應用于智能家居的ZigBee 節(jié)點設計網(wǎng)狀網(wǎng)絡方案

　　網(wǎng)狀網(wǎng)絡是家庭的理想設計解決方案，但在設計和實施中需要考慮一些因素。創(chuàng)建網(wǎng)狀網(wǎng)絡可以輕松添加新設備，因為新設備連接到最近的鄰居并輕松擴展網(wǎng)絡的整體覆蓋范圍。然而，這需要一個更復雜的身份驗證過程，該過程必須在整個網(wǎng)絡中而不是在中央集線器中實施。在添加新設備擴展范圍的同時，它也減少了每個節(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)，帶寬可能會急劇下降。這對于高帶寬應用可能是個問題，例如用于無線安全的流式視頻或智能家居中的監(jiān)控攝像頭，

　　IEEE802.15.4 協(xié)議可能是家庭中最完善的網(wǎng)狀網(wǎng)絡開放標準，ZigBee 實現(xiàn)在未經(jīng)許可的 2.4 GHz 頻段用于全球數(shù)百萬個節(jié)點。在最新版本中，它已更新為包括每個節(jié)點的 IPv6 尋址，并通過從環(huán)境中收集能量來支持超低功耗運行。

　　ZigBee PRO 網(wǎng)絡由多種不同類型的設備組成。ZigBee 協(xié)調(diào)器控制網(wǎng)狀網(wǎng)絡的形成和安全，而路由器擴展網(wǎng)狀網(wǎng)絡的范圍并連接到智能家居中特定傳感器或控制器的終端設備。這些功能可以很容易地組合在單個設備中，例如與控制燈具并將消息路由到網(wǎng)絡其余部分的設備。然而，這也允許端節(jié)點盡可能簡單和低成本。

　　圖 1：智能家居中的典型 ZigBee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡包括許多不同的功能，可以集成到單個設備中。

　　圖 1 所示的示例 ZigBee 拓撲包括一個協(xié)調(diào)器、五個路由設備、兩個創(chuàng)建控制網(wǎng)絡的終端設備和一個可選的組合協(xié)調(diào)器/網(wǎng)關，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)，為房屋周圍的照明和安全提供額外的智能支持。

　　Atmel的ATmega2564RFR2是一款低功耗 8 位微控制器，結(jié)合了高數(shù)據(jù)速率 2.4 GHz 收發(fā)器，可用于在智能家居中構(gòu)建具有成本效益的 ZigBee 端點。該控制器使用 AVR 哈佛架構(gòu)，允許在單個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行指令，并實現(xiàn)接近 1 MIPS/MHz 的吞吐量。這允許系統(tǒng)設計人員平衡功耗（例如基于電池的節(jié)點）與性能。

　　無線電收發(fā)器提供從 250 kbit/s 到 2 Mbit/s 的數(shù)據(jù)速率，連同幀處理，可用于網(wǎng)格中以提供 250 kbit/s 的最小網(wǎng)絡數(shù)據(jù)速率。該收發(fā)器提供晶體穩(wěn)定的小數(shù) N 合成器，并支持完全直接序列擴頻信號 （DSSS） 處理，具有完全兼容 IEEE802.15.4-2011/2006/2003 協(xié)議和 ZigBee 標準的擴頻和解擴頻坐在上面。-100 dBm 的接收器靈敏度和從 -17 dBm 到 +3.5 dBm 的可編程發(fā)射輸出功率允許設計人員在整個智能家居中選擇長達 100 m 或更低功率運行的遠程鏈路。

　　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)點設計。

　　單芯片系統(tǒng)包括簡化節(jié)點設計的所有元素，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，直接連接到算術邏輯單元 （ALU）。這允許通過在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行的單個指令訪問兩個獨立的寄存器。這提供了非常有效的代碼來保持低 RAM 內(nèi)存，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)點設計的一個關鍵要素是與傳感器或控制器等外圍設備的連接。這是通過圖 3 所示的兩線串行接口 （TWI） 處理的，它允許系統(tǒng)設計人員使用兩條簡單的雙向總線線路互連多達 128 個不同的設備，一條用于時鐘 （SCL），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 總線線路的單個上拉電阻。所有連接到總線的設備都有單獨的地址，這簡化了數(shù)據(jù)傳輸，并且任何總線爭用的解決都直接在 TWI 協(xié)議中處理。

　　圖 3：兩線接口 （TWI） 簡化了 ZigBee 網(wǎng)狀節(jié)點中外設的連接。

　　TWI 上的地址包長 9 位，有 7 個地址位、一個 READ/WRITE 控制位和一個確認位。如果設置了 READ/WRITE 位，則將執(zhí)行讀操作，否則應執(zhí)行寫操作，這樣可以避免任何總線爭用。

　　另一個關鍵因素是功耗。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將數(shù)據(jù)傳送到設備。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位。在待機模式下，RC 振蕩器正在運行，而器件的其余部分則處于休眠狀態(tài)，這允許快速啟動。

　　ZigBee 網(wǎng)絡支持多達 64，000 個單獨的設備，這對于智能家居來說可能是多余的。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)狀網(wǎng)絡功能。這將允許通過連接到一個設備的智能手機訪問家庭周圍的藍牙網(wǎng)絡，然后通過網(wǎng)格連接到所有其他節(jié)點。

　　Texas Instruments 的 CC2564 獨立藍牙收發(fā)器既針對傳統(tǒng)藍牙鏈路，也針對最新的藍牙低功耗 （BLE） 4.1 協(xié)議。為簡化節(jié)點設計，免版稅軟件藍牙堆棧已與連接到收發(fā)器的 TI 的 MSP430、ARM Cortex-M3 和 Cortex-M4 微控制器集成。該架構(gòu)允許第三方開發(fā)人員在 BLE 堆棧之上添加自己的網(wǎng)格功能，以實現(xiàn)智能家居連接。

　　圖 4：德州儀器 （TI） 的 CC2564 連接到可用于實現(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡協(xié)議的外部微控制器。

　　為了進一步簡化智能家居中藍牙節(jié)點的設計，Silicon Labs 的BGM111藍牙智能模塊將收發(fā)器和控制器集成在一個模塊中，該模塊還可以托管最終用戶應用程序。這意味著不需要外部微控制器，從而使無線節(jié)點更小、更便宜。它還被設計為具有靈活的硬件接口，可以輕松鏈接到不同的外圍設備或傳感器。

　　該模塊可以使用標準的 3 V 紐扣電池供電，還可以提供高達 +8 dBm 的發(fā)射功率，以允許節(jié)點設計人員在范圍和功耗之間進行權(quán)衡。通常，一個模塊具有一組嚴格定義的 I/O 引腳，這可能會限制設計與外部傳感器接口的選項。使用 BGM111 模塊，可以將 25 個引腳組織成端口，每個端口最多有 16 個引腳，這些引腳可以單獨配置為輸出或輸入引腳，也可用于開漏、開源或毛刺過濾配置。

　　圖 5：BGM111 模塊中的外圍反射系統(tǒng)是一個內(nèi)部交叉開關，允許在藍牙網(wǎng)絡節(jié)點中實現(xiàn)高度靈活的 I/O 結(jié)構(gòu)。

　　這來自一個稱為外圍反射系統(tǒng)的內(nèi)部信號交叉開關，如圖 5 所示。該交叉開關允許將各種外圍功能自由分配給任何 GPIO 焊盤，從而簡化應用板布局。這意味著同一個模塊可以輕松地用于網(wǎng)狀網(wǎng)絡中的各種節(jié)點，并重新配置 GPIO 線路以支持不同應用中的不同電路板布局。

　　結(jié)論

　　作為一種以合理成本通過家庭提供智能網(wǎng)絡的方式，網(wǎng)狀網(wǎng)絡正變得越來越流行。在 ZigBee 設備不斷創(chuàng)新并在現(xiàn)有網(wǎng)絡控制器和經(jīng)過良好測試的網(wǎng)狀軟件基礎上構(gòu)建的同時，藍牙現(xiàn)在也通過專用收發(fā)器和模塊進入該領域。這為設計人員提供了更多機會來修改和優(yōu)化網(wǎng)狀應用的藍牙堆棧，或利用靈活的集成模塊。所有這些都有助于將更多智能無線功能帶入家庭。