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zigbee解决方案

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zigbee解决方案

本文引用地址:http://www.eepw.com.♀cn/article/201710/367127.htm

  在开发2.4 /GHz ZigBe﹢e®㎏无线网络应用时,设计工程师通常会面临系统分⊕割的选择:对ZigBee的连接性及网络处理解决方案而言,最佳的整合层级为何?从效能、功耗﹥及成本的角度来看,何者是=最适合的选择——是将‖2.4 G㏄Hz?无线收发器及处理核?心整合为单芯片解决方案的ZigBee系统单芯片㎝(SoC)比较好?还∷是具有独立收发器及主处理器的离散?式方案较佳?

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  在解决这些问题之前,先让我们仔细?分析?ZigBee技术。根据I?EEE针对低功率无线网络所推出的◎802.15.4 MAC/PHY规格,ZigBee凭借增加网状网络协议及应用∥文件档案来扩展IEE?E 802.15.4,让各装置之间能够完全互相操作。Z≠igB?∮ee使用高可靠、可扩充的网状网络协议,可支持数千个节×点。ZigBee应用文件档案则针对家庭/商业自动化、智慧能源、健康医疗及零售设备定义共通语-言。ZigB3ee也?提供设?备的测试及认证,以确保从射频到应用层的互相操作性。

  *针对传感及控制网络,ZigBee已被设计为高度可靠、低成本、低功?率的无@线网络解决方案。系统分区的选择最终将对ZigBee解?决方案的网络效能、功耗及成本造成极大的影响。?

  系统分区

  图1显示三种基本的系统分区选择£:ZigBe∶e系统单芯片、ZigBee网络协同处理器(NCP)加上主处理器,♂以及ZigBee收⊿发器加上主处理?器。

  在系统单芯片的设计中,IEEE 802.15.4的标准,射频是嵌入式处理器∠的一个?外设,所有的封?包处理及应用处?理都在≈单芯片内执行。系统单芯片一般会包括微处理器的硬件外?设 ,以支〒持运算负荷繁重的功?能,例如AES(高级加密标准)的加密。

  在网络协同处理器(NCP)的设计中,ZigBee协议栈﹣是在?射频及网络处理器芯片上运作,然﹤后运用其SPI或U?ART接口连接至主处理器。?主处理器仅处理2那些被设备?应用传送或?接收的封包。至于那些?路由封包的处理,包括?安全处理±,则是在网络处理器上进行,毋需中断主处理器。因此,?SP≌I或UART处 ?理时间的影响仅会发生在封包的+来源或目的地。

∧  ?一?个ZigBee收发器仅∫包含RF收发器及关键时序的MAC?/PHY功能,主处理器则支持MAC的上层、网络协议及应用编码。所有的封包都必须传送?至?主处理器进行处?理。仅进行路由的那些封包则会?被传送至主处?理器后再返回至射频端,以进行再次传输,基本上是通过UART或??SPI接口?进行。通常AE?S加密的运作是∑在ml收发器芯片£上执行;因此∈需要额外的UART或SPI传输来支持安全处理。  

图1:Zig㎎Bee系统分区选择

  网络性能

  系统设计必须考虑吞吐量℅(t≯hro*ughput)及延迟(latency),以确保网络¥可符合产品的设¥计目标。吞吐>量是用来测量网络可支持多少的数据传输量,这是非常关键的指∨标,用来测定网络的扩充性。延迟则是测量节㏒点间的讯息传℡输速度,这也是非常关∴键的¤指标,用来测定网络的响应能力。吞吐量及延迟都与组件分割有关,系统架构必须纳入考虑。

  ZigBee是一种复合式?的网状网络协≒议,包括保持在启动状态的路由器中枢,以及一般是在睡眠?状态中的终端装置∝。路由?器负责在终端装置间;或是从终端装置至中央控制器传递讯息。∣ZigBee网络∵的∪吞吐量及延迟会与路由器处?理数据封包及将它们传?送至适当目的地的速度有关。

  本文选自电子发烧友网6月《智能工业特刊》Chang㈱e T⌒he World栏目,转载请注明出处。

 ? 路由器的效率与系统分∽区有关。若系统使用系统单芯片或网络协同处理器,则可以在不唤醒或中断主处理器的情况下处?理所有的路?由o,封包一般会在5-10 ms内被传送。若系统使用收发≡器,则这个收发器就必须唤醒或中断㏕主处理器去处理每一个封包。这样的?唤醒或中断㎞延迟时间可?能会大于100 &micro?;s。此外,数据封包必须在收发?器和主处理器之间传送。ZigB?ee封包可能大至127字节?(1016位),以一般的SPI/UART数据传输率传送一个封包至处理器后再返回收发器,可能需耗费0.5-4 ms。ZigBee在MAC及网络层、有∷时甚至在?应用层都会使用AES加密。如果主mol处理器或收?发m器都未支持%高效AES加密,则可能需要额外的UART或SPI数据传?输。√

  图2显示?系统分割对于小?型5字节有效负载的网络效※能的影响,其中仅ZigBee收发器有?支持AES加密。在?使用系统单芯片㎡或网络∟协同处理器的网络中,单一中继?点(hop≮)的延迟?为10 ms,在使?用收?发器的网络中则是20 ms。由于每个节点需要花费两m倍的时间?去处理一个封包?,因此使用收发器的网络吞吐量会减少50%,这会让可支持装置的最大活动数量减半。针对那些极为重视时间的应用,?例如照明,延迟的增加将限制可允许的§中继点最大数量,如此?会降低网络的扩充性及?可靠性。

  

图2:延迟vs.系统分割

  功耗

  ZigBee通讯协议的设计,是?为了让休眠中的装置可控制其电池寿命。休眠中的装置会设定自己唤醒及与网络互?动的÷时程,让设计人员能在电池寿命及数据更新之间取得适当的平衡?。此外,当原本休眠中的终端装置唤醒时?,ZigBee协议毋需?再次进行同步化,因?此可以很有效率地将数据传送至源·头。

  在ZigBee网络中,最重要的功耗指标是终端节?点的电池寿?命。由电池供电的终端节点一般会处于休眠状1态,仅会定期唤醒检查是否有任何有用的数据自网络传送过来。当电池供电的终端装置处于休眠状态时,电力消耗∞主要是由漏电流所造成。

㎜  在数据传输期间,?电池供电的?终端装置必?须唤醒处理器、启动收发器、执行明确的信道评估、传送数据要求?、接收同意,而且可能′还要接收来自网络的数据。这些功能大部分是在MAC层执行,无需与网℃络堆栈互动。若网络⊥有数据要传送给终端″节点,则将数㏑据由路由器?传送?至终≥端节?点所?需的时间,便和系?统分区有关。若此路由器是一个?系统单芯片或℉网络协同处理器,则资料=要求可在内部处?理,而路由器×响?应的时间一般是在2-3 ms内。若此路由¢器使用收发器,则此收发器必须唤醒或中断主处理器、等待处理器创造数据封包,以及经由串行端口接收封包,因此会增加约10 ms3的延迟。在延迟期间,终端节点的接收器仍然需维持启用状态?,而这会大幅降低电池寿命。很?不幸的,路由器上的组件分﹢割对于终端装置的电池寿命会产生负面的影响。

  对成本的影响

  单芯片无线?SoC解决方案,例如Silicon﹣ Labs的 Ember® Zi≦gBee® SoC或NC∩P的成本通常会低?于两个芯片的收发器/主处理器?解决‰方案。印制电路板(PCB)的成本也会较低,因为所需的电路板面积较少,组装组件以及装置间需要路由的信号也较?少。硅芯片的总成本也降低了,因¬为消除∏了多余的功能,例如MAC/PHY和网络≤层所需的AES硬件加速,另外也除去了用来沟通收发器及主处理器的串行端?口及引脚。若系统拥有较大型的处理器,?则开发人员通常会认为在设计中°增加一个收发器是较具成?本效益的,然而,在这些系≧统中,应该将对于延迟及吞吐量的影响列为设计选择的考<虑因素。

  结论

  针对不需主处理器的?终端装置及路由?器,单芯片无线So?C系统?分区方法可提供最佳的网络性能、最低的功耗及最低的总成本。若系统需具有一个主处理器,则NCP系统分割方法可提供最佳的?性能及最低的功耗,且最不会μ影响主处理?的性能?。$

  本文选自电子发烧友网6月《智能工业特刊》Change? The №World栏目,转载请注明出处。

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作者: mgnqyz

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