如何構(gòu)建低成本無線網(wǎng)絡(luò)及nRF與Zigbee對比(中文)

1、如何構(gòu)建低成本無線網(wǎng)絡(luò)及nRF與Zigbee對比(中文)如何構(gòu)建低成本無線網(wǎng)絡(luò)及nRF與Zigbee對比(中文)如何構(gòu)建低成本無線網(wǎng)絡(luò)及nRF與Zigbee對比(中文)白皮書如何構(gòu)建低成本無線網(wǎng)絡(luò)及nRF與Zigbee對比低成本，低電流，低活動率的網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)和國內(nèi)的儀器儀表控制等領(lǐng)域，人們對智能開發(fā)，自我形成的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)方面的興趣與日俱增。對于這樣的網(wǎng)絡(luò)最基本的應(yīng)用是數(shù)據(jù)采集，如抄表，參數(shù)顯示，溫度，壓力，運動等。而一些控制元件也包含在所設(shè)想的功能內(nèi)。這并不是一個新的想法，事實上，這種應(yīng)用程序已經(jīng)存在。對于這種類型科技大規(guī)模應(yīng)用的真正阻礙歷來就是電流消耗和單位成本。Nordic 半導(dǎo)體公司已經(jīng)發(fā)

2、布的“E”系列智能收發(fā)器對于這些挑戰(zhàn)提供了無與倫比的解決方案。挑戰(zhàn)小規(guī)模的獨立智能方案今日的主要挑戰(zhàn)是什么？利用無線方案解決的應(yīng)用是典型的低傳輸活動率設(shè)備，例如溫度控制器，報警和其他基于合理的偶發(fā)事件或輪詢系統(tǒng)的觸發(fā)信息交換的單位。因此，要發(fā)展一個能實現(xiàn)這些功能的系統(tǒng)，獨立的智能技術(shù)在所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中都是必需的。然而，有一個權(quán)衡利弊的行為要在這里得到解決。以藍牙技術(shù)為例，由于它固有的設(shè)計，存在延遲以及電流消耗過多等問題。單位成本實際上也從來沒有下降到“神奇的”5.00美元。這也有效排除了藍牙技術(shù)作為這些應(yīng)用的解決方案。Zigbee的 TM 是另一個推薦的解決方案，但截至2005年5月，尚未一個被

3、批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)已經(jīng)要求一個主節(jié)點要有32K到128K的堆棧大小，而這一數(shù)字也是只增不減。Nordic半導(dǎo)體開發(fā)的“E”系列設(shè)備目前可謂一個完美的在性能和成本方面適合的專有網(wǎng)絡(luò)。其包括一個收發(fā)器系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合MAC層地址和CRC糾錯。此外，單獨的該設(shè)備還存放4K的8051微控制器和一個9通道，10位ADC和一個脈沖寬度調(diào)制。這對于開發(fā)簡單的星形或樹形網(wǎng)絡(luò)以及實施應(yīng)用程序的功能來說已經(jīng)足夠了。經(jīng)濟上可行產(chǎn)品的關(guān)鍵是要獲得足以實現(xiàn)可靠的無線功能的復(fù)雜度和簡潔性之間的平衡，同時還要保證目標(biāo)成本和電流消耗降至最低。ZigBeeTM 和 IEEE 802.15.4Zigbee是一種近年來才興起的無線

4、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它出現(xiàn)的時間較短，2004年底才由Zigbee聯(lián)盟發(fā)布了1.0版本規(guī)范，尚未進入大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用;但是，它的上升勢頭十分明顯，已有Chipcon、Freescale、CompXs、Ember四家公司在今年4月通過了Zigbee聯(lián)盟對其產(chǎn)品所作的測試和兼容性驗證。預(yù)計從2006年開始，基于Zigbee的無線通信產(chǎn)品和應(yīng)用會迅速得到普及和高速發(fā)展。Zigbee一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時，通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴，達到交換信息的目的?？梢哉f是一種小的動物通過簡捷的方式實現(xiàn)“無線”的溝通。人們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近程無線網(wǎng)絡(luò)通信技

5、術(shù)，亦包含寓意。IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)是指在一個POS內(nèi)使用相同無線信道并通過IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)相互通信的一組設(shè)備的集合，又名LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)。在這個網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)設(shè)備所具有的通信能力，可以分為全功能設(shè)備和精簡功能設(shè)備。FFD設(shè)備之間以及FFD設(shè)備與RFD設(shè)備之間都可以通信。RFD設(shè)備之間不能直接通信，只能與FFD設(shè)備通信，或者通過一個FFD設(shè)備向外轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。這個與RFD相關(guān)聯(lián)的FFD設(shè)備稱為該RFD的協(xié)調(diào)器。IEEE 802.15.4是ZigBee, WirelessHART, 和MiWi規(guī)范的基礎(chǔ)。目前有待引進進入市場的ZigBee設(shè)備以及與他相關(guān)的IEEE 802.1

6、5.4標(biāo)準(zhǔn)有些混亂。將ZigBee TM和IEEE 802.15.4區(qū)別開來則顯得非常重要。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)針對的是處于2.4GHz, 868MHz 以及 915MHz的射頻物理層和MAC（介質(zhì)訪問）層。ZigBee已經(jīng)這個標(biāo)準(zhǔn)作為它自身通信標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，然而他們并不是同一個，而是單獨出現(xiàn)的硬件和軟件方面的實體。因此，要理清當(dāng)前情形，以IEEE 802.15.4為標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器被生產(chǎn)出來進行操作。另外，一個ZigBee TM 棧通常由外部微控制器或處理器的獨立廠商來實施?；ゲ僮餍詥栴}目前有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的趨勢，而這個標(biāo)準(zhǔn)可以保證整個行業(yè)不同供應(yīng)商產(chǎn)品之間的無縫操作性。藍牙技術(shù)正是為這以目標(biāo)

7、實現(xiàn)而努力的成果，如今藍牙已被認為是一個成熟的技術(shù)，但其操作性問題仍然沒有完全解決。藍牙的制定標(biāo)準(zhǔn)有嚴格的資格審查程序，而這能確保應(yīng)用的互操作性實現(xiàn)，而ZigBee目前沒有這樣的要求?，F(xiàn)實的挑戰(zhàn)是如何確保你的家用溫度控制器能夠使用同一種第三方機器語言。確實會有兼容性問題出現(xiàn)，而且產(chǎn)品存在著有違規(guī)裝置的風(fēng)險?？傊瑳]有資格的標(biāo)準(zhǔn)會為奸商打開生產(chǎn)便宜、兼容性差、不合格產(chǎn)品的方便大門。許多開發(fā)人員會更喜歡有自己的專有系統(tǒng)，并且融入供應(yīng)商的理念，這樣能創(chuàng)造出更多消費者愿意購買的產(chǎn)品。讓客戶選擇其他競爭對手的產(chǎn)品會損害制造商的利益。像ZigBee那樣堅持保障群體的利益是一種法律責(zé)任更為自己創(chuàng)造了更好的機

8、會。在開發(fā)人員設(shè)計過程中，標(biāo)準(zhǔn)可以限制和減少提供給應(yīng)用程序的自由度。產(chǎn)品制造商將不得不考慮競爭對手所有可能的設(shè)備，這些設(shè)備可能與他們自己的系統(tǒng)相連接。如果由其他供應(yīng)商的接口是無效的，那將會降低整體通信系統(tǒng)的效率。帶寬效率IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是基于直接序列擴頻（DSSS）技術(shù)。直接序列擴頻技術(shù)具有良好的抗干擾能力強的特點，但這并不是免費的。擴頻編碼的方式，是以每更多比特傳輸數(shù)據(jù)的帶寬消耗為代價來提高抗干擾能力。對于2.4GHz nRF24xx設(shè)備來說，1MBS通道占用寬度為1MHz，帶寬效率為1位/ Hz。對于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備來說，比特率為250kbs，超過0.083比

9、特/赫茲的3MHz帶寬。因此nRF24x1設(shè)備支持支持83個防沖撞獨立頻道，而不是根據(jù)計劃提供的16個獨立通道。同樣，在歐洲業(yè)務(wù)的868MHZ頻段，IEEE 802.15.4提供最大數(shù)據(jù)速率在20kbs的信道。相比之下，nRF905的可以支持7個速率為50kbs的獨立信道。這兩個信道分配和相關(guān)速率等數(shù)據(jù)如圖圖1a和圖1b所示。圖1a Nordic NRF TM 和ZigBee TM 為2.4GHz的信道分配圖1b Nordic NRF TM 和ZigBee TM 為868MHZ的信道分配nRF24xx 和 nRF9xx系列已經(jīng)發(fā)展到可以使用MAC層協(xié)議來處理芯片。與此同時，它也保持盡可能輕巧，

10、以確保在空中運行的最少時間。通過比較一個IEEE 802.15.4設(shè)備的傳輸包和一個典型的低數(shù)據(jù)速率NRF數(shù)據(jù)包可以說明這一點。舉個例子，如果使用32位的有效載荷組成一個16位溫度讀數(shù)，還包括控制字節(jié)的有效載荷信息。要封裝到一個包，需要有一個額外8位的前序編碼，以及32位尋址碼和8位CRC校驗碼，這樣數(shù)據(jù)包所需的數(shù)據(jù)總共是72位。而同樣的信息根據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)傳輸則需要152位。Nordic半導(dǎo)體NRF TM 設(shè)備的包組裝部件為：8位前序編碼32位地址ID32位數(shù)據(jù)凈負載8位CRC校驗碼在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)下，使用同一個包功能的兼容設(shè)備需要包括以下部分：32位前序編

11、碼8位限制幀8位幀長16位控制幀32位地址認證32位數(shù)據(jù)凈負載16位校驗幀該例子列出了典型的通信包，該包以低數(shù)據(jù)速率和低活動率（網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的有效載荷為32位）進行傳輸。對于一個典型的短距離設(shè)備，nRF TM數(shù)據(jù)速率也比IEEE 802.15.4兼容設(shè)備高出4倍。因此，在這種情況下，NRF TM 設(shè)備將消耗僅為一個IEEE 802.15.4設(shè)備所需電池量的12.5。同樣重要的是，NRF TM 設(shè)備在空中的時間也僅為IEEE802.15.4設(shè)備的12.5，這將反過來減少碰撞發(fā)生的概率。圖2顯示了作為一個數(shù)據(jù)包大小為nRF24xx和ZigBee TM 替代品功能的通信效率。這個例子沒有考慮到一個與IE

12、EE 802.15.4兼容的微控制收發(fā)器導(dǎo)致的更大的電流消耗。圖2 通信效率：nRF TM與ZigBee TM設(shè)備對比（一個通信包有效載荷的百分比）6、系統(tǒng)在設(shè)計方面的緊湊性nRF TM “E”系列設(shè)備無可比擬的緊湊高集成度成為必需的關(guān)鍵應(yīng)用。整個系統(tǒng)可以由一個鈕扣電池來供電并且實現(xiàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用，而這是典型的ZigBee TM 的目標(biāo)。一個如圖3所示具有完整功能的系統(tǒng)可用不小于20mm15mm的印痕來完成設(shè)計。所有“E”系列器件芯片上具有ADC的功能，以及與外界相接的用來提供充足數(shù)據(jù)的數(shù)字化接口，無論是模擬數(shù)據(jù)或是數(shù)字數(shù)據(jù)。因此我們可以看到，整個系統(tǒng)由射頻物理層到應(yīng)用軟件可以由一個簡單的單一設(shè)備單

13、位來完成。圖 3一個單一系統(tǒng)設(shè)備的邏輯布局（Nordic半導(dǎo)體“E”系列）另外，當(dāng)前ZigBee解決方案是在一個設(shè)備中使用物理層和MAC層，同時處理和應(yīng)用程序的功能在一個獨立的中等規(guī)模的單片機中完成。而這有更大的電流需求，同時印跡也會超過Nordic半導(dǎo)體的nrf tm“E”系列設(shè)備。圖 4 典型的ZigBee TM 系統(tǒng)7、通信的可靠性具有獨立節(jié)點的無線網(wǎng)絡(luò)將不可避免地遇到因試圖在同一時間重疊通信溝通的節(jié)點包而造成的碰撞。碰撞的概率是由網(wǎng)絡(luò)中的獨立節(jié)點的數(shù)目，輪詢/報告頻率，傳輸數(shù)據(jù)速率和實際大小/格式來決定的。在相同頻段下的其他無線設(shè)備的工作也將增加碰撞的概率，并可能造成破壞性的干擾。IE

14、EE 802.15.4設(shè)備和nRF TM設(shè)備有不同的方法在有碰撞環(huán)境下實現(xiàn)可靠的通信。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是基于公差帶內(nèi)噪聲的DSSS拓撲技術(shù)。這意味著，這種裝置可以處理一定量的沒有數(shù)據(jù)丟失的同一信道的干擾。DSSS收發(fā)器在噪聲下運行的性能依賴于干擾器的功率和噪聲特性以及DSSS收發(fā)器的處理增益。另外，收發(fā)器前端的質(zhì)量影響著整體的性能。應(yīng)當(dāng)指出的是，DSSS收發(fā)器經(jīng)常能夠免受噪聲的干擾是一種誤解，因為它絕不能免疫帶內(nèi)噪聲。在歐洲868MHz頻段的頻率限制使得IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)在處理增益方面有一定的局限性，這導(dǎo)致其與傳統(tǒng)的DSSS系統(tǒng)相比有更低的噪聲容限。在這方面最突出的是

15、具有較低數(shù)據(jù)速率DSSS，由于持續(xù)時間較長的數(shù)據(jù)包，而具有更好的整體性。因此，這也導(dǎo)致了更多的電流消耗。另一個問題是在868MHZ的單通道帶的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)處理高峰周期的能力下降。nRF TM設(shè)備則是基于一個完全不同的方式。它的理念是在盡可能高的數(shù)據(jù)速率帶寬高效調(diào)制途徑下傳輸數(shù)據(jù)。其結(jié)果是更快的數(shù)據(jù)傳輸速率導(dǎo)致更少的無線媒介占用，同時也允許更多的替代傳輸通道的數(shù)量以防止干擾和高峰周期的出現(xiàn)，代價則是對窄帶干擾的承受能力更差。但是，應(yīng)該指出的是，占用帶寬很窄是由于GFSK的調(diào)制。由于數(shù)據(jù)速率的提高，數(shù)據(jù)碰撞的概率也相應(yīng)減少。碰撞如果能被提前發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)則可以即時或稍后通過其他途徑進行轉(zhuǎn)移。由于較短的傳輸

16、時間，電池功耗也會降至最小。8、總結(jié)本文嘗試著從功能上總結(jié)一下IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee TM 協(xié)議棧之間的區(qū)別。一個明顯的典型的事實是，IEEE 802.15.4是在硬件上收發(fā)器的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，然而ZigBee tm是在上述提到的由中等規(guī)模微控制器控制收發(fā)器的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。拋開這個區(qū)別不說，對于基于IEEE 802.15.4的可兼容的收發(fā)器和Nordic半導(dǎo)體nRF24xx以及nRF9x5“E”設(shè)備之間的其它差別來說，Nordic半導(dǎo)體的設(shè)備將收發(fā)器和帶有10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的小型微控制器合并在一起。我們所設(shè)想的具有低數(shù)據(jù)速率，低活動性的傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能是提供可靠通信的前提，而

17、為它提供能量的電池的耐久力則是以年而不是月來計算的。已經(jīng)被證明的是，典型的NRF TM 系列設(shè)備可以同時擁有僅僅相當(dāng)于IEEE 802.15.4兼容設(shè)備12的電流消耗和無線廣播的時間周期。對于nRF TM E設(shè)備來說，一個重要的因素是其操作電源電壓已經(jīng)可以下降到1.8V的水平。這說明其允許容忍的壓降為一個典型的2AAA電池組的1.2V，而一個標(biāo)準(zhǔn)的操作電壓為2.7V的設(shè)備無法承受只有0.3V的壓降。這一事實也將在為實現(xiàn)以年計的電池壽命而努力的過程中扮演關(guān)鍵的角色。IEEE 802.15.4設(shè)備和nRF TM設(shè)備有不同的方法來實現(xiàn)可靠通信，而在這樣通信環(huán)境中的碰撞和干擾是可以預(yù)料到的。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備是基于較高的干擾容限，而NRF TM 設(shè)備則是基于持續(xù)時間較短的數(shù)據(jù)傳輸和高頻率的靈活性。通過性能測試的結(jié)果表明，功能強大的、可靠的以及低電流消耗的系統(tǒng)可以在Nordic nRF TM設(shè)備上實現(xiàn)。挪威Vestre Rostern 81號 N-7075電話4772898900傳真4772898989免責(zé)聲明：Nordic半導(dǎo)體公司ASA保留進行修改的權(quán)利，恕不另行通知用來提高產(chǎn)品可靠性和功能性的設(shè)計。Nordic超大規(guī)模集成電路對于此處所述的任何產(chǎn)品或電路的應(yīng)用或使用所產(chǎn)生的后果不承擔(dān)任何責(zé)任。有關(guān)生命安全的應(yīng)用程序：這些產(chǎn)