SimpliciTI 現(xiàn)有低級(jí)別協(xié)議實(shí)施的范例 - 如何選擇正確的無(wú)線協(xié)議：802.15.4、zigbee以及專(zhuān)有網(wǎng)絡(luò)對(duì)比

　　SimpliciTI

　　SimpliciTI 是現(xiàn)有低級(jí)別協(xié)議實(shí)施的范例，設(shè)計(jì)人員在開(kāi)發(fā)時(shí)間有限、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜?jiǎn)單的應(yīng)用時(shí)可以用來(lái)實(shí)施。實(shí)際上，不符合現(xiàn)有低功耗無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的專(zhuān)有網(wǎng)絡(luò)非常多，不僅跨多個(gè)應(yīng)用空間而且還具有各種不同的實(shí)施復(fù)雜性。之所以將 SimpliciTI 選作范例協(xié)議，是因?yàn)槠渑c 802.15.4 和 zigbee 相比具有更小的尺寸以及更低的復(fù)雜度。不過(guò)還有眾多其他實(shí)施方案也值得納入考慮范圍，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)有 Ant、Blue Robin、MiWi或者 SunSpot 等。SimpliciTI 擁有眾多優(yōu)異的關(guān)鍵特性，如內(nèi)存占用少、方便易用、復(fù)雜度低等。

　　SimpliciTI 專(zhuān)注于支持簡(jiǎn)單星型網(wǎng)絡(luò)的對(duì)等拓?fù)?，即指最大化地利用稱(chēng)為接入點(diǎn) （Access Point） 的單個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。圖 12是一個(gè)家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的范例，其中 SimpliciTI 網(wǎng)絡(luò)還定義了范圍擴(kuò)展器 （Range Extender） 與終端設(shè)備 （End Device） 抽象概念。可將該網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展至包括多達(dá)四個(gè)范圍擴(kuò)展器。

　　SimpliciTI 提供簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)管理功能，包括可實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備休眠功能的存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā)緩存、網(wǎng)絡(luò)初始化、基本鏈接管理以及網(wǎng)絡(luò)探索。圖 13 顯示的該協(xié)議架構(gòu)很難直接與 OSI 模型并行，因?yàn)槠湓谖锢韺?、?shù)據(jù)鏈路層以及網(wǎng)絡(luò)層中實(shí)施的功能都有所簡(jiǎn)化，難以充分滿(mǎn)足各層全面實(shí)施的要求。

　　SimpliciTI 采用能夠與提供管理功能的網(wǎng)絡(luò)層通信、非常類(lèi)似于 TCP/IP 協(xié)議的端口架構(gòu)，并可維護(hù)最少的電路板支持?jǐn)?shù)據(jù)包層，即 BSP 層來(lái)與無(wú)線廣播和MCU進(jìn)行接口相連。SimpliciTI 沒(méi)有正式的物理層描述，因此也沒(méi)有對(duì)頻率、數(shù)據(jù)速率或者調(diào)制提供要求，從而為設(shè)計(jì)人員提供了廣闊的硬件級(jí)設(shè)計(jì)空間。

　　此外，需要重點(diǎn)指出的是，SimpliciTI 協(xié)議也沒(méi)有定義路由、確認(rèn)或者確?？煽啃缘钠渌椒?。用戶(hù)必須處理如消息超過(guò)最大應(yīng)用有效負(fù)荷、數(shù)據(jù)丟失以及數(shù)據(jù)冗余等眾多問(wèn)題。但這不是一種局限，因?yàn)榈凸膽?yīng)用往往對(duì)數(shù)據(jù)數(shù)率和要求都相當(dāng)?shù)?，這里或者那里丟失一個(gè)數(shù)據(jù)包不是什么問(wèn)題。以自動(dòng)調(diào)溫器為例，丟失一個(gè)包的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)用來(lái)說(shuō)并不構(gòu)成重大問(wèn)題。如果通信的可靠性對(duì)應(yīng)用非常重要，用戶(hù)也可在應(yīng)用級(jí)實(shí)施可靠性協(xié)議。比如，可重復(fù)多次發(fā)送數(shù)據(jù)，可實(shí)施對(duì)等層確認(rèn)，或?qū)嵤┛赏ㄖ邮赵O(shè)備是否丟包的事務(wù)交易計(jì)數(shù)器。

　　SimpliciTI 與多數(shù)其他現(xiàn)有的低級(jí)別實(shí)施適用于具有如下要求的應(yīng)用：

　　可自由設(shè)計(jì)自己的較高層協(xié)議

　　與純粹的專(zhuān)有解決方案相比設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)成本更低

　　采用可用的較低層協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)單方便的即用型實(shí)施

　　且愿意接受如下劣勢(shì)：

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

　　可能對(duì)芯片廠商有硬件要求

　　可能需要向推廣標(biāo)準(zhǔn)的公司組織繳納專(zhuān)利費(fèi)或成員費(fèi)

　　免費(fèi)提供 SimpliciTI 的完整源碼，且免專(zhuān)利費(fèi)，但僅限于使用協(xié)議設(shè)計(jì)方德州儀器 （TI） 所推出硬件的情況。更多詳情，敬請(qǐng)?jiān)L問(wèn) www.ti.com/simpliciti。

　　協(xié)議選擇范例

　　本節(jié)將探討如何應(yīng)用上面闡述的選擇標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)假定設(shè)計(jì)要求來(lái)進(jìn)行選用的一些范例。

　　數(shù)據(jù)日志器

　　第一個(gè)例子是每隔五分鐘就記錄濕度與氣壓數(shù)據(jù)的制造監(jiān)控系統(tǒng)。在此情況下，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，數(shù)據(jù)必須保存至少五年，但如果每隔幾個(gè)小時(shí)可能丟失某次采樣數(shù)據(jù)，也不是什么大問(wèn)題。數(shù)據(jù)應(yīng)該保密。安裝該系統(tǒng)后，將取代原有的機(jī)械監(jiān)控方法，而且在此情況下有線系統(tǒng)并不適用。工廠生產(chǎn)線長(zhǎng)度不一，但最長(zhǎng)可達(dá)到 27 米，而且相關(guān)規(guī)則要求每 7 米設(shè)一個(gè)感測(cè)站。設(shè)計(jì)進(jìn)度安排非常緊，系統(tǒng)需要在 6 個(gè)月內(nèi)就完成推出。

　　從上述要求來(lái)看，該設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下：

　　應(yīng)用方面的考慮事項(xiàng)

　　系統(tǒng)可用于每隔五分鐘捕獲一次濕度與氣壓數(shù)據(jù)

　　最多 5 個(gè)感測(cè)站

　　基站必須向 PC 網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)

　　系統(tǒng)用于工廠改造，以取代原有的機(jī)械記錄方法

　　穩(wěn)健性與可靠性

　　工廠數(shù)據(jù)應(yīng)保密

　　在工廠生產(chǎn)期間將數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，而且根據(jù)規(guī)則要求必須保留五年，但偶有缺失并不造成關(guān)鍵問(wèn)題

　　易用性

　　系統(tǒng)應(yīng)在 6 個(gè)月內(nèi)投放市場(chǎng)

　　硬件與 RF的考慮事項(xiàng)

　　用電池供電，電池工作時(shí)間最少為兩年

　　在本例中建議采用 SimpliciTI，這主要是由于設(shè)計(jì)進(jìn)度安排比較緊，而且系統(tǒng)本身并不復(fù)雜。

　　家庭安全網(wǎng)絡(luò)

　　第二與第三個(gè)例子將顯示出，如果要求略有變動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致選擇不同的協(xié)議。本系統(tǒng)是一個(gè)在已裝修好的家居環(huán)境中安裝的家庭安全網(wǎng)絡(luò)，因此重新布線會(huì)花銷(xiāo)太大。我們可選配安裝幾種不同的傳感器，如煙霧傳感器、玻璃破損傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器以及門(mén)禁控制感測(cè) （access control） 等。每個(gè)傳感器都與基站通信，然后基站再與家庭安全監(jiān)控公司通信。該系統(tǒng)應(yīng)能夠與其它傳感器實(shí)現(xiàn)互操作性，舉例來(lái)說(shuō)，從一家公司采購(gòu)的煙霧檢測(cè)器可以配合另一家公司生產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器。該網(wǎng)絡(luò)必須具有高度安全性，以防竊聽(tīng)或篡改。設(shè)計(jì)進(jìn)度安排能允許工程師有一定的學(xué)習(xí)時(shí)間，以加快網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)工作。

　　應(yīng)用方面的考慮事項(xiàng)

　　家庭安全網(wǎng)絡(luò)

　　煙霧檢測(cè)、玻璃破損、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)以及占用檢測(cè)等

　　用戶(hù)界面必須直觀易懂

　　需要遵循業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)

　　應(yīng)能夠從不同廠商技術(shù)之間的互操作性及其相關(guān)支持方面受益***

　　穩(wěn)健性與可靠性

　　關(guān)鍵的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

　　系統(tǒng)必須具有高度的安全性，以防篡改、竊聽(tīng)

　　易用性

　　需要標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)可靠性與安全性***

　　計(jì)劃在總體的家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中集成家庭安全性應(yīng)用

　　愿意花時(shí)間學(xué)習(xí)與充分利用更復(fù)雜的 API

　　硬件與 RF的考慮事項(xiàng)

　　大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都采用電池供電

　　本例中的最終結(jié)果應(yīng)選擇使用 zigbee，因?yàn)椴粌H需要與不同廠商提供的設(shè)備互操作，還要確保滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)化的可靠性與安全性要求。

　　結(jié)論

　　低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)改進(jìn)使用體驗(yàn)、提高功能性有著巨大的潛力。本文概括性地介紹了基本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及相關(guān)術(shù)語(yǔ)，此外還探討了如何通過(guò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并在一定框架基礎(chǔ)上選用何種低功耗無(wú)線協(xié)議，而且專(zhuān)門(mén)講解了 802.15.4、zigbee 以及低層專(zhuān)有特性集的范例。我們首先重點(diǎn)討論了高級(jí)別應(yīng)用的考慮事項(xiàng)，隨后再深入討論包括穩(wěn)健性、可靠性、易用性以及硬件等在內(nèi)的各項(xiàng)具體標(biāo)準(zhǔn)，以幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)用框架來(lái)為其應(yīng)用選擇正確的協(xié)議，從而為更多產(chǎn)品提供低功耗的無(wú)線連接能力。