網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的智能家居無線設(shè)計解決方案

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是家庭理想的設(shè)計解決方案，但在設(shè)計和實施時需要考慮一些因素。創(chuàng)建網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)允許輕松添加新設(shè)備，因為新設(shè)備連接到最近的鄰居并且可以輕松擴展網(wǎng)絡(luò)的整體覆蓋范圍。然而，這需要更復(fù)雜的認證過程，該過程必須在整個網(wǎng)絡(luò)而不是在中央集線器中實現(xiàn)。雖然添加新設(shè)備可擴展范圍，但它也會減少每個節(jié)點可用的帶寬。這是因為數(shù)據(jù)必須與來自相鄰節(jié)點的數(shù)據(jù)一起從一個節(jié)點跳到下一個節(jié)點。如果許多節(jié)點同時處于活動狀態(tài)，則帶寬可能會急劇下降。這對于高帶寬應(yīng)用來說可能是一個問題，例如用于無線安全的流式視頻或監(jiān)控智能家居中的攝像頭，但對于無線傳感器和執(zhí)行器，它沒有明顯的影響。

IEEE802.15.4協(xié)議可能是家庭中網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)最成熟的開放標準，ZigBee實現(xiàn)在全球數(shù)百萬個節(jié)點中用于未經(jīng)許可的2.4 GHz頻段。使用最新版本，它已經(jīng)更新，包括每個節(jié)點的IPv6尋址，并通過從環(huán)境中獲取能量來支持超低功耗操作。

ZigBee PRO網(wǎng)絡(luò)使用多種不同類型的設(shè)備構(gòu)建。 ZigBee協(xié)調(diào)器控制網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的形成和安全性，而路由器擴展網(wǎng)狀網(wǎng)的范圍并連接到智能家庭中特定傳感器或控制器的終端設(shè)備。這些功能可以很容易地組合在一個設(shè)備中，例如控制燈具的設(shè)備，也可以將消息路由到網(wǎng)絡(luò)的其余部分。但是，這也允許端節(jié)點盡可能簡單且成本低。

圖1：智能家居中典型的ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)包含許多可以集成到單個設(shè)備中的不同功能。

圖1所示的示例ZigBee拓撲包括一個協(xié)調(diào)器，五個路由設(shè)備，兩個創(chuàng)建控制網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備和一個可選的組合協(xié)調(diào)器/gateway提供對Internet的訪問。例如，在智能家居中，協(xié)調(diào)器可以是家庭影院控制系統(tǒng)，其具有用于房屋周圍的照明和安全的附加智能支持。

Atmel的ATmega2564RFR2是一款低功耗8位微控制器，結(jié)合高數(shù)據(jù)速率2.4 GHz收發(fā)器，可用于在智能家居中構(gòu)建經(jīng)濟高效的ZigBee端點。該控制器采用AVR Harvard架構(gòu)，允許指令在單個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行，并實現(xiàn)接近1 MIPS/MHz的吞吐量。這使系統(tǒng)設(shè)計人員能夠平衡功耗（例如基于電池的節(jié)點）與性能的對比。

無線電收發(fā)器提供250 kbit/s至2 Mbit/s的數(shù)據(jù)速率，通過幀處理，可以在網(wǎng)格中使用，以提供250 kbit/s的最小網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)速率。該收發(fā)器提供晶體穩(wěn)定的小數(shù)N分頻合成器，支持完整的直接序列擴頻信號（DSSS）處理，具有擴展和解擴，完全兼容IEEE802.15.4-2011/2006/2003協(xié)議和ZigBee標準坐在上面。 -100 dBm的接收器靈敏度和-17 dBm至+3.5 dBm的可編程發(fā)射輸出功率使設(shè)計人員可以在整個智能家居中進行長達100米或更低功率操作的長距離鏈路。

圖2：ATmega2564中的無線收發(fā)器直接連接到AVR控制器內(nèi)核，以簡化節(jié)點設(shè)計。

單芯片系統(tǒng)包括簡化節(jié)點設(shè)計的所有元件，從內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)到電源管理以及直接連接到AVR內(nèi)核。它有32個通用8位寄存器，它們直接連接到算術(shù)邏輯單元（ALU）。這允許使用在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行的單個指令來訪問兩個獨立的寄存器。這提供了非常有效的代碼來保持RAM內(nèi)存低，同時仍然實現(xiàn)比傳統(tǒng)CISC微控制器快十倍的吞吐量。

ZigBee節(jié)點設(shè)計的一個關(guān)鍵要素是與外圍設(shè)備（如傳感器或控制器）的連接。這是通過圖3所示的雙線串行接口（TWI）處理的，它允許系統(tǒng)設(shè)計人員使用兩條簡單的雙向總線互連多達128個不同的器件，一條用于時鐘（SCL），另一條用于數(shù)據(jù)（SDA） ）。實現(xiàn)總線所需的唯一外部硬件是每個TWI總線的單個上拉電阻。連接到總線的所有設(shè)備都有單獨的地址，這簡化了數(shù)據(jù)傳輸，任何總線爭用的解決方案都直接在TWI協(xié)議中處理。

圖3：雙線接口（TWI）簡化了ZigBee網(wǎng)狀節(jié)點中外設(shè)的連接。

TWI上的地址包長9位，有7個地址位，1個READ/WRITE控制位和1個應(yīng)答位。如果READ/WRITE位置1，則執(zhí)行讀操作，否則應(yīng)執(zhí)行寫操作，這樣可避免任何總線爭用。

另一個關(guān)鍵因素是功耗。這是通過一系列不同的電源管理模式在芯片中解決的?？臻e模式會停止CPU，同時允許SRAM，定時器/計數(shù)器，TWI端口和中斷子系統(tǒng)繼續(xù)工作，以便外部傳感器仍然可以向設(shè)備提供數(shù)據(jù)。掉電模式保存寄存器內(nèi)容但凍結(jié)振蕩器，禁用所有其他芯片功能，直到下一次中斷或硬件復(fù)位。在待機模式下，RC振蕩器正在運行，而設(shè)備的其余部分處于休眠狀態(tài)，這樣可以實現(xiàn)快速啟動。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持多達64,000個獨立設(shè)備，對于智能家居而言太過分了。藍牙現(xiàn)在正在研究如何通過軟件升級使用現(xiàn)有的藍牙接收器來提供類似于ZigBee的網(wǎng)狀功能。這將允許通過連接到一個設(shè)備的智能手機訪問家庭周圍的藍牙網(wǎng)絡(luò)，然后通過網(wǎng)格連接到所有其他節(jié)點。

德州儀器（TI）的CC2564獨立藍牙收發(fā)器針對傳統(tǒng)藍牙鏈路和最新的藍牙低功耗（BLE）4.1協(xié)議。為了簡化節(jié)點設(shè)計，免版稅的軟件藍牙堆棧已經(jīng)與TI的MSP430，ARM Cortex-M3和Cortex-M4微控制器集成，后者連接到收發(fā)器。這種架構(gòu)允許第三方開發(fā)人員在智能家居連接的BLE堆棧之上添加自己的網(wǎng)格功能。

圖4：來自德克薩斯州的CC2564儀器連接到外部微控制器，可用于實現(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

為了進一步簡化智能家居中藍牙節(jié)點的設(shè)計，Silicon Labs的BGM111藍牙智能模塊將收發(fā)器和控制器集中在一個模塊中，該模塊還可以承載最終用戶應(yīng)用程序。這意味著無需外部微控制器，從而使無線節(jié)點更小，更便宜。它還具有靈活的硬件接口，可輕松連接到不同的外圍設(shè)備或傳感器。

該模塊可使用標準的3 V紐扣電池供電，但也可提供高達+8 dBm的發(fā)射功率節(jié)點設(shè)計者需要權(quán)衡范圍和功耗。通常，模塊具有嚴格定義的I/O引腳組，這可以限制設(shè)計與外部傳感器接口的選項。使用BGM111模塊，可將25個引腳組織成每個最多16個引腳的端口，這些引腳可單獨配置為輸出或輸入引腳，也可用于漏極開路，開源或故障濾波配置。

圖5：BGM111模塊中的外圍反射系統(tǒng)是一個內(nèi)部交叉開關(guān)，允許高度靈活的I/O結(jié)構(gòu)。藍牙網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

這是一個內(nèi)部信號交叉開關(guān)，稱為外圍反射系統(tǒng)，如圖5所示。該交叉開關(guān)允許將各種外設(shè)功能自由分配給任何GPIO焊盤，簡化了應(yīng)用板布局。這意味著同一模塊可以輕松用于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的各種節(jié)點，GPIO線路經(jīng)過重新配置，可支持不同應(yīng)用中不同的電路板布局。

結(jié)論

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)作為一種以合理的成本通過家庭提供智能網(wǎng)絡(luò)的方式正變得越來越流行。雖然ZigBee設(shè)備不斷創(chuàng)新并在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)控制器和經(jīng)過良好測試的網(wǎng)狀軟件基礎(chǔ)上進行構(gòu)建，但藍牙現(xiàn)在也通過專用收發(fā)器和模塊進入該領(lǐng)域。這為設(shè)計人員提供了更多機會，可以為網(wǎng)狀應(yīng)用修改和優(yōu)化藍牙堆棧，或者使用靈活的集成模塊。所有這些都有助于為家庭帶來更多智能無線功能。