1、如何構建低成本無線網絡及nRF與Zigbee對比(中文)如何構建低成本無線網絡及nRF與Zigbee對比(中文)如何構建低成本無線網絡及nRF與Zigbee對比(中文)白皮書如何構建低成本無線網絡及nRF與Zigbee對比低成本，低電流，低活動率的網絡在工業和國內的儀器儀表控制等領域，人們對智能開發，自我形成的數據網絡方面的興趣與日俱增。對于這樣的網絡最基本的應用是數據采集，如抄表，參數顯示，溫度，壓力，運動等。而一些控制元件也包含在所設想的功能內。這并不是一個新的想法，事實上，這種應用程序已經存在。對于這種類型科技大規模應用的真正阻礙歷來就是電流消耗和單位成本。Nordic 半導體公司已經發

2、布的“E”系列智能收發器對于這些挑戰提供了無與倫比的解決方案。挑戰小規模的獨立智能方案今日的主要挑戰是什么？利用無線方案解決的應用是典型的低傳輸活動率設備，例如溫度控制器，報警和其他基于合理的偶發事件或輪詢系統的觸發信息交換的單位。因此，要發展一個能實現這些功能的系統，獨立的智能技術在所有網絡節點中都是必需的。然而，有一個權衡利弊的行為要在這里得到解決。以藍牙技術為例，由于它固有的設計，存在延遲以及電流消耗過多等問題。單位成本實際上也從來沒有下降到“神奇的”5.00美元。這也有效排除了藍牙技術作為這些應用的解決方案。Zigbee的 TM 是另一個推薦的解決方案，但截至2005年5月，尚未一個被

3、批準的標準。該系統已經要求一個主節點要有32K到128K的堆棧大小，而這一數字也是只增不減。Nordic半導體開發的“E”系列設備目前可謂一個完美的在性能和成本方面適合的專有網絡。其包括一個收發器系統，該系統結合MAC層地址和CRC糾錯。此外，單獨的該設備還存放4K的8051微控制器和一個9通道，10位ADC和一個脈沖寬度調制。這對于開發簡單的星形或樹形網絡以及實施應用程序的功能來說已經足夠了。經濟上可行產品的關鍵是要獲得足以實現可靠的無線功能的復雜度和簡潔性之間的平衡，同時還要保證目標成本和電流消耗降至最低。ZigBeeTM 和 IEEE 802.15.4Zigbee是一種近年來才興起的無線

4、網絡通信技術標準。它出現的時間較短，2004年底才由Zigbee聯盟發布了1.0版本規范，尚未進入大規模的商業化生產和應用;但是，它的上升勢頭十分明顯，已有Chipcon、Freescale、CompXs、Ember四家公司在今年4月通過了Zigbee聯盟對其產品所作的測試和兼容性驗證。預計從2006年開始，基于Zigbee的無線通信產品和應用會迅速得到普及和高速發展。Zigbee一詞源自蜜蜂群在發現花粉位置時，通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴，達到交換信息的目的。可以說是一種小的動物通過簡捷的方式實現“無線”的溝通。人們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近程無線網絡通信技

5、術，亦包含寓意。IEEE 802.15.4網絡是指在一個POS內使用相同無線信道并通過IEEE 802.15.4標準相互通信的一組設備的集合，又名LR-WPAN網絡。在這個網絡中，根據設備所具有的通信能力，可以分為全功能設備和精簡功能設備。FFD設備之間以及FFD設備與RFD設備之間都可以通信。RFD設備之間不能直接通信，只能與FFD設備通信，或者通過一個FFD設備向外轉發數據。這個與RFD相關聯的FFD設備稱為該RFD的協調器。IEEE 802.15.4是ZigBee, WirelessHART, 和MiWi規范的基礎。目前有待引進進入市場的ZigBee設備以及與他相關的IEEE 802.1

6、5.4標準有些混亂。將ZigBee TM和IEEE 802.15.4區別開來則顯得非常重要。IEEE 802.15.4標準針對的是處于2.4GHz, 868MHz 以及 915MHz的射頻物理層和MAC（介質訪問）層。ZigBee已經這個標準作為它自身通信標準的基礎，然而他們并不是同一個，而是單獨出現的硬件和軟件方面的實體。因此，要理清當前情形，以IEEE 802.15.4為標準的收發器被生產出來進行操作。另外，一個ZigBee TM 棧通常由外部微控制器或處理器的獨立廠商來實施。互操作性問題目前有統一標準的趨勢，而這個標準可以保證整個行業不同供應商產品之間的無縫操作性。藍牙技術正是為這以目標

7、實現而努力的成果，如今藍牙已被認為是一個成熟的技術，但其操作性問題仍然沒有完全解決。藍牙的制定標準有嚴格的資格審查程序，而這能確保應用的互操作性實現，而ZigBee目前沒有這樣的要求。現實的挑戰是如何確保你的家用溫度控制器能夠使用同一種第三方機器語言。確實會有兼容性問題出現，而且產品存在著有違規裝置的風險。總之，沒有資格的標準會為奸商打開生產便宜、兼容性差、不合格產品的方便大門。許多開發人員會更喜歡有自己的專有系統，并且融入供應商的理念，這樣能創造出更多消費者愿意購買的產品。讓客戶選擇其他競爭對手的產品會損害制造商的利益。像ZigBee那樣堅持保障群體的利益是一種法律責任更為自己創造了更好的機

8、會。在開發人員設計過程中，標準可以限制和減少提供給應用程序的自由度。產品制造商將不得不考慮競爭對手所有可能的設備，這些設備可能與他們自己的系統相連接。如果由其他供應商的接口是無效的，那將會降低整體通信系統的效率。帶寬效率IEEE 802.15.4標準是基于直接序列擴頻（DSSS）技術。直接序列擴頻技術具有良好的抗干擾能力強的特點，但這并不是免費的。擴頻編碼的方式，是以每更多比特傳輸數據的帶寬消耗為代價來提高抗干擾能力。對于2.4GHz nRF24xx設備來說，1MBS通道占用寬度為1MHz，帶寬效率為1位/ Hz。對于IEEE802.15.4標準設備來說，比特率為250kbs，超過0.083比

9、特/赫茲的3MHz帶寬。因此nRF24x1設備支持支持83個防沖撞獨立頻道，而不是根據計劃提供的16個獨立通道。同樣，在歐洲業務的868MHZ頻段，IEEE 802.15.4提供最大數據速率在20kbs的信道。相比之下，nRF905的可以支持7個速率為50kbs的獨立信道。這兩個信道分配和相關速率等數據如圖圖1a和圖1b所示。圖1a Nordic NRF TM 和ZigBee TM 為2.4GHz的信道分配圖1b Nordic NRF TM 和ZigBee TM 為868MHZ的信道分配nRF24xx 和 nRF9xx系列已經發展到可以使用MAC層協議來處理芯片。與此同時，它也保持盡可能輕巧，

10、以確保在空中運行的最少時間。通過比較一個IEEE 802.15.4設備的傳輸包和一個典型的低數據速率NRF數據包可以說明這一點。舉個例子，如果使用32位的有效載荷組成一個16位溫度讀數，還包括控制字節的有效載荷信息。要封裝到一個包，需要有一個額外8位的前序編碼，以及32位尋址碼和8位CRC校驗碼，這樣數據包所需的數據總共是72位。而同樣的信息根據IEEE 802.15.4標準傳輸則需要152位。Nordic半導體NRF TM 設備的包組裝部件為：8位前序編碼32位地址ID32位數據凈負載8位CRC校驗碼在IEEE 802.15.4標準下，使用同一個包功能的兼容設備需要包括以下部分：32位前序編

11、碼8位限制幀8位幀長16位控制幀32位地址認證32位數據凈負載16位校驗幀該例子列出了典型的通信包，該包以低數據速率和低活動率（網絡數據的有效載荷為32位）進行傳輸。對于一個典型的短距離設備，nRF TM數據速率也比IEEE 802.15.4兼容設備高出4倍。因此，在這種情況下，NRF TM 設備將消耗僅為一個IEEE 802.15.4設備所需電池量的12.5。同樣重要的是，NRF TM 設備在空中的時間也僅為IEEE802.15.4設備的12.5，這將反過來減少碰撞發生的概率。圖2顯示了作為一個數據包大小為nRF24xx和ZigBee TM 替代品功能的通信效率。這個例子沒有考慮到一個與IE

12、EE 802.15.4兼容的微控制收發器導致的更大的電流消耗。圖2 通信效率：nRF TM與ZigBee TM設備對比（一個通信包有效載荷的百分比）6、系統在設計方面的緊湊性nRF TM “E”系列設備無可比擬的緊湊高集成度成為必需的關鍵應用。整個系統可以由一個鈕扣電池來供電并且實現數據應用，而這是典型的ZigBee TM 的目標。一個如圖3所示具有完整功能的系統可用不小于20mm15mm的印痕來完成設計。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提供充足數據的數字化接口，無論是模擬數據或是數字數據。因此我們可以看到，整個系統由射頻物理層到應用軟件可以由一個簡單的單一設備單

13、位來完成。圖 3一個單一系統設備的邏輯布局（Nordic半導體“E”系列）另外，當前ZigBee解決方案是在一個設備中使用物理層和MAC層，同時處理和應用程序的功能在一個獨立的中等規模的單片機中完成。而這有更大的電流需求，同時印跡也會超過Nordic半導體的nrf tm“E”系列設備。圖 4 典型的ZigBee TM 系統7、通信的可靠性具有獨立節點的無線網絡將不可避免地遇到因試圖在同一時間重疊通信溝通的節點包而造成的碰撞。碰撞的概率是由網絡中的獨立節點的數目，輪詢/報告頻率，傳輸數據速率和實際大小/格式來決定的。在相同頻段下的其他無線設備的工作也將增加碰撞的概率，并可能造成破壞性的干擾。IE

14、EE 802.15.4設備和nRF TM設備有不同的方法在有碰撞環境下實現可靠的通信。IEEE 802.15.4標準是基于公差帶內噪聲的DSSS拓撲技術。這意味著，這種裝置可以處理一定量的沒有數據丟失的同一信道的干擾。DSSS收發器在噪聲下運行的性能依賴于干擾器的功率和噪聲特性以及DSSS收發器的處理增益。另外，收發器前端的質量影響著整體的性能。應當指出的是，DSSS收發器經常能夠免受噪聲的干擾是一種誤解，因為它絕不能免疫帶內噪聲。在歐洲868MHz頻段的頻率限制使得IEEE 802.15.4標準在處理增益方面有一定的局限性，這導致其與傳統的DSSS系統相比有更低的噪聲容限。在這方面最突出的是

15、具有較低數據速率DSSS，由于持續時間較長的數據包，而具有更好的整體性。因此，這也導致了更多的電流消耗。另一個問題是在868MHZ的單通道帶的網絡系統處理高峰周期的能力下降。nRF TM設備則是基于一個完全不同的方式。它的理念是在盡可能高的數據速率帶寬高效調制途徑下傳輸數據。其結果是更快的數據傳輸速率導致更少的無線媒介占用，同時也允許更多的替代傳輸通道的數量以防止干擾和高峰周期的出現，代價則是對窄帶干擾的承受能力更差。但是，應該指出的是，占用帶寬很窄是由于GFSK的調制。由于數據速率的提高，數據碰撞的概率也相應減少。碰撞如果能被提前發現，數據則可以即時或稍后通過其他途徑進行轉移。由于較短的傳輸

16、時間，電池功耗也會降至最小。8、總結本文嘗試著從功能上總結一下IEEE 802.15.4標準和ZigBee TM 協議棧之間的區別。一個明顯的典型的事實是，IEEE 802.15.4是在硬件上收發器的基礎上實現的，然而ZigBee tm是在上述提到的由中等規模微控制器控制收發器的基礎上實現的。拋開這個區別不說，對于基于IEEE 802.15.4的可兼容的收發器和Nordic半導體nRF24xx以及nRF9x5“E”設備之間的其它差別來說，Nordic半導體的設備將收發器和帶有10位模數轉換器的小型微控制器合并在一起。我們所設想的具有低數據速率，低活動性的傳感器網絡的功能是提供可靠通信的前提，而

17、為它提供能量的電池的耐久力則是以年而不是月來計算的。已經被證明的是，典型的NRF TM 系列設備可以同時擁有僅僅相當于IEEE 802.15.4兼容設備12的電流消耗和無線廣播的時間周期。對于nRF TM E設備來說，一個重要的因素是其操作電源電壓已經可以下降到1.8V的水平。這說明其允許容忍的壓降為一個典型的2AAA電池組的1.2V，而一個標準的操作電壓為2.7V的設備無法承受只有0.3V的壓降。這一事實也將在為實現以年計的電池壽命而努力的過程中扮演關鍵的角色。IEEE 802.15.4設備和nRF TM設備有不同的方法來實現可靠通信，而在這樣通信環境中的碰撞和干擾是可以預料到的。IEEE 802.15.4標準的設備是基于較高的干擾容限，而NRF TM 設備則是基于持續時間較短的數據傳輸和高頻率的靈活性。通過性能測試的結果表明，功能強大的、可靠的以及低電流消耗的系統可以在Nordic nRF TM設備上實現。挪威Vestre Rostern 81號 N-7075電話4772898900傳真4772898989免責聲明：Nordic半導體公司ASA保留進行修改的權利，恕不另行通知用來提高產品可靠性和功能性的設計。Nordic超大規模集成電路對于此處所述的任何產品或電路的應用或使用所產生的后果不承擔任何責任。有關生命安全的應用程序：這些產