作者：Miguel Morales，MSP430 應(yīng)用工程師，Kevin Belnap，MSP430 產(chǎn)品市場營銷經(jīng)理

摘要

許多設(shè)計(jì)人員都聽說過 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，并在性能和應(yīng)用領(lǐng)域方面進(jìn)行對比區(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)選擇較適合自己應(yīng)用需求的開發(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題。第一部分論述網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識以及低功耗網(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

電子市場中的較主要趨勢之一就是越來越多的產(chǎn)品都開始添加無線連接功能。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)品都添加了無線連接功能，這一方面是為了方便用戶使用，用戶可通過無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，自動抄表系統(tǒng) (AMR) 或高級電表架構(gòu) (AMI) 等設(shè)備也越來越依賴低功耗協(xié)議使設(shè)備的電池使用壽命能夠長達(dá)數(shù)年之久。

本文將概括介紹無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，不過將重點(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。盡管許多工程師對這些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都已經(jīng)比較熟悉了，但可能還沒有仔細(xì)對其加以評估。即便有人曾經(jīng)評估過這些協(xié)議，但在特定應(yīng)用時(shí)可能仍不清楚到底哪種協(xié)議較合適。本文分三部分。第一部分，我們將介紹網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識，其中包括常見的網(wǎng)絡(luò)術(shù)語、開放系統(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)對三種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議加以對比；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，說明如何根據(jù)選擇標(biāo)準(zhǔn)確定適合特定應(yīng)用的較佳網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

目前，推出的無線網(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。我們在比較低功耗協(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)因素都是為了較終實(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)備能長時(shí)間較佳工作，而且相對于支持更大型復(fù)雜化協(xié)議的硬件來說還能有效降低成本。

圖 1 — 無線協(xié)議參數(shù)及其重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域（ZigBee聯(lián)盟提供）

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）間提供無線連接。大多數(shù)低功耗無線系統(tǒng)中，以無線電發(fā)送和接收數(shù)據(jù)較為耗電。因此，我們應(yīng)盡可能降低無線電的功耗，這對延長電池使用壽命至關(guān)重要。由于信號發(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)間的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍一般有限。無線協(xié)議還應(yīng)降低自身的復(fù)雜性，以降低計(jì)算開銷，避免使用大容量存儲器，從而降低成本。

網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識

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線電（本例中為 CC1100 或 CC2500），而無線電則負(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（本例顯示的是自動抄表系統(tǒng)應(yīng)用）

不管是有線網(wǎng)絡(luò)還是無線網(wǎng)絡(luò)，我們在概念上都可將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信視為如圖 3 所示的網(wǎng)絡(luò)開放系統(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，消息必須穿過應(yīng)用層，經(jīng)過物理層到達(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，再通過航空、海運(yùn)或陸路方式將信件寄到較終目的地。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，較終達(dá)到收信人手里。寄信過程實(shí)際反映了一個(gè)四層通信協(xié)議。寫信是第一層，當(dāng)?shù)剜]局的收發(fā)是第二層，郵局對信件分類是第三層，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)提供可靠的端對端通信功能。如果傳輸層的故障過于頻繁，那么通道噪聲可能過大，或鏈接本身質(zhì)量不佳，這時(shí)就要通知會話層在發(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)雜性和不同功能的較佳框架。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。

圖 3 — 網(wǎng)絡(luò)的組成部分

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

1. 應(yīng)用考慮事項(xiàng)
2. 穩(wěn)健性與可靠性
3. 簡便易用性
4. 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)用的高級要求。下面我們列出一些較重要的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，這是在確定任何無線協(xié)議作為較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)說明。

1.  網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?

• 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？

2.  通信可靠性

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

3.  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^對安全性到底有多重要？

4.  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)議是否提供無約束設(shè)計(jì)？

5.  開發(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？

6.  互操作性

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

圖4給出了四種較常見的無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)施方案。

圖 4 — 低功耗網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/I>