设备所能实现的工作距离很大程度上取决于其自身的输出功率、周围环境中的墙壁等障碍物(很大程度上与建筑材料相关),以及其它设备的干扰。在不同节点的不同功率限制条件下,发送器的输出功率会有所不同,而且移动节点与干扰设备也各不相同,因此就整个网络而言,上述所有因素的具体情况会存在很大差异。自适应路由技术能够根据节点离开网络、在网络其它部分上重新关联以及新节点首次关联等情况调整网络,从而在物理相邻节点间建立更优化的路径,以改善传输条件,进而减少数据包再传输,并降低功耗。与只允许通过统一的中央集线器路由数据包的简单主/从星形网络拓扑相比,多样化的网络拓扑则有助于大幅扩大网络覆盖范围及工作距离。

图3:为不同类型的ZigBee节点选择不同硬件平台的入门指南。

图2给出了路由发现技术的示意图。首先,由关联节点形成树形拓扑,其中,根为地址为0000的PAN协调器。节点关联到网络上时形成最初的树形。就树形结构而言,节点可以确定某个具体的目的地址是下级地址还是树形结构中的其它地址。因此,节点能通过在树形结构中上下传输数据包实现地址解析,这就是ZigBee的树形路由技术。在图2中,尽管节点0007和008e在物理位置上彼此靠近,但如果节点 0007 要向节点 008e 传输数据包,唯一的已知路径必须通过PAN协调器,且1次路由要跳4次。通过传输路由发现广播消息,节点0007可从位于路由发现广播范围内的节点008e处获得路由应答消息,从而建立起直接路由。此外,我们还可采用AODV去发现从节点0007到节点008e的直接路径,从而减少网络流量,进而降低整体网络功耗。另外,路由发现技术还可以使ZigBee具有容错能力。举例来说,如果节点008d发生永久性故障,若树形路由为唯一的地址解析方法,那么节点008e、008f及0091将永久性地与网络断开。

ZigBee及IEEE 802.15.4标准提供了一套完整的解决方案,可以满足无线家庭网络以及工业、商业监控应用的系统设计人员所面临的独特要求。不过,成功地集成ZigBee技术还存在许多需要密切关注的问题。

图4: 采用CC2420及外部(可选)功率放大器的ZigBee参考设计。

集成ZigBee/IEEE 802.15.4解决方案

为成功开发可满足典型节点要求的系统架构,TI正致力于在符合 IEEE 802.15.4 标准的收发器与微控制器、ZigBee协议栈以及应用软件之间实现紧密的集成。面向ZigBee网络传感器节点的硬件平台一般都有微控制器与RF收发器这两个芯片,另外还需要电源电路、传感器、天线及电源等。也可添加RF功率放大器来增加其覆盖范围。为确保ZigBee平台设计获得成功,必须认真选择这些因素。我们建议下一步在片上系统中集成收发器与微控制器,从而降低成本并减少平台尺寸。

图3的1和2两部分给出了两种方法作为硬件平台的可选方案。对任何嵌入式应用来说,选择正确的微控制器至关重要。选择正确的微控制器,同时采用基于ZigBee与IEEE 802.15.4的稳健的网络技术,这样不仅能显著缩短开发时间,而且还能减少元器件数量、降低功耗并减少系统时延。双芯片解决方案为嵌入式系统设计人员提供了高度的灵活性,设计人员可以根据工作经验和使用偏好来选用各种微控制器。MSP430是一种超低功耗微控制器系列,非常适用于ZigBee应用。MSP430系列微控制器提供了多种存储器容量、输入/输出端口、各种功能强大的片上数字与模拟外设以及一整套开发工具,因此无需任何外部传感器元件就能很好地满足不同应用需求。MSP430及CC2420射频芯片是适用于超低功耗ZigBee终端设备的理想解决方案。表1列出了MSP430及CC2420的一些典型功耗数据。

CC2430片上系统解决方案集成了基于8051的微控制器内核、符合IEEE 802.15.4标准的无线电收发器以及其它许多功能强大的外设。如果适当减少微控制器的选择及其它片上资源,那么CC2430还能进一步降低成本并减少节点尺寸。此外,还可以增加位置引擎功能,以跟踪网络节点的物理位置。

图5:OSAL与ZigBee协议栈概览。

硬件平台方案3采用CC2430作为专用的网络协议控制器。这种客户端到服务器的配置使网络协议控制器采用SPI总线上的远程过程调用 (RPC)接口或其它串行接口与应用控制器进行通信。尽管这种解决方案会增加系统成本,但这能确保除统一串行总线以外的用户应用能获得应用控制器上的所有资源。ZigBee协议栈对微控制器具有一定要求,以便能正确执行网络操作。对采用硬件平台方案1及方案2的一些应用来说,必须认真进行用户应用的开发,以便在时间要求很关键的ZigBee网络与安全任务中合理安排高级用户任务。因此,对高级用户应用来说,硬件平台方案3更具吸引力。请注意,方案1和3能在同一ZigBee认证下满足不同的节点要求。

硬件平台4和5适用于重工业监控、医疗/病人监护或媒体系统远程控制等应用,这些应用都要用到具有较高处理性能的、成熟而稳定的处理器平台。连接至CC2430 (用作ZigBee协议控制器)的SPI上的RPC接口具有出色的可移植性,是TI应用处理器产品线中的最佳产品,这种接口不仅能够充当传统技术与ZigBee技术间的纽带,而且还能向高精度马达控制、液体与阀门控制等高级工业控制系统移植ZigBee技术。

输出功率为0dBm的终端设备的典型功耗数据。评估时已覆盖最短工作模式时间下无线电设备及MCU情况,但传感器组件的功耗不在评估范围内。

为缩短产品上市时间,我们采用标准的板级设计,以便在部署之前能够最小化定制工作。对任何采用RF技术的系统而言,板级天线、RF匹配以及去耦都需要特别注意。TI提供了经过测试的、极具特色的参考设计,能确保满足用户的性能需求,并符合相关管制规定。提供的即用型设计方案则可以确保缺乏经验的RF设计人员实现从原型阶段到试验阶段的顺利转变。参考设计提供了多种配置实例,如双层板与PCB天线结合使用,有助于降低硬件成本。为满足特定电路板尺寸要求,可以将芯片天线与不平衡变换器集成设计整合在一起,从而节省一半以上的板级空间。

为针对相关应用将ZigBee集成在电子设备中,首先要确定无线网络节点硬件平台,然后在此平台上集成应用软件和ZigBee协议栈框架。明确定义的应用编程接口可实现特定应用与协议栈之间的顺利连接。经验丰富的嵌入式软件开发人员可采用框架编程接口,有效地将他们的应用代码移植到厂商特定的ZigBee协议栈中。

图6:Daintree Networks提供的传感器网络分析仪的截图显示了节点之间的关系。

本文小结

随着新兴无线技术的不断发展,多种无线电协议和标准也在不断推出。RF IC设计的大幅进步以及器件成本的显著降低,使设计工程师能以非常有限的软件资源实现大规模的无线监控和控制设备网络。这些无线系统通常要求网络能适应条件较差的工作环境,同时保证可靠的流量。无线应用要求系统具有一定的鲁棒性、可预见性以及较高的性能,以便能像有线系统一样可靠地运行。

实践证明,ZigBee技术所面临的技术挑战并不是无法克服的。TI采用IEEE 802.15.4标准开发出简洁的网络协议,以充分利用有限设备所提供的有限资源,并在部署及调试工具的帮助下,解决家庭、工业和商业监控网络中的所有技术问题。

作者:Morten Braathen,高级应用工程师,Email: m.braathen@ti.com;Henrik Kirkeby,设计工程师,Email: h.kirkeby@ti.com;德州仪器

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