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选择ZigBee方案七要素

导读: 在IEEE标准802.15.4组织和ZigBee联盟的努力下,未来的家庭、工厂、办公室和零售商店都不需要很多线缆。如果用802.15.4无线开关 取代传统的线缆式开关,承建商就能够在新的建筑工程中把劳动和材料这两方面的成本削减大约1/3。

  在IEEE标准802.15.4组织和ZigBee联盟的努力下,未来的家庭、工厂、办公室和零售商店都不需要很多线缆。如果用802.15.4无线开关 取代传统的线缆式开关,承建商就能够在新的建筑工程中把劳动和材料这两方面的成本削减大约1/3。此外,这些标准更有望在医疗监测设备、工业控制、自动读 表和其他领域开发出全新的应用。

  IEEE 802.15.4是低数据率的无线标准。ZigBee联盟正在开发一套基于802.15.4的连网拓扑及应用标准,以确保不同供货商提供的设备获得 ZigBee认证后能相互操作。必须谨记的是,由于ZiBee是802.15.4的子集,故获得ZigBee认证的应用必须同时符合ZigBee和 802.15.4这两个标准,但802.15.4的应用却不一定符合ZigBee标准。这种区别非常重要,因为ZigBee标准正持续发展,而一些较高级 的应用层至今仍没有定义。对于工程师来说,能够为设计中802.15.4部分在物理和媒体访问控制层,以及ZigBee标准在网络安全、应用构架和应用规 范层,提供充足支持的供货商,就是理想的选择。此外,我们还要考虑网络解决方案、频率、MAC的完整性和架构、选用单芯片还是双芯片、功耗、对未来的应用 构架和规范的支持质量等问题。

 

  要素一:能完成任务的简单网络

 

  802.15.4和ZigBee标准可以实现若干类型的网络配置:点到多点(星形)网络、树形网络和网状网络。

  点到多点(星形)网络多用于低成本的游戏或娱乐中心控制。它们的实现方式最简单,而且设置和控制所需的代码也最少,但一般来说节点的数量和覆盖范围有限。

  树形网络多用于诸如存取或工业控制感测之类的应用。因为它们能容纳较多的节点,所以可以覆盖比点对多点网络更大的范围。然而,其缺点是可能因延迟效应而造成严重的节点故障并令系统停顿。树形网络一般需要比多点系统更多的节点。

  网状网络是最高层次的802.15.4/ZigBee配置,而且需要最多的网络级代码。网状网络具有重要节点故障的“自愈”能力,这使它们成为大型建筑的控制系统或广域感测的理想选择。这类网络是至今为止最难以设计和推行的802.15.4/ZigBee网络。

  至于应选择哪一种网络?我们的建议是,能够完成任务的最简单网络就最好。能满足所有要求的通用型网络解决方案看似可缩短产品上市时间,但它可能是如此不实用又成本昂贵,以至实际上反而会延迟上市时间。

 

  要素二:2.4GHz适合全球应用

 

  802.15.4标准定义了三个无线收发器频率:868MHz(仅用于欧盟)、902MHz(用于美国)和2.4GHz(全球通用)。 2.4GHz无线收发器以250Kbps的数据率传输,902MHz及868MHz无线收发器分别以40Kbps和20Kbps的数据率传输。

  现今市场上的绝大多数802.15.4无线收发器都在2.4GHz频段内工作。这个无须使用许可的频率在全球通用,所以,需要具有全球相互操作性的应用一定要选用2.4GHz频段。

  不过,2.4GHz无线收发器也有一些缺点:其一是2.4GHz频段拥挤不堪。 蓝牙、 无线局域网(WLAN)、微波炉以至车库大门的遥控器也都在这个无须使用许可的频段内工作,大大增加了受干扰的可能性。86MHz/902MHz频段则几 乎没有任何干扰,除了一些老式的无线电话及键盘鼠标之外。此外,868MHz/902MHz无线收发器的灵敏度较高,而且具有较强的固有墙壁穿透率,故可 以把它们隔开得更远,从而有助降低网络的成本。由于具有这两项优点,因此在同样的距离上,这些较低带宽的无线收发器所消耗的功率也比2.4GHz无线收发 器所消耗的要低。

  但从不好的一面看,900MHz频带并未在欧盟获得广泛应用,所以对于需要在美国和欧洲之间具有互用性的应用,这是不大可行的方案。然而,这个 频段在非欧盟国家中相对缺乏,加上具有低功耗和高灵敏度的有利条件,使900MHz无线收发器成为工业或其他不需要全球相互操作性的应用的理想选择。

 

  要素三:灵敏度和输出功率

 

  接收器的灵敏度是无线接收装置能够可靠地接收数据所需的最小功率,其单位是分贝(dBm)。dBm绝对数值越大(而且是负数),则表示接收器的灵敏度越高,这样,无线接收装置之间就可以隔得更远。

  802.15.4标准指定的2.4GHz无线接收装置的最小接收灵敏度为-85dBm,而900MHz无线接收装置的最小接收灵敏度为 -92dBm。所有供货商的802.15.4无线接收装置都超过了这些标准的要求,提供的无线接收装置具有-90dBm到-100dBm的接收灵敏度。

  通过把接收灵敏度从-94dBm提高到-100dBm,就可以把无线接收装置的视界距离有效地延伸一倍。更重要的是较高的灵敏度可以减少或取消 对昂贵而耗电的功率放大器(PA)的需求,因此可以简化系统的复杂性、降低成本,并减少功耗。另外一个决定无线发射装置距离的因素是传输功率。无线传输装 置的传输功率越大,其距离就越长。802.15.4标准要求无线传输装置具有-3dBm或0.5mW的最小输出功率。现今市场上的无线传输装置具有 0dBm(1mW)和3dBm(2mW)的输出功率。

  但是,接收灵敏度和传输功率将影响一对传输器/接收器的视界距离。接收灵敏度越高,传输功率越大,则距离越远。接收灵敏度和输出功率的绝对数值 之和被称为“链路预算”,并且与操作距离有关。当评估802.15.4或ZigBee应用时,链路预算是极重要的考虑因素。链路预算越高就越好,因为无线 收发器可以被间隔得更远,所需的节点数便可以减少,而且系统成本也会降低。

 

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