揭示實現(xiàn)單芯片無線ZigBee應(yīng)用解決方案所需的各項功能

Magnus Pedersen愛特梅爾公司無線解決方案總監(jiān) 

ZigBee^®是作為開放式全球標(biāo)準(zhǔn)而開發(fā)的無線技術(shù)，可以滿足低成本、低功耗無線設(shè)備到設(shè)備 (M2M) 網(wǎng)絡(luò)的獨特要求。隨著這種技術(shù)正迅速成為無線領(lǐng)域的首選協(xié)議，較近業(yè)界針對家庭自動化、智能能源、樓宇自動化和醫(yī)療保健等多個初始無線市場發(fā)布了數(shù)個ZigBee公共規(guī)范 (ZigBee public profile)，并迅速成為主流協(xié)議。同時，ZigBee RF4CE針對用于消費電子的RF技術(shù)，已被定義為射頻遙控的新標(biāo)準(zhǔn)。RF4CE標(biāo)準(zhǔn)能夠?qū)崿F(xiàn)非‘視距’ (line of sight) 遙控操作，也就是說目標(biāo)設(shè)備在遙控器視線以外也仍然能夠遙控操作。該標(biāo)準(zhǔn)基于 IEEE 802.15.4 ，并將在消費電子應(yīng)用領(lǐng)域取代紅外遙控裝置，后者目前的年出貨量達50萬個單元。隨著ZigBee解決方案逐漸變成‘現(xiàn)實’，設(shè)計人員開始尋找具備集成式功能以提供完整解決方案的較佳方案。

這些新無線協(xié)議的發(fā)布，意味著設(shè)計人員必須擁有支持這些協(xié)議的合適硬件和集成式單芯片解決方案。不少公司，比如愛特梅爾 (www.atmel.com/wireless)，就擁有這樣的完全集成的解決方案，在一個單芯片解決方案中集成了該公司的專有AVR^®微控制器和一個RF 收發(fā)器。該RF 收發(fā)器是一款低功耗2.4 GHz無線收發(fā)器，專門針對工業(yè)和消費IEEE 802.15.4、ZigBee、6LoWPAN、RF4CE 和高數(shù)據(jù)率2.4 GHz ISM band applications. The radio transceiver is a true peripheral block of the Atmel megaAVR microcontroller. This single-chip solution includes all RF-critical components except the antenna, crystal and decoupling capacitors. These solutions are especially suitable for low-power wireless applications, such as wireless sensor networks, industrial control, sensing and automation, residential and commercial automation, health care, consumer electronics and PC peripherals. 

Since many wireless applications require ultra-low power consumption to enable longer battery life for portable applications, it becomes increasingly more important to keep the power low in the hardware solution. Atmel’s wireless solution does exactly that and also enables a reduced development cost and decreases design time and ultimately production costs for the system engineers.

Hz應(yīng)用而設(shè)計。 

在單芯片解決方案中，有數(shù)項功能是為設(shè)計人員提供較終解決方案所必須的，其中包括出色的RF性能 、低功耗、AES 128位加密引擎、天線分集和高數(shù)據(jù)率以及多用途硬件加速器。

無線單芯片解決方案必須具有出色的RF性能，或者更高的鏈路預(yù)算，以確保無線系統(tǒng)設(shè)計的穩(wěn)健可靠。鏈路預(yù)算定義為接收器 (RX) 靈敏度和發(fā)射器 (TX) 輸出功率之間的動態(tài)范圍。良好的解決方案必須能夠以較小的電源電流，提供業(yè)界領(lǐng)先的RX靈敏度和TX 輸出功率。設(shè)計人員也可以使用天線分集功能來進一步提高無線系統(tǒng)的穩(wěn)健性。

另外，在設(shè)計產(chǎn)品時，盡量減小耗電量以延長電池壽命并降低總體維護成本也是非常重要的。電池供電的無線設(shè)備可能是調(diào)溫器和環(huán)境傳感器、或者是氣表和水表，而它們大部分時間都處于睡眠狀態(tài)。這些設(shè)備一般都采用ZigBee應(yīng)用來傳輸數(shù)據(jù)，因此只有很少一部分時間在‘工作’。無線產(chǎn)品的典型壽命要求，是在單電池供電下的12-15年免維修使用期。使用較新的低功耗技術(shù)也將會拓展無電池裝置和能量收集設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域。

安全性是另一大關(guān)鍵特性。ZigBee應(yīng)用需要利用先進加密標(biāo)準(zhǔn)AES來進行數(shù)據(jù)的加密和解密�，F(xiàn)在有一些基于軟件的加密解決方案，但其處理速度卻很受限制。不過，利用愛特梅爾的解決方案，可以采用硬件來實現(xiàn)加密引擎，因此能夠確保很高的加密性能，這樣，設(shè)備用于處理上的時間減少，而有更多的時間是處于睡眠模式中，因此能夠節(jié)省能量。此外，這種加密功能增添到高速通信中又不會對性能造成任何影響，這就使它成為那些要求安全性、加密通信和低功耗的無線和電池供電應(yīng)用的理想解決方案。

天線分集通常也稱為空間分集，是眾多采用兩個或更多條天線來提高無線鏈路的質(zhì)量及可靠性的無線分集方案的一種。在這個例子中，信號是在多條路徑之間被反射后才被接收，而不是在發(fā)射器和接收器之間的普通清晰視距內(nèi)被接收。當(dāng)信號來回反彈時，可能會產(chǎn)生額外的環(huán)境干擾。天線分集方案對緩減這類多路徑效應(yīng)十分有效，器件會從兩條天線中選擇RF信號路徑較可靠的一條，以轉(zhuǎn)移器件中的額外干擾。

若系統(tǒng)要求較高的數(shù)據(jù)吞吐量，其無線設(shè)備的設(shè)計便需要有更大的數(shù)據(jù)率。象愛特梅爾的單芯片無線解決方案等解決方案，就能夠提供高達每秒2 Mbit的高數(shù)據(jù)率。利用更高的數(shù)據(jù)率，就可以大幅度減少空中傳輸時間，節(jié)省更多的能量。另外，更高的數(shù)據(jù)率還能夠?qū)崿F(xiàn)需要更大數(shù)據(jù)吞吐量的應(yīng)用，例如視頻門禁系統(tǒng)等產(chǎn)品的音頻及視頻傳輸。更高數(shù)據(jù)率的關(guān)鍵問題在于必須確保它不會影響到任何其它功能，而愛特梅爾的產(chǎn)品就能夠做到這一點。

愛特梅爾推出的無線器件ATmega128RFA，是瞄準(zhǔn)ZigBee 和 IPv6/6LoWPAN等標(biāo)準(zhǔn)兼容解決方案來設(shè)計的。它們適合于專有無線網(wǎng)格網(wǎng)操作系統(tǒng) (OS)，如Synapse SNAP® 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。而且，它們還將實現(xiàn)無線網(wǎng)格網(wǎng)，以提高產(chǎn)能，加快應(yīng)用開發(fā)和空中編程。設(shè)計人員可以擁有立刻可用 (ready-to-use) 的無線MCU解決方案的所有功能和SNAP OS附帶的各種工具及特性。

SNAP能夠提供真正的端到端網(wǎng)格網(wǎng)，這種網(wǎng)絡(luò)具有即時啟動、自我修復(fù)、多跳以及可靠支持愛特梅爾的數(shù)據(jù)率等多項優(yōu)勢。此外，Synapse Portal無額外的成本，并提供有完整的軟件開發(fā)環(huán)境，能夠輕易、快速又可靠地開發(fā)應(yīng)用。再結(jié)合SNAP Connect，應(yīng)用就可以無縫延伸到互聯(lián)網(wǎng)，并與全球任何地方的其它設(shè)備進行交互。SNAP支持標(biāo)準(zhǔn)遠程過程調(diào)用 (RPC)，可以把愛特梅爾 MCU作為網(wǎng)絡(luò)中一個完全成熟獨立的計算機，從而充分發(fā)揮其能力。

對任何無線產(chǎn)品而言，其功能性和性能都取決于實際所采用的硬件和固件，故應(yīng)該確保較大的靈活性和更少的無線系統(tǒng)維護成本，比如應(yīng)具有空中升級 (OTAU) 功能以備未來固件升級之用。ZigBee及其它無線應(yīng)用都包含了完全透明的穩(wěn)健可靠的OTAU功能性，這樣一來，在系統(tǒng)升級的同時，應(yīng)用仍然可以保持運行狀態(tài)。

較后，選擇正確的無線微控制器解決方案至關(guān)重要。理想的解決方案應(yīng)該具有所有必需的功能，而且這些功能集成在單芯片上，以節(jié)省板上占位空間，降低功耗；并實現(xiàn)ZigBee及其它無線產(chǎn)品。

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