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ZigBee——新型低功耗无线标准

2010-10-16 21:38
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  越来越多的有线数据传输正在被无线解决方案取代。对用户而言,线缆的弃用不仅带来了更多方便,而且大大降低了安装成本。特别是在传感器网络和控制应用中,现有网络的安装和改造成本是重要的考量因素。当从有线网络转向无线网络时,通常节点也要从有线电源转向电池供电。在无线网络中,每个节点的功耗便成为一个重要因素。因此,超低功耗设计技术变得至关重要,特别是在无线传感器节点许多年内只使用一节电池供电的情况下。

  如果确定要使用无线网络,那么第一步就是要选择现有无线标准或实施专有解决方案,并在内部完成全面系统开发。这两种方法各有利弊:

  * 专有解决方案

  o 优点:硬件灵活性高且成本低,因为仅需实现必要的功能。

  o 缺点:软件栈和传输协议开发时间长,且与其他设备不兼容

  * 标准解决方案

  o 优点:开发时间短,因为已有现成的软件堆栈且经过了多个用户测试。与其他厂商的产品相兼容。

  o 缺点:通常,标准的软件部分为非必须的且在应用中未予以使用。这就增加了软件和数据存储所需的存储器容量。

  得到广泛认可的无线标准有多种,且每一种都针对某特定应用领域。例如目前大家熟悉的 Wi-Fi/802.11和蓝牙RF标准,前者适用于相对较短距离和中等功耗的高速传输。可用于PC联网、家庭联网以及视频分配;而后者则面型低功耗短距离中速传输。可用于耳机、PC外设、PDA以及移动电话连接。

  在大多数控制应用中,这些标准都不是很理想。例如,就传感器网络而言,利用一节小电池就可使器件工作多年的超低功耗最为关键。高数据速率并非必需,因为需要传输的只有极少数控制指令和某些测量值。

  IEEE 802.15.4——ZigBee的基础

  因此,对于传感器和控制应用而言,Wi-Fi/802.11和蓝牙并非是最佳解决方案。也正因如此,业内开发了IEEE 802.15.4 标准,并于2003年10月推出。2006年6月,IEEE 802.15.4-2006 (Rev B)获得通过。该标准不但描述了个域网(PAN)中的点对点传输,而且还定义了面向低功耗、低速度及可靠RF传输的PHY和MAC层。一般室内的传输距离从10到30米不等,在室外最大传输距离可达150 米。取决于具体应用不同,电池使用寿命可长达数年。

  图1 免费频段的全球分配情况

  图 1 免费频段的全球分配情况

  在实施无线传输以前,还必要对传输频率进行定义。图1显示了当今全球频率的分配情况。全球各地区低于1GHz的频率使用情况不尽相同。在欧洲,433MHz和868MHz均为免费使用,而在美国,免费使用的频段为315MHz和915MHz。只有2.4GHz频段(Wi-Fi和蓝牙也使用该频段)在全球免费使用。此外,就868MHz和915MHz而言,可以使用相同的天线。只要具有一个灵活、自由可编程 的RF 收发器,一款可选择运行在868MHz或915MHz上的全球解决方案也是一个不错的选择。在这种情况下,必须要确保将运行频率转换至设备运行地区所允许的频段范围。这会增加成本,因为必须要发布两个不同的固件版本。

  IEEE 802.15.4专门针对下列频率而定义:

  * 868MHz、1通道 20kbps … 100kbps(仅适用于欧洲)

  * 915MHz、10通道 40kbps … 250kbps(仅适用于美国)

  * 2.4GHz、16 通道 250kbps(适用于全球各地区)

  ZigBee——软件栈

  ZigBee联盟是一个由多家公司组成的行业协会,这些公司通力合作以实现可靠、低成本、低功耗、无线网络监控并推出基于开放性全球标准的控制产品。ZigBee联盟的推动者包括BM Spa、Ember、飞思卡尔、霍尼韦尔、华为、三菱电机、摩托罗拉、飞利浦、三星、施耐德电气、意法半导体、西门子以及TI等公司。该联盟拥有超过200家成员,并且这一数字还在不断增长。该联盟定义了ZigBee栈:是在IEEE 802.15.4 PHY和MAC之上的一种标准协议栈。ZigBee的目标应用领域如下:

  * 家庭自动化:

  o 自动抄表(AMR)

  o 照明、制热、警报、安全

  o 白家电健康状态监控

  * 商业楼宇自动化

  o 采暖、通风和空调系统(HVAC)

  o 能量管理

  o 警报、安全

  * 工业自动化

  * 住院和病患护理

  * 资产跟踪/有源 RFID

  * 无线传感器网络

  图2 ZigBee 星形网络

  图 2 ZigBee 星形网络

  图3 ZigBee 网状网络

  图 3 ZigBee 网状网络

 

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