1、白皮書(shū)如何構(gòu)建低成本無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及nRF與Zigbee對(duì)比1 、低成本，低電流，低活動(dòng)率的網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)和國(guó)內(nèi)的儀器儀表控制等領(lǐng)域，人們對(duì)智能開(kāi)發(fā)，自我形成的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)方面的興趣與日俱增。對(duì)于這樣的網(wǎng)絡(luò)最基本的應(yīng)用是數(shù)據(jù)采集，如抄表，參數(shù)顯示，溫度，壓力，運(yùn)動(dòng)等。而一些控制元件也包含在所設(shè)想的功能內(nèi)。這并不是一個(gè)新的想法，事實(shí)上，這種應(yīng)用程序已經(jīng)存在。對(duì)于這種類型科技大規(guī)模應(yīng)用的真正阻礙歷來(lái)就是電流消耗和單位成本。Nordic半導(dǎo)體公司已經(jīng)發(fā)布的“E”系列智能收發(fā)器對(duì)于這些挑戰(zhàn)提供了無(wú)與倫比的解決方案。2 、挑戰(zhàn)小規(guī)模的獨(dú)立智能方案今日的主要挑戰(zhàn)是什么？利用無(wú)線方案解決的應(yīng)用是典型的低傳輸活動(dòng)率設(shè)備，例

2、如溫度控制器，報(bào)警和其他基于合理的偶發(fā)事件或輪詢系統(tǒng)的觸發(fā)信息交換的單位。因此，要發(fā)展一個(gè)能實(shí)現(xiàn)這些功能的系統(tǒng)，獨(dú)立的智能技術(shù)在所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中都是必需的。然而，有一個(gè)權(quán)衡利弊的行為要在這里得到解決。以藍(lán)牙技術(shù)為例，由于它固有的設(shè)計(jì)，存在延遲以及電流消耗過(guò)多等問(wèn)題。單位成本實(shí)際上也從來(lái)沒(méi)有下降到“神奇的”5.00美元。這也有效排除了藍(lán)牙技術(shù)作為這些應(yīng)用的解決方案。Zigbee的TM是另一個(gè)推薦的解決方案，但截至2005年5月，尚未一個(gè)被批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)已經(jīng)要求一個(gè)主節(jié)點(diǎn)要有32K到128K的堆棧大小，而這一數(shù)字也是只增不減。Nordic半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的“E”系列設(shè)備目前可謂一個(gè)完美的在性能和成本方

3、面適合的專有網(wǎng)絡(luò)。其包括一個(gè)收發(fā)器系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合MAC層地址和CRC糾錯(cuò)。此外，單獨(dú)的該設(shè)備還存放4K的8051微控制器和一個(gè)9通道，10位ADC一個(gè)脈沖寬度調(diào)制。這對(duì)于開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單的星形或樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)以及實(shí)施應(yīng)用程序的功能來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。經(jīng)濟(jì)上可行產(chǎn)品的關(guān)鍵是要獲得足以實(shí)現(xiàn)可靠的無(wú)線功能的復(fù)雜度和簡(jiǎn)潔性之間的平衡，同時(shí)還要保證目標(biāo)成本和電流消耗降至最低。3 、ZigBeeTM和IEEE802.15.4Zigbee是一種近年來(lái)才興起的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它出現(xiàn)的時(shí)間較短，2004年底才由Zigbee聯(lián)盟發(fā)布了1.0版本規(guī)范，尚未進(jìn)入大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用;但是，它的上升勢(shì)頭十分明顯，已有Chip

4、con、Freescale、CompX、sEmber四家公司在今年4月通過(guò)了Zigbee聯(lián)盟對(duì)其產(chǎn)品所作的測(cè)試和兼容性驗(yàn)證。預(yù)計(jì)從2006年開(kāi)始，基于Zigbee的無(wú)線通信產(chǎn)品和應(yīng)用會(huì)迅速得到普及和高速發(fā)展。Zigbee一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時(shí)，通過(guò)跳ZigZag形舞蹈來(lái)告知同伴，達(dá)到交換信息的目的?？梢哉f(shuō)是一種小的動(dòng)物通過(guò)簡(jiǎn)捷的方式實(shí)現(xiàn)“無(wú)線”的溝通。人們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，亦包含寓意。IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)是指在一個(gè)POS內(nèi)使用相同無(wú)線信道并通過(guò)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)相互通信的一組設(shè)備的集合，又名LR-WPA麗絡(luò)。在這

5、個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)設(shè)備所具有的通信能力，可以分為全功能設(shè)備和精簡(jiǎn)功能設(shè)備。FFD設(shè)備之間以及FFD設(shè)備與RFD設(shè)備之間都可以通信。RFD設(shè)備之間不能直接通信，只能與FFD設(shè)備通信，或者通過(guò)一個(gè)FFD設(shè)備向外轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。這個(gè)與RFD相關(guān)聯(lián)的FFD設(shè)備稱為該RFD的協(xié)調(diào)器。IEEE802.15.4是ZigBee,WirelessHART,和MiWi規(guī)范的基礎(chǔ)。ZigBee設(shè)備以及與他相關(guān)的IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)有些混亂。將ZigBeeTM和IEEE802.15.4區(qū)別開(kāi)來(lái)則顯得非常重要。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)的是處于2.4GHz,868MHz以及915MHz的射頻物理層和MAC（介質(zhì)訪問(wèn)

6、）層。ZigBee已經(jīng)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)作為它自身通信標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，然而他們并不是同一個(gè)，而是單獨(dú)出現(xiàn)的硬件和軟件方面的實(shí)體。因此，要理清當(dāng)前情形，以IEEE802.15.4為標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器被生產(chǎn)出來(lái)進(jìn)行操作。另外，一個(gè)ZigBeeTM棧通常由外部微控制器或處理器的獨(dú)立廠商來(lái)實(shí)施。4 、互操作性問(wèn)題目前有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的趨勢(shì)，而這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可以保證整個(gè)行業(yè)不同供應(yīng)商產(chǎn)品之間的無(wú)縫操作性。藍(lán)牙技術(shù)正是為這以目標(biāo)實(shí)現(xiàn)而努力的成果，如今藍(lán)牙已被認(rèn)為是一個(gè)成熟的技術(shù)，但其操作性問(wèn)題仍然沒(méi)有完全解決。藍(lán)牙的制定標(biāo)準(zhǔn)有嚴(yán)格的資格審查程序，而這能確保應(yīng)用的互操作性實(shí)現(xiàn)，而ZigBee目前沒(méi)有這樣的要求?，F(xiàn)實(shí)的挑戰(zhàn)是如何確保你的家用

7、溫度控制器能夠使用同一種第三方機(jī)器語(yǔ)言。確實(shí)會(huì)有兼容性問(wèn)題出現(xiàn)，而且產(chǎn)品存在著有違規(guī)裝置的風(fēng)險(xiǎn)?？傊瑳](méi)有資格的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)為奸商打開(kāi)生產(chǎn)便宜、兼容性差、不合格產(chǎn)品的方便大門。許多開(kāi)發(fā)人員會(huì)更喜歡有自己的專有系統(tǒng)，并且融入供應(yīng)商的理念，這樣能創(chuàng)造出更多消費(fèi)者愿意購(gòu)買的產(chǎn)品。讓客戶選擇其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品會(huì)損害制造商的利益。像ZigBee那樣堅(jiān)持保障群體的利益是一種法律責(zé)任更為自己創(chuàng)造了更好的機(jī)會(huì)。在開(kāi)發(fā)人員設(shè)計(jì)過(guò)程中，標(biāo)準(zhǔn)可以限制和減少提供給應(yīng)用程序的自由度。產(chǎn)品制造商將不得不考慮競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手所有可能的設(shè)備，這些設(shè)備可能與他們自己的系統(tǒng)相連接。如果由其他供應(yīng)商的接口是無(wú)效的，那將會(huì)降低整體通信系統(tǒng)的效率。

8、5 、帶寬效率IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是基于直接序列擴(kuò)頻（DSSS）技術(shù)。直接序列擴(kuò)頻技術(shù)具有良好的抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，但這并不是免費(fèi)的。擴(kuò)頻編碼的方式，是以每更多比特傳輸數(shù)據(jù)的帶寬消耗為代價(jià)來(lái)提高抗干擾能力。對(duì)于2.4GHznRF24xx設(shè)備來(lái)說(shuō)，1MBS通道占用寬度為1MHz，帶寬效率為1位/Hz。對(duì)于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備來(lái)說(shuō)，比特率為250kbs，超過(guò)0.083比特/赫茲的3MHz帶寬。因此nRF24x1設(shè)備支持支持83個(gè)防沖撞獨(dú)立頻道，而不是根據(jù)計(jì)劃提供的16個(gè)獨(dú)立通道。同樣，在歐洲業(yè)務(wù)的868MHZ頻段，IEEE802.15.4提供最大數(shù)據(jù)速率在20kbs的信道。相比

9、之下，nRF905的可以支持7個(gè)速率為50kbs的獨(dú)立信道。這兩個(gè)信道分配和相關(guān)速率等數(shù)據(jù)如圖圖1a和圖1b所示。圖1a-NordicNRFTM和ZigBeeTM為2.4GHz的信道分配圖1b-NordicNRFTM和ZigBeeTM為868MHz的信道分配nRF24xx和nRF9xx系列已經(jīng)發(fā)展到可以使用MAC層協(xié)議來(lái)處理芯片。與此同時(shí)，它也保持盡可能輕巧，以確保在空中運(yùn)行的最少時(shí)間。通過(guò)比較一個(gè)IEEE802.15.4設(shè)備的傳輸包和一個(gè)典型的低數(shù)據(jù)速率NRF數(shù)據(jù)包可以說(shuō)明這一點(diǎn)。舉個(gè)例子，如果使用32位的有效載荷組成一個(gè)16位溫度讀數(shù)，還包括控制字節(jié)的有效載荷信息。要封裝到一個(gè)包，需要有一

10、個(gè)額外8位的前序編碼，以及32位尋址碼和8位CRC校驗(yàn)碼，這樣數(shù)據(jù)包所需的數(shù)據(jù)總共是72位。而同樣的信息根據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)傳輸則需要152位。Nordic半導(dǎo)體NRFTM設(shè)備的包組裝部件為：8位前序編碼32位地址ID32位數(shù)據(jù)凈負(fù)載8位CRC校驗(yàn)碼在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)下，使用同一個(gè)包功能的兼容設(shè)備需要包括以下部分：32位前序編碼8位限制幀8位幀長(zhǎng)16位控制幀32位地址認(rèn)證32位數(shù)據(jù)凈負(fù)載16位校驗(yàn)幀該例子列出了典型的通信包，該包以低數(shù)據(jù)速率和低活動(dòng)率（網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的有效載荷為32位）進(jìn)行傳輸。對(duì)于一個(gè)典型的短距離設(shè)備，nRFTM數(shù)據(jù)速率也比IEEE802.15.4兼容設(shè)備高

11、出4倍。因此，在這種情況下，NRFTM設(shè)備將消耗僅為一個(gè)IEEE802.15.4設(shè)備所需電池量的12.5。同樣重要的是，NRFTM設(shè)備在空中的時(shí)間也僅為IEEE802.15.4設(shè)備的12.5，這將反過(guò)來(lái)減少碰撞發(fā)生的概率。圖2顯示了作為一個(gè)數(shù)據(jù)包大小為nRF24xx和ZigBeeTM替代品功能的通信效率。這個(gè)例子沒(méi)有考慮到一個(gè)與IEEE802.15.4兼容的微控制收發(fā)器導(dǎo)致的更大的電流消耗。圖2-通信效率：nRFTM與ZigBeeTM設(shè)備對(duì)比（一個(gè)通信包有效載荷的百分比）6、系統(tǒng)在設(shè)計(jì)方面的緊湊性nRFTM“E”系列設(shè)備無(wú)可比擬的緊湊高集成度成為必需的關(guān)鍵應(yīng)用。整個(gè)系統(tǒng)可以由一個(gè)鈕扣電池來(lái)供電

12、并且實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用，而這是典型的ZigBeeTM的目標(biāo)。一個(gè)如圖3所示具有完整功能的系統(tǒng)可用不小于20mmX15mm的印痕來(lái)完成設(shè)計(jì)。所有“E”系列器件芯片上具有ADC的功能，以及與外界相接的用來(lái)提供充足數(shù)據(jù)的數(shù)字化接口，無(wú)論是模擬數(shù)據(jù)或是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。因此我們可以看到，整個(gè)系統(tǒng)由射頻物理層到應(yīng)用軟件可以由一個(gè)簡(jiǎn)單的單一設(shè)備單位來(lái)完成。圖3一個(gè)單一系統(tǒng)設(shè)備的邏輯布局（Nordic半導(dǎo)體"E”系歹U）另外，當(dāng)前ZigBee解決方案是在一個(gè)設(shè)備中使用物理層和MAC層，同時(shí)處理和應(yīng)用程序的功能在一個(gè)獨(dú)立的中等規(guī)模的單片機(jī)中完成。而這有更大的電流需求，同時(shí)印跡也會(huì)超過(guò)Nordic半導(dǎo)體的nrftm

13、"E"系列設(shè)備。4典型的ZigBeeTM系統(tǒng)7、通信的可靠性具有獨(dú)立節(jié)點(diǎn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將不可避免地遇到因試圖在同一時(shí)間重疊通信溝通的節(jié)點(diǎn)包而造成的碰撞。碰撞的概率是由網(wǎng)絡(luò)中的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，輪詢/報(bào)告頻率，傳輸數(shù)據(jù)速率和實(shí)際大小/格式來(lái)決定的。在相同頻段下的其他無(wú)線設(shè)備的工作也將增加碰撞的概率，并可能造成破壞性的干擾。IEEE802.15.4設(shè)備和nRFTM設(shè)備有不同的方法在有碰撞環(huán)境下實(shí)現(xiàn)可靠的通信。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是基于公差帶內(nèi)噪聲的DSSS拓?fù)浼夹g(shù)。這意味著，這種裝置可以處理一定量的沒(méi)有數(shù)據(jù)丟失的同一信道的干擾。DSSS收發(fā)器在噪聲下運(yùn)行的性能依賴于干擾器的功

14、率和噪聲特性以及DSSS收發(fā)器的處理增益。另外，收發(fā)器前端的質(zhì)量影響著整體的性能。應(yīng)當(dāng)指出的是，DSSS收發(fā)器經(jīng)常能夠免受噪聲的干擾是一種誤解，因?yàn)樗^不能免疫帶內(nèi)噪聲。在歐洲868MHz頻段的頻率限制使得IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)在處理增益方面有一定的局限性，這導(dǎo)致其與傳統(tǒng)的DSSS系統(tǒng)相比有更低的噪聲容限。在這方面最突出的是具有較低數(shù)據(jù)速率DSSS，由于持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)包，而具有更好的整體性。因此，這也導(dǎo)致了更多的電流消耗。另一個(gè)問(wèn)題是在868MHZ的單通道帶的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)處理高峰周期的能力下降。nRFTM設(shè)備則是基于一個(gè)完全不同的方式。它的理念是在盡可能高的數(shù)據(jù)速率帶寬高效調(diào)制途徑下傳輸

15、數(shù)據(jù)。其結(jié)果是更快的數(shù)據(jù)傳輸速率導(dǎo)致更少的無(wú)線媒介占用，同時(shí)也允許更多的替代傳輸通道的數(shù)量以防止干擾和高峰周期的出現(xiàn)，代價(jià)則是對(duì)窄帶干擾的承受能力更差。但是，應(yīng)該指出的是，占用帶寬很窄是由于GFSK的調(diào)制。由于數(shù)據(jù)速率的提高，數(shù)據(jù)碰撞的概率也相應(yīng)減少。碰撞如果能被提前發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)則可以即時(shí)或稍后通過(guò)其他途徑進(jìn)行轉(zhuǎn)移。由于較短的傳輸時(shí)間，電池功耗也會(huì)降至最小。8、總結(jié)本文嘗試著從功能上總結(jié)一下IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和ZigBeeTM協(xié)議棧之間的區(qū)別。一個(gè)明顯的典型的事實(shí)是，IEEE802.15.4是在硬件上收發(fā)器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，然而ZigBeetm是在上述提到的由中等規(guī)模微控制器控制收發(fā)器的

16、基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。拋開(kāi)這個(gè)區(qū)別不說(shuō)，對(duì)于基于IEEE802.15.4的可兼容的收發(fā)器和Nordic半導(dǎo)體nRF24xx以及nRF9x5“E”設(shè)備之間的其它差別來(lái)說(shuō)，Nordic半導(dǎo)體的設(shè)備將收發(fā)器和帶有10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的小型微控制器合并在一起。我們所設(shè)想的具有低數(shù)據(jù)速率，低活動(dòng)性的傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能是提供可靠通信的前提，而為它提供能量的電池的耐久力則是以年而不是月來(lái)計(jì)算的。已經(jīng)被證明的是，典型的NRFTM系列設(shè)備可以同時(shí)擁有僅僅相當(dāng)于IEEE802.15.4兼容設(shè)備12的電流消耗和無(wú)線廣播的時(shí)間周期。對(duì)于nRFTM'E'設(shè)備來(lái)說(shuō)，一個(gè)重要的因素是其操作電源電壓已經(jīng)可以下降到1.8V的

17、水平。這說(shuō)明其允許容忍的壓降為一個(gè)典型的2XAAA電池組的1.2V，而一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的操作電壓為2.7V的設(shè)備無(wú)法承受只有0.3V的壓降。這一事實(shí)也將在為實(shí)現(xiàn)以年計(jì)的電池壽命而努力的過(guò)程中扮演關(guān)鍵的角色。IEEE802.15.4設(shè)備和nRFTM設(shè)備有不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠通信，而在這樣通信環(huán)境中的碰撞和干擾是可以預(yù)料到的。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備是基于較高的干擾容限，而NRFTM設(shè)備則是基于持續(xù)時(shí)間較短的數(shù)據(jù)傳輸和高頻率的靈活性。通過(guò)性能測(cè)試的結(jié)果表明，功能強(qiáng)大的、可靠的以及低電流消耗的系統(tǒng)可以在NordicnRFTM設(shè)備上實(shí)現(xiàn)。挪威VestreRostern81號(hào)N-7075電話4772898900傳真4772898989免責(zé)聲明：Nordic半導(dǎo)體公司ASA保留進(jìn)行修改的權(quán)利，恕不另行通知用來(lái)提高產(chǎn)品可靠性和功能性的設(shè)計(jì)。Nordic超大規(guī)模集成電路對(duì)于此處所述的任何產(chǎn)品或電路的