EDNAsia: Electronics Design, Strategy, News
 
EDN ASIA WEBSITES
EDN Asia | EDN India | EDN Korea
 
EDN TAIWAN MAGAZINE
列印訂閱
設定為首頁
放入書籤
 
 
 
 
 
 
訂閱免費印刷版 適合列印版本 將本文寄給朋友
 

低速率網路掌控一切

( 12 月 1 日 2004 年)
作者： Warren Webb ，技術編輯

儘管許多最近的設計和媒體關注的焦點都集中在高頻寬、具有視頻能力的無線網路上，但低成本低資料速率的 RF 鏈路的市場註定會更大。只要將少數的商業和工業環境中大量重複性系統控制和資料收集的任務予以自動化，就可以節省很多的各種資源。儘管專屬的低頻寬連網產品已經面世很多年了，一股將協定標準化的新興推動力保證會透過更高的產量來降低矽片成本，並且承諾設備供應商之間的互通性。隨著新產品和標準的出現，這些低成本通信鏈路將被證明終將廣為流行，因為使用者無須安裝昂貴而不靈活的網路佈線就可以得到直接的節省效果。

市面上有成千上萬的嵌入式系統應用，而其中可靠的、低頻寬通信網路則可提供可接受的性能，並且降低成本。例如，大樓自動化系統可以根據溫度、區域活動程度和日間時段來使照明、暖氣和空調的使用降到最低程度，從而大幅降低能源成本。為了減少不必要的服務呼叫或設備替換，工業使用者正在安裝低速率網路來監控生產機械的狀況。公共服務業者可以利用自動化儀錶讀數設備來節省數以百萬美元計的成本，這些設備可以做到負載平衡、確認電路故障、以及消除人工在啟用、停用和讀取遠端計量儀錶等工作中所涉及的部分。透過策略性安置的無線鏈路，還可以降低存取控制、醫療監護和安全系統的人力成本。

儘管個別參數隨不同的應用而變化，低資料速率無線網路還是具有幾個共同的設計需求特徵。大多數應用都要求大量感測器或控制節點；因此，簡化而低成本的硬體就極具關鍵性。由於可能將網路節點部署在偏僻且無法進入的地點，可長時間使用的電池也是主要的目標之一。儘管低節點成本可以轉變為減少的處理資源和簡化的軟體，使用者仍然期待在許多工業應用所處的惡劣 RF 環境中，可以有安全可靠的資料傳輸。為了使使用者能夠隨情況變化快速添加或配置節點，低速率網路還必須具有伸縮性和適應性。

與高頻寬的系統一樣，為了獲得最佳性能，使用者可以將低速率網路安排為多重配置。例如，用一條橋接兩個端點的點對點無線鏈路簡單地替換一條通信纜線。為了消除串接在一起的纜線，使用者可以用一條點對點無線鏈路將遙控面板連接到一台可移動設備（例如機器人）上。許多低資料速率點對點鏈路在各端都含有低成本收發器，可用來轉換通用的通信協定，例如 RS-232 。另一種無線網路形式：點對多點，包括一個中央基地台和多個以星形或中心輻射（ hub-and-spoke ）模型安排的無線節點。儘管 Bluetooth 和 IEEE 802.11 被認為是高頻寬網路，但它們的各種衍生產品都是以點對多點模型為基礎。

網狀網路是第三種無線網路形式，這是一些低功率的多跳式（ multihop ）系統，為了處理訊息，需要從一個節點到另一個節點傳遞資料包，直到其到達目的地為止。與點對多點網路節點從所有資料包中篩選出自己的資料包（丟棄其他資料包）不同，網狀網路節點接收並轉發位址為其他節點的資料包。多跳式網路的運行更像網際網路，並且提供從來源至目的地的冗餘通信路徑。如果由於硬體失效或干擾，當一條路徑停止工作時，網狀網路便透過一條替代路徑自動地重新路由資料包。

除了形式之外，無線網路的另一個差別是在於其範圍和應用。 WPAN （無線個人區域網路）覆蓋 0 至 10m 的範圍，其創造者最初的打算是利用它來將個人工作區域周遭的週邊設備相互連接，就像對 Bluetooth 的想法一樣。最近， WPAN 的定義已經擴充到包含任何短距離通信鏈路。因此，許多低資料速率網路都歸入了這個分類之中。隨著範圍的擴大， WLAN （無線區域網路）——例如 IEEE 802.11b ——擴大到大約 100m ，而 WWAN （無線廣域網路）則覆蓋任何更大的範圍。


圖 1 : ZigBee 的通信層，加上 IEEE 802.15.4 的實體和媒介存取控制層，提供了一個完整的低資料速率連網標準。

儘管短距離無線產品常常使用專屬協定， IEEE 已經授權一個任務小組開發一個運行在非管制國際頻段的超低功率、低資料速率之網路標準。 IEEE 在 2003 年 5 月批准了最終的標準，即 IEEE 802.15.4 ，該標準為低速設備通信規定了 PHY （實體層）和 MAC （媒體存取控制）子層的技術規格，其中通信速率為 20kbps 者在 868MHz 頻段上運行， 40 kbps 在 915MHz 頻段， 250 kbps 者在 2.4GHz 頻段。可以將網路安排為星形或對等式（ peer-to-peer ）拓撲，可以對多於 65,000 個節點進行定址。發射器採用的擴頻方式為直接序列展頻技術（ direct-sequence spread spectrum ， DSSS ），在低於 1GHz 的頻段調變方式為二元相位位移鍵控（ binary phase-shift keying ， BPSK ），而在 2.4GHz 頻段調變方式為偏移 - 正交相位位移鍵控（ offset-quadrature phase-shift keying ， O-QPSK ）。該標準在 2.4GHz 頻段提供 16 個通道，在 915MHz 頻段提供 10 個通道，在 868MHz 頻段提供 1 個通道。通道接入方法為載波感測多重存取 / 碰撞避免（ carrier-sense multiple access with collision avoidance ， CSMA/CA ）。這份規格描述了兩種類型的網路節點：可以執行任何網路任務的全功能器件（ full-function device ， FFD ）和用於成本敏感應用的資源與功能有限之縮減功能器件（ reduced-function device ， RFD ）。讀者可以從 http://standards.ieee.org/getieee802 網站下載這份 679 頁標準的免費副本。

進入 ZigBee
由於掌握了一個 PHY 和 MAC 層的全球標準， ZigBee 聯盟正在努力工作定義其餘的網路、安全和應用層，以便達到任何新的無線規格可以被廣泛接受的要求（圖 1 ）。在 Motorola 、 Honeywell 、 Samsung Electronics 、 Philips 、 Invensys 和 Mitsubishi Electric 支持下， ZigBee 聯盟包括 60 多個公司成員，並且預計在 2004 年底提出其規格的初始版本。作為與針對 802.11 的 Wi-Fi 聯盟類似的角色， ZigBee 聯盟計畫提供互通性及順應性測試規格，推廣 ZigBee 品牌，並且控制技術的進展。

ZigBee 網路層負責設備發現和網路配置。 ZigBee 可以採用星形和網狀拓撲，也允許兩者的組合，稱為叢集樹狀（ cluster-tree ）網路。為了提供初始化、節點管理和節點資訊存儲，每個網路必須至少有一個 FFD ，稱為協調者。為了將成本和功耗降到最低，其餘的節點可以是簡單的電池供電之 RFD 。 ZigBee 網路適用於若干種資料傳輸方案。對於像無線感測器產生的那種週期性資料，節點在設定的時間舒醒過來，將採集資料發送給協調者，然後再回到睡眠狀態。照明開關提供間歇性資料，可以僅在啟用時再連接網路，並與之通信。像滑鼠或鍵盤周邊這種產生重複性資料的應用，可以使用 ZigBee 的有保證之時槽（ guaranteed-time-slot ， GTS ）能力來保障無延時或競爭的通信。這些網路層資料傳送策略允許系統設計人員用通信頻率來換取 RFD 節點中的電池壽命。極低的導通週期（ duty cycle ）可以讓使用鈕扣電池的節點持續運行數年。

儘管基本的 IEEE 802.15.4 規格規定了廣泛的網路安全服務，例如存取控制、 32-/64-/128- 位元資料加密以及幀完整性， ZigBee 為設計人員提供了擴充的工具組，可以針對單獨的應用定制安全特性。軟體或者專門的高級加密標準（ Advanced Encryption Standard ， AES ）引擎可以執行的 AES 計算，為滿足節點功率要求做出了重大貢獻。但是，加密功能僅在發射或接收資料包時才執行。因此，由於低資料速率，平均功率仍然很低。

儘管批評人士對將 ZigBee 用於與 Bluetooth 相同的短距離 PAN 領域仍有著爭議，這些技術的規格差別非常大。 Bluetooth 採用跳頻展頻來抵抗干擾，並且以大約 720 kbps 的峰值速率傳送資料； ZigBee 的最大速率為 128 kbps 。基本的 Bluetooth 協定要求複雜的通信協定棧，消耗多達 250 kbytes 的系統記憶體資源，而 ZigBee 控制器要求少於 32 kbytes （ 8 位元控制器）。 ZigBee 設備可以快速連接，交換資訊，分離，然後再回到深度睡眠狀態，以便獲得長久的電池壽命。 Bluetooth 模型假定了類似蜂窩電話的週期性電池充電。 Bluetooth 網路增加一個新的從屬節點需要超過 3 秒的時間； ZigBee 則只需要 30 毫秒。最後， Bluetooth 受限於 7 個使用者端； ZigBee 則可以處理成千上萬個使用者端。

早期採用者
由於潛在市場的規模，硬體廠商推出了可以透過調整滿足最終規格的產品，預先考慮了 ZigBee 標準。例如， ZMD 提供一個晶片上（ on-chip ）收發器，其設計是在晶片上滿足 IEEE 802.15.4 標準的 PHY 和 MAC 要求，而在專用控制器軟體中實現了 ZigBee 層（圖 2 ）。 ZMD44101 CMOS 收發器在歐洲工作於 868.3MHz 頻段，在美國則工作於 902 至 928MHz ISM （工業、科學和醫療）頻段。這種低功率基頻收發器提供的資料速率達到 40 kbps ，並且結合了 DSSS 技術來改善惡劣 RF 環境下的資料傳輸。這種收發器典型維持的電流低於 4 μ A ，支援多達 255 個節點，可以採用 ZigBee 網路協定組成星形或網狀網路拓撲。


圖 2 : ZMD 提供的 ZMD44101 是一個低於 1GHz 的 CMOS 收發器，資料速率為 40kbps ，維持電流低於 4 μ A.


Atmel 最近宣佈了針對 ZigBee 設計的一轉匙晶片組（ turnkey chip set ）。 AT-86ZL3201 Z-Link 控制器整合了具有 8 位元 RISC 處理器的加密硬體和適合實現 ZigBee FFD 節點的資料存儲。 Atmel 的 AT86RF210 Z-Link 無線器件是一個 868MHz/902- 至 928MHz 頻段的 802.15.4- 和 ZigBee 相容之收發器，在 915MHz ISM 頻段具有 10 個 40 kbps 的通道，在歐洲的 868MHz 頻段具有一個 20 kbps 的通道。空中介面為 DSSS ，包括展頻和解展頻，採用 BPSK 。 PHY 包括接收器能量檢測、鏈路品質指示和純通道評估。 Z-Link MAC 可以讓網路關聯（ network association ）和無關聯（ disassociation ），具有一個帶有時間同步標誌的可選超幀（ superframe ）結構，還具有用於高優先順序通信的 GTS 機制。該無線器件支援多達 65,000 個節點，網路拓撲可以是星形、叢集或網狀，覆蓋範圍為 1 至 100m 。睡眠模式下的功耗為 1 μ A 。 Atmel 的 ZigBee 晶片組之定價為 6.75 美元 / 件（ 100,000 件起），包含無線、 FFD 控制器和 802.15.4 及 ZigBee 協定棧。


圖 3 : EM2420 RF 收發器參考設計與 ZigBee 和 Ember 的軟體都相容，把專屬的和基於標準的設計聯繫起來。

另一個有意跨越專屬產品線和新興標準之間鴻溝的產品是來自 Ember Corp 的 EM2420 。這種 2.4GHz RF 收發器是一種低成本、高功率效率的積體電路（ IC ），以低資料速率為應用目標，例如工業和大樓自動化、國防與安全以及環境監視。當將其與一個外部微控制器結合在一起時， EM2420 就符合短距離無線通信的 IEEE 802.15.4 標準。 Ember 可以在這個硬體平臺上裝載其專屬的 EmberNet 軟體，構建自我組織、自我復原（ self-organizing, self-healing ）的網狀網路。此外， Ember 還在同一硬體的設計中考慮了未來與新興的 ZigBee 協定的相容性。為了方便開發， Ember 提供了一個通信模組參考設計，其中將 EM2420 RF 收發器與 Atmel 8 位元 AVR 微控制器整合在一起（圖 3 ）。這個參考設計包括針對設計的 RF 部分之印刷電路板佈局技術。 Ember 還為 EM2420 提供了完整的開發工具組，價格為 13,950 美元。


圖 4 : Crossbow Technology 提供的 MICAz RF 收發器，跨越了其廣泛的感測器網路產品與新興的 ZigBee 標準之間的鴻溝。

Crossbow Technology 是第一批無線感測器網路供應商之一，最近推出了 MICAz ，這是一種用於啟動低功率無線感測器網路的遙感模組（圖 4）。 MICAz 包含一個 IEEE 802.15.4 和 ZigBee 相容的 RF 收發器，工作在 2.4 至 2.4835GHz 的 ISM 頻段。這種模組的 DSSS 無線器件提供了 250kbps 的資料傳輸速率以及範圍為– 10 至 0dBm 的可編程 RF 輸出功率。硬體 MAC 提供 128 位元 AES 加密和認證。 MICAz 的 51 引腳擴展連接器支援類比輸入、數位 I/O 、 I2C 、 SPI 以及 UART 介面。這些介面使得對連接各種外部的週邊設備變得非常方便，包括 Crossbow 的所有感測器板、資料擷取板和閘道。睡眠模式使兩節 AA 電池的壽命延長到超過一年。 MICAz 模組在數量很少的情況下就能夠以 150 美元的價格買到。

自由網路軟體
很多 Crossbow Technology 的感測器模組都具有 TinyOS 的特點，這是一個用於無線內嵌感測器網路的開放原始碼之作業系統。 TinyOS 適用於 RF 和 MEMS （微電機系統）兩種通信技術，除了雙向通信之外，它還提供了即時排程和極端功率守恆演算法。 TinyOS 的元件庫包含網路協定、分散式服務、感測器驅動以及資料擷取工具，可以照樣使用，或者針對常規應用進行修改。鑒於其佔用的潛在記憶體低於 4 kbytes 、以及開放原始碼， TinyOS 在資源有限的感測器網路開發人員中非常流行。 TinyOS 已經被移植到大量的平臺和無數的感測器板上。讀者可以從 www.tinyos.net 網站下載 TinyOS 的最新版本。一個配套的 TinyDB 專案為從 TinyOS 感測器網路中提取資訊提供了一個查詢處理系統。


圖 5 : 即使有了新的通信標準，像這種 Zensys 收發器那樣的專屬低速率產品，仍將滿足很大的市場區隔。

儘管 ZigBee 標準承諾降低收發器的成本，一些廠商還是為各式各樣的低資料速率應用提供了節儉的硬體。 Zensys 供應了一系列 Z-Wave 模組，可以提供完全整合的無線器件，能夠在歐洲未管制的 868.42MHz 頻段和美國的 908.42 MHz 頻段進行通信（圖 5 ）。 ZM1203 是這些產品中的一員，支援無線控制和監視應用，例如住宅照明與電器控制、能源管理、存取控制、安全和大樓自動化。這種模組採用了 Zensys 專屬的 Z-Wave 協定，其特點是幀確認、重傳、碰撞避免、幀校驗和以及資料包路由，以確保全網路的覆蓋。 ZM1203 模組具有一個遮蔽罩，內含 ZW0102 Z-Wave IC 、系統晶體和 RF 前端電路。 ZW0102 包含 RF 收發器、 8051 核心、 SRAM 、用於存儲 Z-Wave 協定及使用者韌體的快閃記憶體、三端雙向控制器和一些選用的硬體介面。 ZM1203 採用城堡型換級觸點將模組附著在 OEM 應用的印刷電路板上，而不是採用台座式連接。天線是工作所需的唯一外部元件。

鑒於其在幾乎所有行業的潛在應用，低資料速率無線技術為網路開發人員提供了最低成本節點硬體、靈活的連接拓撲以及長期的電池供電。像 ZigBee 這樣的新興標準將促使節點晶片量產和通用軟體的發展，從而達到更低的成本。標準還將提供安全傳輸協定以及認證產品製造商之間有保證的互通性。隨著審定的標準和晶片製造商紛紛就緒，可以期待看到低速率無線連網的爆炸性增長。

讀者可以透過以下方式與技術編輯 Warren Webb 聯繫。電話： 1-858-513-3713 ，傳真： 1-858-486-3646 ，電子郵件： wwebb@edn.com 。

要點

  • 透過替代人工完成資料收集和控制任務，低速率網路隨時準備為工業和大樓管理節省大量的資源。


  • 連續監視和控制分散式系統的無線低資料速率網路，可以提供低成本硬體和很長的電池壽命。


  • 新近的 IEEE 標準 802.15.4 為短距離低資料速率網路規定了實體和媒介存取控制通信層。


  • 擁有 60 多家廠商的 ZigBee 聯盟承諾增加其餘的網路、安全和應用層來使這個新標準更完備。


  • 儘管專屬的通信協定目前佔據著主導的地位，新標準為設計人員承諾了更低的成本以及產品互通性。


    • 欲瞭解更多資訊……

    欲瞭解本文中所討論到的產品的更多資訊，請直接聯繫下列任何製造商，並請告知他們您是在 EDN Asia 的台灣版中讀到有關其產品的資訊。


    Atmel Corp

    www.atmel.com

    Crossbow Technology Inc

    www.xbow.com

    Ember Corp

    www.ember.com

    Honeywell

    www.honeywell.com

    Invensys

    www.invensys.com

    Mitsubishi Electric

    www.mitsubishielectric.com

    Motorola

    www.motorola.com


    Philips

    www.semiconductors.philips.com

    Samsung Electronics

    www.samsung.com

    TinyOS

    www.tinyos.net

    Wi-Fi Alliance

    www.wi-fi.org

    Zensys

    www.zen-sys.com

    ZigBee Alliance

    www.zigbee.com

    ZMD

    www.zmd.de

 
訂閱免費印刷版 適合列印版本 將本文寄給朋友
 
文章評分
Average Rate: No rating yet
 
Poor Quite Good Good Very Good Excellent
 
其他文章
 
 
 
網路廣播
 
知識中心
Panasonic的2008年關鍵器件指南 2008:
 
Fairchild Semiconductor :
 
Texas Instruments: DaVinci ™ 技術
 
Texas Instruments: Safe Bet 系列
 
 
分數最高者  
 
意見回饋
GOOGLE提供的廣告 
 
 
 
廣告
新聞稿
 
TECHNOLOGY NEWS
 
資源中心
 
 
產品新聞
 
特別贊助商
 
 
 
設計中心
 
廣告
     
參考設計
   
     
 
 
 
 
 
RSS
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   


     
 
     
Power Technology E-newsletter 
Dual-input, Single-output Power Supply Selector Switch Reduces System Size while Improving Integrity EDNA, February 08
Analog Devices completes sale of CPU voltage and PC thermal monitoring business to ON Semiconductor EDNA, January 08
Fairchild’s Green FPS Power Switches Increase Efficiency, Reduce EMI in Power Supply Designs EDNA, December 08
 
Test and Measurement E-newsletter 
Agilent Technologies與Anite plc建立策略夥伴關係，為無線R&D提供3GPP LTE測試解決方案 EDNA, November 07
Aeroflex 及 Sequans合作加快產品發展及WiMAX測試佈署的腳步 EDNA, October 07
Tektronix的IMS解決方案成功通過產業論壇測試的考驗 EDNTaiwan, September 07
 
 
     
 
知識中心
 
Panasonic的2008年關鍵器件指南 2008:
 
Fairchild Semiconductor :
 
Texas Instruments: DaVinci ™ 技術
 
Texas Instruments: Safe Bet 系列