巨川電氣教你如何選擇正確的無(wú)線協(xié)議：802.15.4、zigbee以及專有網(wǎng)絡(luò)對(duì)比

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許多設(shè)計(jì)人員都聽(tīng)說(shuō)過(guò) zigbee 與 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，但不清楚到底應(yīng)該選擇zigbee，還是 802.15.4，抑或是開(kāi)發(fā)自己的專有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。本文將以專有協(xié)議為例，介紹各種協(xié)議的優(yōu)勢(shì)，并在性能和應(yīng)用領(lǐng)域方面進(jìn)行對(duì)比區(qū)分。討論不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹①Y源要求以及靈活特性，從而幫助利益相關(guān)方（interested party）選擇最適合自己應(yīng)用需求的開(kāi)發(fā)協(xié)議。

　　本文分三部分講述低功耗網(wǎng)絡(luò)及在他們之間如何選擇的問(wèn)題。第一部分論述網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識(shí)以及低功耗網(wǎng)絡(luò)選擇標(biāo)準(zhǔn)；第二部分繼續(xù)探討選擇標(biāo)準(zhǔn)，并介紹802.15.4 協(xié)議；第三部分介紹 zigbee 和專有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 SimpliciTI，并根據(jù)上述選擇標(biāo)準(zhǔn)衡量這些協(xié)議。

　　第一部分

　　電子市場(chǎng)中的最主要趨勢(shì)之一就是越來(lái)越多的產(chǎn)品都開(kāi)始添加無(wú)線連接功能。水電氣表、家庭安全系統(tǒng)、電視遙控或健身設(shè)備等各種產(chǎn)品都添加了無(wú)線連接功能，這一方面是為了方便用戶使用，用戶可通過(guò)無(wú)線遙控在房間任意位置操控，不像紅外線遙控非要瞄準(zhǔn)設(shè)備才能工作；另一方面，這種無(wú)線操控也是為了減少房間重新布線的昂貴成本例如不用重新布線就能安裝家庭安全系統(tǒng)等。此外，自動(dòng)抄表系統(tǒng) （AMR） 或高級(jí)電表架構(gòu) （AMI） 等設(shè)備也越來(lái)越依賴低功耗協(xié)議使設(shè)備的電池使用壽命能夠長(zhǎng)達(dá)數(shù)年之久。

　　本文將概括介紹無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，不過(guò)將重點(diǎn)介紹 zigbee 與 802.15.4 協(xié)議，并將其與專有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行對(duì)比，這些協(xié)議根據(jù)設(shè)計(jì)都能滿足低功耗應(yīng)用的要求。盡管許多工程師對(duì)這些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都已經(jīng)比較熟悉了，但可能還沒(méi)有仔細(xì)對(duì)其加以評(píng)估。即便有人曾經(jīng)評(píng)估過(guò)這些協(xié)議，但在特定應(yīng)用時(shí)可能仍不清楚到底哪種協(xié)議最合適。本文分三部分。第一部分，我們將介紹網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識(shí)，其中包括常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)術(shù)語(yǔ)、開(kāi)放系統(tǒng)互連 （OSI） 網(wǎng)絡(luò)模型等，并探討在為特定應(yīng)用選擇網(wǎng)絡(luò)時(shí)應(yīng)考慮的因素；第二部分，我們將給出一系列網(wǎng)絡(luò)選擇標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)三種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議加以對(duì)比；第三部分，我們將詳細(xì)介紹 802.15.4、zigbee 以及 SimpliciTI 專有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并給出具體實(shí)例，說(shuō)明如何根據(jù)選擇標(biāo)準(zhǔn)確定適合特定應(yīng)用的最佳網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

　　目前，推出的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議種類繁多。下面我們僅列出部分網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：

　　WiFi（802.11b）、藍(lán)牙、zigbee、zigbee Pro、802.15.4、RFID 以及 Wireless USB 等標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議。

　　芯片廠商、第三方等推出的專有協(xié)議，本文稱之為“DIY”網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，僅用于推出該協(xié)議的公司自己生產(chǎn)的產(chǎn)品中。

　　圖 1 顯示了多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及其重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域和典型資源要求等。我們?cè)诒容^低功耗協(xié)議（如 zigbee/802.15.4 與其它協(xié)議）時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于其它網(wǎng)絡(luò)的一些關(guān)鍵特性，比如數(shù)據(jù)速率低、連接距離短、幀開(kāi)銷低、復(fù)雜性低等，還有就是協(xié)議本身的電源管理要求。上述各項(xiàng)設(shè)計(jì)因素都是為了最終實(shí)現(xiàn)降低網(wǎng)絡(luò)單位節(jié)點(diǎn)功耗的目的。如圖 1 所示，zigbee/802.15.4 協(xié)議理想適用于環(huán)境監(jiān)控市場(chǎng)領(lǐng)域中的相關(guān)應(yīng)用，不僅可確保電池供電設(shè)備能長(zhǎng)時(shí)間最佳工作，而且相對(duì)于支持更大型復(fù)雜化協(xié)議的硬件來(lái)說(shuō)還能有效降低成本。

　　低功耗網(wǎng)絡(luò)主要設(shè)計(jì)用于為電池供電設(shè)備（電池使用壽命達(dá)數(shù)月或數(shù)年之久）間提供無(wú)線連接。大多數(shù)低功耗無(wú)線系統(tǒng)中，以無(wú)線電發(fā)送和接收數(shù)據(jù)最為耗電。因此，我們應(yīng)盡可能降低無(wú)線電的功耗，這對(duì)延長(zhǎng)電池使用壽命至關(guān)重要。由于信號(hào)發(fā)送和接收之間的距離與天線的功率輸入成正比，因此不同節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍一般有限。無(wú)線協(xié)議還應(yīng)降低自身的復(fù)雜性，以降低計(jì)算開(kāi)銷，避免使用大容量存儲(chǔ)器，從而降低成本。

　　網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識(shí)

　　圖 2 顯示了典型低功耗網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖。通常，節(jié)點(diǎn)中有一個(gè)或多個(gè)傳感器負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)或狀態(tài)和/或向系統(tǒng)提供用戶接口。微控制器連接于傳感器并控制無(wú)線電（本例中為 CC1100 或 CC2500），而無(wú)線電則負(fù)責(zé)傳輸和接收狀態(tài)。

　　圖 2 — 典型低功耗網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖（本例顯示的是自動(dòng)抄表系統(tǒng)應(yīng)用）

　　不管是有線網(wǎng)絡(luò)還是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，我們?cè)诟拍钌隙伎蓪⒕W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信視為如圖 3 所示的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放系統(tǒng)互連 （OSI） 基本參考模型。這一模型于上世紀(jì) 70 年代末由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 （ISO） 制定，該模型將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)施組件（component）分為不同的軟件層。在不同設(shè)備上的兩個(gè)應(yīng)用要想通信，消息必須穿過(guò)應(yīng)用層，經(jīng)過(guò)物理層到達(dá)另一側(cè)。每一層都只能與其相鄰層通信。

　　怎么理解分層軟件架構(gòu)呢？我們可以設(shè)想一下寄信的過(guò)程。信件本身就相當(dāng)于應(yīng)用數(shù)據(jù)。我們把信投在信箱里，等著郵遞員取出，再拿到郵局。郵局根據(jù)收信人地址將所有信件分類，再通過(guò)航空、海運(yùn)或陸路方式將信件寄到最終目的地。信件要想達(dá)到收信人的手中，在收信人一方的郵局也必須經(jīng)過(guò)相反的一套程序，先是寄到收信人所在的郵局，按目的地分類，再發(fā)送到收信人的郵箱，最終達(dá)到收信人手里。寄信過(guò)程實(shí)際反映了一個(gè)四層通信協(xié)議。寫(xiě)信是第一層，當(dāng)?shù)剜]局的收發(fā)是第二層，郵局對(duì)信件分類是第三層，而信件運(yùn)輸方式則是第四層。每一層都有自身的任務(wù)，也只同相鄰層有關(guān)。信件只有從整個(gè)環(huán)節(jié)的一端傳送到另一端，信件的內(nèi)容（或應(yīng)用數(shù)據(jù)）才能在雙方之間得到成功交流。

　　OSI 模型涉及 7 個(gè)不同的軟件層。應(yīng)用層是直接針對(duì)用戶的界面。表示層將消息格式化為進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)的格式，通常體現(xiàn)為消息加密和/或編碼。會(huì)話層創(chuàng)建并管理網(wǎng)絡(luò)上任何兩個(gè)設(shè)備間的邏輯鏈接。傳輸層負(fù)責(zé)提供可靠的端對(duì)端通信功能。如果傳輸層的故障過(guò)于頻繁，那么通道噪聲可能過(guò)大，或鏈接本身質(zhì)量不佳，這時(shí)就要通知會(huì)話層在發(fā)生故障的節(jié)點(diǎn)間建立新的鏈接。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制，而不同設(shè)備間的消息傳輸則由數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)。數(shù)據(jù)鏈路層確保消息點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交付，但消息在物理介質(zhì)上的實(shí)際傳輸則由物理層負(fù)責(zé)。這樣，消息就能從 OSI 模型的一端傳輸至另一端。

　　設(shè)計(jì)人員可以選擇實(shí)施不同數(shù)量層的協(xié)議，并能根據(jù)應(yīng)用需要選擇定制其它層。目前大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施方案實(shí)際上都不能完全實(shí)施所有的層，需要根據(jù)協(xié)議要求將某些層的功能加以混合。事實(shí)上，OSI 模型是我們理解協(xié)議架構(gòu)復(fù)雜性和不同功能的最佳框架。設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)明白自己的解決放案要實(shí)施哪些功能，哪些功能可不予以考慮。

　　為了明確到底在 zigbee、802.15.4 和專有網(wǎng)絡(luò)之中選擇何種無(wú)線協(xié)議，我們列出一些選擇標(biāo)準(zhǔn)：

　　應(yīng)用考慮事項(xiàng)

　　穩(wěn)健性與可靠性

　　簡(jiǎn)便易用性

　　硬件及 RF 考慮事項(xiàng)

　　下面我們將詳細(xì)討論上述各標(biāo)準(zhǔn)。

　　應(yīng)用考慮事項(xiàng)

　　網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的初始步驟與其它任何系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作一樣，都是定義應(yīng)用的高級(jí)要求。下面我們列出一些最重要的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，這是在確定任何無(wú)線協(xié)議作為最終解決方案之前都應(yīng)加以明確定義的。我們隨后在本文中將根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)來(lái)介紹可能的實(shí)施方案，而這些選擇標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議本身都將得到進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

　　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

　　應(yīng)用需要多少個(gè)節(jié)點(diǎn)？節(jié)點(diǎn)采取什么樣的基本組織形式？

　　通信可靠性

　　網(wǎng)絡(luò)對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包的接收有多重要？

　　網(wǎng)絡(luò)安全性

　　數(shù)據(jù)是否需要確保安全？如果需要的話，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕^對(duì)安全性到底有多重要？

　　定制和設(shè)計(jì)的靈活性

　　網(wǎng)絡(luò)協(xié)議解決方案需要進(jìn)行多大程度的定制化以滿足應(yīng)用需求，協(xié)議是否提供無(wú)約束設(shè)計(jì)？

　　開(kāi)發(fā)時(shí)間及協(xié)議復(fù)雜性

　　這一條與第 4 項(xiàng)密切相關(guān)，有關(guān)協(xié)議本身的復(fù)雜性有多高？

　　互操作性

　　與其他廠商技術(shù)的互操作性是否能使最終產(chǎn)品受益？最終產(chǎn)品是否會(huì)成為完全專有解決方案？

　　圖4給出了四種最常見(jiàn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)施方案。

　　點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲С志W(wǎng)絡(luò)上不同節(jié)點(diǎn)間的單向或雙向鏈接。只有節(jié)點(diǎn)處在連接范圍以內(nèi)時(shí)才會(huì)相互通信，因?yàn)楸３种苯拥奈锢礞溄邮瞧渫ㄐ诺谋匾獥l件；唯一的例外是廣播消息，其可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)重復(fù)廣播傳播。樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校總€(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都與其父節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)尋址也會(huì)反映出這種節(jié)點(diǎn)關(guān)系，這與 IP 因特網(wǎng)地址非常類似。這樣，我們就能實(shí)施更加有效的路由算法，因?yàn)楦嗟墓?jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址位數(shù)可以反映出某個(gè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)于其對(duì)等節(jié)點(diǎn)的關(guān)系。星形網(wǎng)絡(luò)可將單個(gè)節(jié)點(diǎn)視為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點(diǎn)，負(fù)責(zé)各種可能的網(wǎng)絡(luò)管理控制工作，如節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)、節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)加入與鏈接許可、消息轉(zhuǎn)發(fā)以及安全交換等。星形網(wǎng)絡(luò)依靠協(xié)調(diào)點(diǎn)來(lái)保持網(wǎng)絡(luò)通信，如果協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)出了問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)通信也會(huì)受到影響。

　　從最基本的意義上說(shuō)，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是指每個(gè)節(jié)點(diǎn)至少要有兩條連接路徑的網(wǎng)絡(luò)。而全網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是指每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有到其它節(jié)點(diǎn)的直接連接的網(wǎng)絡(luò)。全網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)在許多情況下是不合理的，因?yàn)檫@很快就會(huì)將網(wǎng)絡(luò)規(guī)模限制在連接能力最弱的設(shè)備所覆蓋的最小網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，而網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的要求又過(guò)于嚴(yán)格。然而，人們會(huì)在兩種情況之間找到某種折中，通過(guò)某個(gè)中央節(jié)點(diǎn)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)，用樹(shù)狀尋址技術(shù)來(lái)定位節(jié)點(diǎn)并管理節(jié)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。范圍擴(kuò)展器也稱路由節(jié)點(diǎn)，可在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送消息，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)出了問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)仍能繼續(xù)正常工作，只是會(huì)在一定程度上影響操作性。自愈路由發(fā)現(xiàn)以及路由過(guò)期 （route expiration）等其它優(yōu)異特性可提高路由算法的可靠性與效率。

　　需要考慮的另一個(gè)重要因素是使用某協(xié)議所涉及的財(cái)務(wù)成本。使用某組織提供的專有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議一般要支付會(huì)員費(fèi)或?qū)＠褂觅M(fèi)。不過(guò)使用 zigbee 無(wú)需支付專利使用費(fèi)，但要求加入該聯(lián)盟并每年交納象征性的會(huì)員費(fèi)的。此外，驗(yàn)證過(guò)程也需要投入大量的時(shí)間和金錢。芯片廠商的專有協(xié)議通常要求其產(chǎn)品只許在其特許場(chǎng)所使用。

　　穩(wěn)健性與可靠性

　　低功耗網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)施的穩(wěn)健性與可靠性可歸結(jié)為三點(diǎn)：消息交付、物理層考慮事項(xiàng)以及消息發(fā)送協(xié)議。消息交付取決于路由技術(shù)來(lái)確保數(shù)據(jù)包的成功傳輸以及網(wǎng)絡(luò)交易的安全性。物理層考慮事項(xiàng)涉及工作通道內(nèi)的噪聲或其它傳輸信號(hào)的干擾問(wèn)題。消息發(fā)送協(xié)議則定義了通道的分區(qū)，確保所有設(shè)備都能使用物理介質(zhì)，而不會(huì)在傳輸過(guò)程中導(dǎo)致數(shù)據(jù)包沖突。上述三點(diǎn)均有助于提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量 （QOS），是一系列用以測(cè)量數(shù)據(jù)包通信效率、傳輸速率及故障率的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。

　　通道掃描即偵聽(tīng)通道中傳輸量或噪聲大小的能力，屬于物理層考慮事項(xiàng)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通過(guò)通道掃描來(lái)查找特定工作頻帶內(nèi)最不可能干擾節(jié)點(diǎn)間通信的通道。頻率捷變性是指網(wǎng)絡(luò)改變網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點(diǎn)的工作通道的能力，這樣即便某條通道遭到干擾，網(wǎng)絡(luò)仍能繼續(xù)工作。我們還能通過(guò)確認(rèn)機(jī)制來(lái)改善消息交付能力，即讓接收節(jié)點(diǎn)在成功接收數(shù)據(jù)包后向最初的發(fā)送節(jié)點(diǎn)反饋一個(gè) ACK 確認(rèn)信息。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)確認(rèn)機(jī)制配合消息重試次數(shù)定義有助于大幅降低數(shù)據(jù)包丟失的可能性。而端對(duì)端確認(rèn)機(jī)制將提供另一層安全性，確保數(shù)據(jù)包不會(huì)丟失，這在采用復(fù)雜路由算法的大型多跳轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)中尤其重要。

　　消息發(fā)送協(xié)議定義了網(wǎng)絡(luò)帶寬是如何獲得并進(jìn)行分區(qū)的。不同的無(wú)線協(xié)議可定義不同的帶寬分區(qū)，其可能包括頻分、空分、時(shí)分或碼分等。頻分可理解為一屋子的人用高低不同的聲音談話；空分可理解成一屋子的人在不同方向上談話；時(shí)分可理解成一屋子的人都競(jìng)爭(zhēng)說(shuō)話權(quán)，但只要有一個(gè)人搶先發(fā)言，其他人就不再說(shuō)話了；碼分則可理解為一屋子的人用高低不同的聲音講不同的語(yǔ)言。在本文涉及的協(xié)議中只討論時(shí)分，也就是時(shí)分多址協(xié)議，這種協(xié)議有同步和異步通信兩種可能的實(shí)施方案。

　　協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)廣播周期性網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)并將不同信標(biāo)間的時(shí)間間隔劃分為相同的時(shí)隙，從而實(shí)現(xiàn)同步通信。單個(gè)網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)以及出現(xiàn)在下一信標(biāo)之前的各時(shí)隙均稱作超幀。超幀的時(shí)隙可進(jìn)一步分為活動(dòng)和非活動(dòng)通信期，這樣協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)在非活動(dòng)期的低功耗模式下就能進(jìn)入休眠狀態(tài)。我們可通過(guò)通道偵聽(tīng)多址（CSMA）技術(shù)或通信前偵聽(tīng)算法來(lái)確保或讓各方爭(zhēng)用時(shí)隙。

　　CSMA 算法定義了多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)嘗試通信時(shí)判優(yōu)RF 通道使用的協(xié)議。最常見(jiàn)的實(shí)施方案是采用 CSMA/CA 算法，這里的 CA是指防碰撞系統(tǒng)，因?yàn)榘l(fā)送節(jié)點(diǎn)一旦偵聽(tīng)到通道繁忙將取消發(fā)送消息。CSMA 算法還有其它的實(shí)施，如 CSMA/CD（碰撞檢測(cè)）和CSMA/CR（碰撞解決）等，但這些在 RF 協(xié)議實(shí)施中并不常見(jiàn)，也不在本文討論的范圍之內(nèi)。

　　安全性是影響無(wú)線通信穩(wěn)健性的另一個(gè)重要因素，同時(shí)也是網(wǎng)絡(luò)的主要功能。例如，家庭安全網(wǎng)絡(luò)可能包含一個(gè)車庫(kù)門開(kāi)啟器，用它來(lái)開(kāi)關(guān)車庫(kù)門鎖。這種系統(tǒng)需具有高度的安全性，防止偷聽(tīng)或出現(xiàn)安全漏洞，確保隱私。我們可通過(guò)采用不同級(jí)別的安全密鑰和加密機(jī)制、進(jìn)行消息驗(yàn)證與完整性保護(hù)、使用安全信任中心（trust center）等方式來(lái)確保安全性，也就是說(shuō)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上的單個(gè)節(jié)點(diǎn)（通常是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)）而不是采用分布式安全機(jī)制來(lái)解決所有安全問(wèn)題。如果采用分布式安全機(jī)制，在創(chuàng)建不同鏈接時(shí)會(huì)分別交換對(duì)稱密鑰，某個(gè)攻擊節(jié)點(diǎn)會(huì)繞開(kāi)管理節(jié)點(diǎn)的直接驗(yàn)證，很容易進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。

第二部分

　　在本文第一部分，我們討論了包括開(kāi)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(shí)，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(jiǎn)便易用性

　　簡(jiǎn)便易用性反映為對(duì)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(jiǎn)化的 API 等在內(nèi)的多種因素都有助于簡(jiǎn)化對(duì)哪怕是最復(fù)雜軟件系統(tǒng)的學(xué)習(xí)進(jìn)程；不過(guò)，本文所說(shuō)的簡(jiǎn)便易用性是從協(xié)議的復(fù)雜程度角度來(lái)說(shuō)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(shí)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(wú)線協(xié)議正好實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜性與簡(jiǎn)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?jī)?yōu)勢(shì)。如實(shí)施方案過(guò)于復(fù)雜，即便經(jīng)驗(yàn)豐富的嵌入式開(kāi)發(fā)人員都可能感到頭疼。因此，協(xié)議特性與簡(jiǎn)便易用性相平衡是我們要考慮的一個(gè)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(wèn)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(yǔ)音識(shí)別或用戶接口）等。只有回答了這些問(wèn)題，我們才能確定采用何種無(wú)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(píng)估硬件時(shí)可借鑒的重要依據(jù)。我們還應(yīng)處理一些系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題，如硬件的物理尺寸，因?yàn)檫@會(huì)限制MCU和/或無(wú)線電的選擇。在某些情況下，在單個(gè)器件上集成了MCU和無(wú)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(huì)決定 MCU 的選擇。此外，硬件的選擇還會(huì)受到協(xié)議本身對(duì)存儲(chǔ)器和 MCU 資源要求的影響。如果協(xié)議實(shí)施的資源要求對(duì)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(lái)支持實(shí)施方案的無(wú)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(lái)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(wú)線電廣播為例顯示了協(xié)議的范例編制，使讀者對(duì)實(shí)際實(shí)施中的內(nèi)存占用情況有個(gè)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(kāi)發(fā)的低功耗無(wú)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(lái)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(kāi)發(fā)該標(biāo)準(zhǔn)旨在面向家庭自動(dòng)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(gè)對(duì)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(jiǎn)約功能設(shè)備 （RFD） 的方式實(shí)施802.15.4 個(gè)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(guò)由于每個(gè)星型配置的 PAN 只能有一個(gè) FFD 節(jié)點(diǎn)，所以 FFD 一般不會(huì)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(duì)簡(jiǎn)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(duì)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(dòng)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(cuò)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(shí) （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(guò)定義兩個(gè)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(kāi)發(fā) zigbee 等更高級(jí)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(kāi)發(fā)更高級(jí)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(lái)說(shuō)，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(kāi)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(shì)：

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

　　根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)存在無(wú)線電廣播通道限制

　　為便于理解這些應(yīng)用級(jí)考慮事項(xiàng)符合 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的原因，對(duì)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(wú)線電廣播設(shè)備間在歐洲（868 MHz）、美國(guó)（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(guò) 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(cè)、鏈接質(zhì)量指示、無(wú)干擾通道評(píng)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(gè)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(duì)等通信，如數(shù)據(jù)包幀管理、節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)、對(duì)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(gè)時(shí)隙構(gòu)成的超幀定義，可以選擇其中的 7 個(gè)時(shí)隙提供擔(dān)保，或者所有時(shí)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(huì)引起對(duì)傳送節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)的指數(shù)時(shí)長(zhǎng)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(shí)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(huì)實(shí)施存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā)功能。

　　802.15.4 沒(méi)有指定加密方式。不過(guò)，符合標(biāo)準(zhǔn)的軟件平臺(tái)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(duì)稱加密方法。這樣，用戶就可對(duì)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(duì)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(lái)說(shuō)如果結(jié)合采用某種低級(jí)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(shí)間。參見(jiàn)圖 6，協(xié)議對(duì)內(nèi)存占用、資源要求以及協(xié)議開(kāi)銷等也沒(méi)有限制性要求。

第三部分

　　本文第一部分和第二部分討論了網(wǎng)絡(luò)的基本知識(shí)，其中包括開(kāi)放系統(tǒng)互連 （OSI） 網(wǎng)絡(luò)模式、低功耗網(wǎng)絡(luò)和802.15.4的特點(diǎn)與選用標(biāo)準(zhǔn)（如應(yīng)用層問(wèn)題、穩(wěn)健性/可靠性）以及如何根據(jù)這些選擇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較判斷。第三部分將討論 zigbee 和 SimpliciTI，并將提供如何選擇協(xié)議的相應(yīng)例子。

　　zigbee

　　zigbee 采用 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)作為其對(duì)等通信的基礎(chǔ)。該標(biāo)準(zhǔn)由 zigbee 聯(lián)盟 （zigbee Alliance） 開(kāi)發(fā)并管理。zigbee Alliance 是一家投資于該標(biāo)準(zhǔn)并在無(wú)線領(lǐng)域進(jìn)行推廣的聯(lián)合組織，并且日益為業(yè)界所關(guān)注。不過(guò)zigbee 擁有自己獨(dú)特的應(yīng)用功能，用戶應(yīng)對(duì)此進(jìn)行充分了解，而不是倉(cāng)促地將其應(yīng)用于所有的低功耗無(wú)線應(yīng)用領(lǐng)域。

　　zigbee 最常用作異步通信標(biāo)準(zhǔn)，其具備 CSMA/CA 通道接入能力，并擁有 802.15.4 章節(jié)所述的所有功能。針對(duì)相同市場(chǎng)領(lǐng)域的情況下，相比之下 zigbee 可為尋求準(zhǔn)擔(dān)保信息交付、大規(guī)模輕松網(wǎng)絡(luò)集成以及設(shè)備間互操作性的開(kāi)發(fā)人員提供眾多優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還提供眾多 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)不能直接解決的較高級(jí)別網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題的解決方案。

　　zigbee 網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施有三種拓?fù)洌鐖D 9 所示。與 802.15.4 類似，zigbee 支持對(duì)等通信與星型配置。zigbee 在 802.15.4 規(guī)范之上添加了路由協(xié)議與層級(jí)網(wǎng)絡(luò)尋址方案，可實(shí)現(xiàn)群集樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（具有相同PAN ID）以及多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

　　這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均由可實(shí)現(xiàn)三種邏輯抽象功能之一的 802.15.4 FFD 和 RFD 節(jié)點(diǎn)提供支持。必須為 FFD 的zigbee 協(xié)調(diào)器將啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)連接與安全密鑰等大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，是路由消息不可分割的組成部分。zigbee 路由器也必須為 FFD，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)往返于其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的消息，并實(shí)現(xiàn) zigbee 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀網(wǎng)特性，同時(shí)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的總體覆蓋范圍。zigbee 協(xié)調(diào)器與路由器一般由主電源供電，因?yàn)樗鼈儜?yīng)能夠在任何時(shí)間接收和傳輸消息。如果預(yù)計(jì)應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸是周期性的，則 zigbee 也可以采用 802.15.4 同步網(wǎng)絡(luò)的TDMA 消息傳輸協(xié)議。zigbee 終端設(shè)備以 RFD 方式實(shí)施，可以最大限度地減少其占空比和資源要求，從而實(shí)現(xiàn)采用電池供電并長(zhǎng)期工作的目的。

　　zigbee 理想適用于具有下列要求的應(yīng)用：

　　采用標(biāo)準(zhǔn)化的物理層與較低層協(xié)議 （IEEE 802.15.4）

　　標(biāo)準(zhǔn)化的較高層協(xié)議（比如網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)洌嗵龋?/p>

　　全面互操作性，甚至達(dá)到應(yīng)用層級(jí)別（公共配置文件）

　　設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)要求低（僅限于應(yīng)用）

　　技術(shù)支持與維護(hù)廠商/供應(yīng)商之間競(jìng)爭(zhēng)激烈

　　zigbee 可接受下列劣勢(shì)：

　　zigbee Alliance 成員費(fèi)用

　　認(rèn)證費(fèi)用（如果不專門針對(duì)符合 zigbee 或者 zigbee 認(rèn)證的產(chǎn)品則無(wú)需此費(fèi)用）

　　代碼量（功能性的開(kāi)銷可能大到難以使用）

　　無(wú)線電廣播通道限制（限于在 IEEE 802.15.4 中指定的通道）

　　上述所列各項(xiàng)表明需要對(duì)許多項(xiàng)目進(jìn)一步澄清，因此首先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的較高層協(xié)議進(jìn)行描述。與 802.15.4 相比，如圖 10 所示，zigbee 可向上實(shí)施至 OSI 無(wú)線應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)模型的傳輸層，甚至能夠達(dá)到部分會(huì)話層。

　　對(duì) 802.15.4 協(xié)議最突出的三項(xiàng)新特性是網(wǎng)狀網(wǎng)路由算法，一個(gè)功能強(qiáng)大的安全實(shí)施，以及應(yīng)用級(jí)抽象以在目標(biāo)市場(chǎng)領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)設(shè)備與可互操作“應(yīng)用配置文件”的強(qiáng)大關(guān)聯(lián)性。

　　zigbee 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀網(wǎng)路由算法使其成為網(wǎng)絡(luò)上終端設(shè)備之間數(shù)據(jù)交付的極可靠方式。除了能夠在網(wǎng)絡(luò)中確保分組交付的可選端到端確認(rèn)，zigbee 還定義了能夠圍繞故障節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的路由發(fā)現(xiàn)算法，這也稱為zigbee 的通信自愈能力。路由發(fā)現(xiàn)是一種可由任何路由器設(shè)備啟動(dòng)并始終針對(duì)特定目的地執(zhí)行的最短路徑算法。計(jì)算的原理是由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都一直保留著至所有相鄰設(shè)備的“鏈接成本”記錄，其中鏈接成本是測(cè)量所接收信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度。累加沿路由所有鏈接的鏈接成本就可得出“路由成本”，并可計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)路由的路由成本。

　　節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)向其相鄰設(shè)備廣播針對(duì)特定目的地的路由請(qǐng)求 （RREQ） 數(shù)據(jù)包來(lái)請(qǐng)求路由發(fā)現(xiàn)。每當(dāng)某節(jié)點(diǎn)接收 RREQ 時(shí)，其就會(huì)向路由成本累加其鏈接成本，然后再相應(yīng)廣播 RREQ。這種情況將反復(fù)進(jìn)行，直至所有 RREQ 均到達(dá)目的地設(shè)備。然后目的地設(shè)備將選擇路由成本最低的 RREQ 數(shù)據(jù)包，并廣播路由回復(fù) （Route Reply）。當(dāng) RREP 數(shù)據(jù)包返回至源地，所有中間節(jié)點(diǎn)將更新它們的路由表，指示通往目的地的路由。這樣，節(jié)點(diǎn)可丟失至下一跳的連接，并向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送路由錯(cuò)誤 （RERR） 數(shù)據(jù)包，以便在下一次有人試圖向其發(fā)送消息時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)新的路由發(fā)現(xiàn)。

　　zigbee 可實(shí)施廣泛的安全措施。zigbee 采用三種安全性密鑰，即用于長(zhǎng)期安全性的主密鑰、加入網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)密鑰，以及用于對(duì)等通信的加密密鑰。采用 AES-128 位加密標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行加密。在檢驗(yàn)消息的完整性方面，zigbee 采用 MIC-128，即消息完整性代碼。此外，通過(guò)使用協(xié)調(diào)器作為信任中心從單個(gè)節(jié)點(diǎn)管理所有安全性，網(wǎng)絡(luò)還能夠定期選擇對(duì)對(duì)稱加密密鑰進(jìn)行更新，從而實(shí)現(xiàn)安全通信的無(wú)限管理。

　　不過(guò)，應(yīng)用級(jí)抽象可能是 zigbee 最具有競(jìng)爭(zhēng)力的特性。可以對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯編以容納多達(dá) 270 個(gè)“端點(diǎn)”或者應(yīng)用。舉例來(lái)說(shuō)，每個(gè)端點(diǎn)都可以代表一個(gè)電燈開(kāi)關(guān)或者一個(gè)燈泡（燈泡 01、燈泡 02 等）。每個(gè)端點(diǎn)可以接受任意類型的數(shù)據(jù)，也可以發(fā)送任意類型的數(shù)據(jù)。從某端點(diǎn)輸出到另一端點(diǎn)的輸入數(shù)據(jù)有單個(gè)描述符，一般稱為群集 （Cluster）。為繼續(xù)使用燈泡作為例子，假定被命名為“l(fā)ight_status_on_off”的燈泡開(kāi)關(guān)狀態(tài)是這些稱為群集的數(shù)據(jù)描述符之一。然后，每個(gè)端點(diǎn)就可以根據(jù)端點(diǎn) ID （1-270） 及其群集列表（接收或者傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型）進(jìn)行描述。在群集匹配的情況下，就可以進(jìn)行一對(duì)一或者一對(duì)多端點(diǎn)的邏輯綁定。在該例中，某一燈泡開(kāi)關(guān)可以與任一或者所有被描述為支持“l(fā)ight_status_on_off”群集的燈泡邏輯綁定。這種應(yīng)用級(jí)的一對(duì)一或者一對(duì)多綁定是 zigbee 協(xié)議功能強(qiáng)大的特性。

　　如果 zigbee Alliance 當(dāng)時(shí)定義了群集列表和解釋端點(diǎn)間群集流的方法，就可以為特定應(yīng)用（如電燈開(kāi)關(guān)/電燈泡等）指定標(biāo)準(zhǔn)，且無(wú)需擔(dān)心用于實(shí)施應(yīng)用的具體硬件。zigbee Alliance 正好已經(jīng)完成了這項(xiàng)任務(wù)，將這些標(biāo)準(zhǔn)稱為應(yīng)用配置文件，從而不僅使來(lái)自不同廠商的應(yīng)用能夠完全實(shí)現(xiàn)互操作性，而且還加強(qiáng)了zigbee 低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)市場(chǎng)領(lǐng)域的整體競(jìng)爭(zhēng)性。

　　如果互操作性不是設(shè)計(jì)人員的主要意圖，zigbee Alliance 還可以讓設(shè)計(jì)人員定義不共享的企業(yè)專用型應(yīng)用配置文件。為簡(jiǎn)明扼要，我們就不對(duì) zigbee 實(shí)施的其他特性進(jìn)行詳細(xì)討論了，這些特性包括群組尋址、頻率捷變、會(huì)話故障的自動(dòng)重加入和協(xié)議最新版本 zigbee 2007（也稱為 zigbee PRO）提供的系列附加特性。zigbee PRO 基本上仍屬于 zigbee 標(biāo)準(zhǔn)范疇，但在編輯時(shí)增加了用于優(yōu)化支持超大網(wǎng)絡(luò)集成的特性。如欲了解更多詳情，敬請(qǐng)?jiān)L問(wèn) zigbee Alliance 網(wǎng)站：www.zigbee.org。

　　采用 zigbee 協(xié)議進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的劣勢(shì)包括與開(kāi)發(fā) zigbee 產(chǎn)品相關(guān)的成本：按年支付給 zigbee Alliance的成員費(fèi)用、認(rèn)證產(chǎn)品是否符合 zigbee 的費(fèi)用以及協(xié)議本身的存儲(chǔ)器占用。zigbee 協(xié)議加載的特性很難在每項(xiàng)應(yīng)用中都得到充分利用，從而在定制解決方案的情況下需要設(shè)計(jì)額外的存儲(chǔ)器資源。在某些情況下，對(duì)存儲(chǔ)器與資源的要求甚至可以限制到最終應(yīng)用級(jí)。因此，部分企業(yè)推出了具備集成 MCU、預(yù)加載了 zigbee 軟件協(xié)議棧的無(wú)線電廣播組件，其運(yùn)行則由少量 API 對(duì)另一個(gè)以應(yīng)用為中心的 MCU 的調(diào)用來(lái)控制。通過(guò)采用 SPI 通信來(lái)更新zigbee芯片的配置，應(yīng)用 MCU 可以免受協(xié)議對(duì)存儲(chǔ)器與資源要求的限制，可以有效地處理其他應(yīng)用任務(wù)。

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 專注于支持簡(jiǎn)單星型網(wǎng)絡(luò)的對(duì)等拓?fù)洌粗缸畲蠡乩梅Q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)槠湓谖锢韺印?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)或者確保可靠性的其他方法。用戶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)停@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)的公司組織繳納專利費(fèi)或成員費(fèi)

　　免費(fèi)提供 SimpliciTI 的完整源碼，且免專利費(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，而且專門講解了 802.15.4、zigbee 以及低層專有特性集的范例。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。