802.15.4協(xié)議 - 如何選擇正確的無線協(xié)議：802.15.4、zigbee以及專有網(wǎng)絡(luò)對比

　　第二部分

　　在本文第一部分，我們討論了包括開放系統(tǒng)互連（OSI）網(wǎng)絡(luò)模型在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識，并介紹了低功耗網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)以及包括應(yīng)用考慮事項(xiàng)和穩(wěn)健性與可靠性等在內(nèi)的相關(guān)選擇標(biāo)準(zhǔn)。在第二部分中，我們將探討更多選擇標(biāo)準(zhǔn)，介紹802.15.4協(xié)議并將其與上述選擇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較。

　　簡便易用性

　　簡便易用性反映為對協(xié)議可用性的主觀分析。包括代碼可讀性、支持文檔、直接工程設(shè)計(jì)支持和簡化的 API 等在內(nèi)的多種因素都有助于簡化對哪怕是最復(fù)雜軟件系統(tǒng)的學(xué)習(xí)進(jìn)程；不過，本文所說的簡便易用性是從協(xié)議的復(fù)雜程度角度來說的。根據(jù)不同應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)人員可能認(rèn)為須采用高度復(fù)雜的協(xié)議，但我們應(yīng)認(rèn)識到，軟件實(shí)施方案越復(fù)雜，特性集也就越豐富。802.15.4、zigbee 和 SimpliciTI 等低功耗無線協(xié)議正好實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜性與簡便易用性的最佳平衡，其提供的完整協(xié)議架構(gòu)，便于設(shè)計(jì)人員理解并發(fā)揮特性集的全部優(yōu)勢。如實(shí)施方案過于復(fù)雜，即便經(jīng)驗(yàn)豐富的嵌入式開發(fā)人員都可能感到頭疼。因此，協(xié)議特性與簡便易用性相平衡是我們要考慮的一個重要選擇標(biāo)準(zhǔn)。

　　硬件與 RF 考慮事項(xiàng)

　　我們應(yīng)考慮的一些硬件和應(yīng)用問題，其中包括系統(tǒng)的物理規(guī)模、傳輸距離、成本預(yù)算、功耗預(yù)算，以及應(yīng)用特性（如要求語音識別或用戶接口）等。只有回答了這些問題，我們才能確定采用何種無線協(xié)議，才能明確支持何種微控制器特性。在超低功耗協(xié)議設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的關(guān)鍵硬件選擇標(biāo)準(zhǔn)如圖 5所示。

　　上述選擇標(biāo)準(zhǔn)適用于本文所討論的有關(guān)協(xié)議，也是在實(shí)施最終解決方案評估硬件時可借鑒的重要依據(jù)。我們還應(yīng)處理一些系統(tǒng)級問題，如硬件的物理尺寸，因?yàn)檫@會限制MCU和/或無線電的選擇。在某些情況下，在單個器件上集成了MCU和無線電的片上系統(tǒng)（SOC）是一款具有最佳尺寸與特性的解決方案。而在其它情況下，尺寸的限制意味著支持集成模擬功能的 ADC 等會決定 MCU 的選擇。此外，硬件的選擇還會受到協(xié)議本身對存儲器和 MCU 資源要求的影響。如果協(xié)議實(shí)施的資源要求對MCU的應(yīng)用性能有一定局限，那么設(shè)計(jì)人員就可選擇專門用來支持實(shí)施方案的無線應(yīng)用處理器，如zigbee 協(xié)議棧處理器，這樣就能讓“應(yīng)用”MCU來實(shí)施定制應(yīng)用功能。

　　在詳細(xì)討論協(xié)議之前，圖 6 以 MSP4304618 MCU 和 CC2420 無線電廣播為例顯示了協(xié)議的范例編制，使讀者對實(shí)際實(shí)施中的內(nèi)存占用情況有個一般性的了解。

　　802.15.4

　　802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)是由 IEEE 802.15第4任務(wù)組 （IEEE 802.15 Task Group 4） 開發(fā)的低功耗無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。原始標(biāo)準(zhǔn)于 2003 年發(fā)布，后經(jīng)修改由 2006 年版取代。隨著越來越多的電子設(shè)計(jì)人員要求一種適用于低復(fù)雜性、低數(shù)據(jù)速率以及（大多數(shù)情況下）電池供電應(yīng)用的實(shí)施方案，該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。具休而言，開發(fā)該標(biāo)準(zhǔn)旨在面向家庭自動化、工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)以及安全監(jiān)控等領(lǐng)域的應(yīng)用。包括 zigbee和 zigbee Pro 等在內(nèi)的若干種其它協(xié)議也采用 802.15.4 作為物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。

　　也有人將 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)稱為 MAC，即媒體接入控制 （Medium Access Control） 標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槠淇啥x網(wǎng)絡(luò)中任意兩個對等設(shè)備的通信協(xié)議。從概念上講，我們能夠以全功能設(shè)備 （FFD） 或簡約功能設(shè)備 （RFD） 的方式實(shí)施802.15.4 個人局域網(wǎng) （PAN） 中的設(shè)備。FFD 節(jié)點(diǎn)具備網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的能力，一般由主電源供電。不過由于每個星型配置的 PAN 只能有一個 FFD 節(jié)點(diǎn)，所以 FFD 一般不會始終用作網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。FFD 可用作通用節(jié)點(diǎn)。RFD 節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)上相對簡單，因而不能充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的全部功能，只能與 FFD 節(jié)點(diǎn)通信。RFD 節(jié)點(diǎn)對于應(yīng)用的實(shí)施要求很低，從而可降低 IC 的成本，有可能作為應(yīng)用中啟用傳感器或制動器的節(jié)點(diǎn)，而且由于運(yùn)行占空比極低，也比較有可能適合采用電池供電。如錯誤！未找到引用源。 所示，若 FFD 協(xié)調(diào)器向子節(jié)點(diǎn)之一（也必須為 FFD）分配新的 PAN 標(biāo)識 （PAN ID） 后就能夠?qū)?802.15.4 網(wǎng)絡(luò)的星型拓樸進(jìn)行擴(kuò)展，從而創(chuàng)建僅有協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)才可以交換信息的 PAN 群集。注意該標(biāo)準(zhǔn)不直接支持路由。

　　通過定義兩個節(jié)點(diǎn)之間的通信，如網(wǎng)絡(luò)管理基礎(chǔ)，802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)可為開發(fā) zigbee 等更高級別的網(wǎng)絡(luò)實(shí)施提供靈活的基礎(chǔ)。

　　雖然 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)是開發(fā)更高級別網(wǎng)絡(luò)的良好基礎(chǔ)，但其存在一定的復(fù)雜性，這在適當(dāng)?shù)膽?yīng)用考慮條件下，可以直接當(dāng)作一種可靠的通信方式進(jìn)行部署。一般來說，如果要滿足下列要求，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮采用802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)：

　　要求采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)化的物理層與較低層協(xié)議

　　可自由設(shè)計(jì)自己的較高層協(xié)議

　　能夠靈活選擇各種硬件與較低層軟件廠商

　　具備物理層與較低協(xié)議層的互操作性

　　實(shí)現(xiàn)較低的設(shè)計(jì)與開發(fā)成本

　　由第三方廠商/供應(yīng)商提供支持與維護(hù)

　　且愿意接受下列劣勢：

　　需要設(shè)計(jì)與開發(fā)較高層協(xié)議和應(yīng)用

　　根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)會存在無線電廣播通道限制

　　為便于理解這些應(yīng)用級考慮事項(xiàng)符合 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的原因，對協(xié)議本身的穩(wěn)健性、可靠性以及總體實(shí)施進(jìn)行分析非常重要。圖 8 是該協(xié)議層的概念組織結(jié)構(gòu)與先前討論的 OSI 模型的比較。

　　實(shí)際上，“媒體接入控制”僅指 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)鏈路層。物理層，也稱為 PHY 層，能夠定義無線電廣播設(shè)備間在歐洲（868 MHz）、美國（915 MHz）以及世界范圍（2.4 GHz）工業(yè)、科學(xué)以及醫(yī)療（ISM）頻帶上工作的物理鏈接。PHY 層可通過 DSSS RF 調(diào)制方案最終提供節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，并設(shè)定 868/915MHz 通道的數(shù)據(jù)速率為 20 kbps 或 40kbps，2.4 GHz 通道的工作數(shù)據(jù)速率為 250kbps。此外，PHY 層還可規(guī)定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的特性要求，如接收機(jī)功率檢測、鏈接質(zhì)量指示、無干擾通道評估以及尋址方案（包含 64 位 IEEE 尋址和 16 位網(wǎng)絡(luò)地址，可在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)定 64，000 個節(jié)點(diǎn)）。

　　協(xié)議的 MAC 層提供的特性能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的對等通信，如數(shù)據(jù)包幀管理、節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)、對等確認(rèn)等。802.15.4網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)同步或異步通信。同步通信由 16 個時隙構(gòu)成的超幀定義，可以選擇其中的 7 個時隙提供擔(dān)保，或者所有時隙都可以使用 CSMA/CA 協(xié)議。完全按照 CSMA/CA 協(xié)議處理異步通信，如果通道繁忙會引起對傳送節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)的指數(shù)時長的退避，直到下一次嘗試傳輸數(shù)據(jù)包。在任一情況下，在發(fā)送與接收節(jié)點(diǎn)之間都可實(shí)施確認(rèn)方案，以最大限度地降低數(shù)據(jù)包事務(wù)交易的丟包可能性。如果發(fā)送方接收到 NACK，就意味著該數(shù)據(jù)包未被成功接收。在這種情況下，基于超時的重發(fā)方案與用戶定義的重試次數(shù)將最有可能確保數(shù)據(jù)包的成功交付。為實(shí)現(xiàn)異步通信，802.15.4 網(wǎng)絡(luò)中的 FFD 節(jié)點(diǎn)也會實(shí)施存儲并轉(zhuǎn)發(fā)功能。

　　802.15.4 沒有指定加密方式。不過，符合標(biāo)準(zhǔn)的軟件平臺可以實(shí)施某些功能，以使用戶能夠輕松地在較高層實(shí)施中添加對稱加密方法。這樣，用戶就可對其應(yīng)用采用的安全方式進(jìn)行優(yōu)化。

　　802.15.4 協(xié)議的相對易用性與功能性的平衡使得現(xiàn)有的軟件實(shí)施具有良好的易用性。由于協(xié)議提供的高可靠性，一般來說如果結(jié)合采用某種低級別任務(wù)調(diào)度程序，則工程設(shè)計(jì)小組從上手到充分利用現(xiàn)有解決方案只需要很少時間。參見圖 6，協(xié)議對內(nèi)存占用、資源要求以及協(xié)議開銷等也沒有限制性要求。