怎样构建低成本无线网络及nRF与Zigbee对比

1、白皮书如何构建低低成本无无线网络络及nRRF与ZZigbbee对对比低成本，低低电流，低低活动率率的网络络在工业和国国内的仪仪器仪表表控制等等领域，人人们对智智能开发发，自我我形成的的数据网网络方面面的兴趣趣与日俱俱增。对对于这样样的网络络最基本本的应用用是数据据采集，如如抄表，参参数显示示，温度，压压力，运运动等。而而一些控控制元件件也包含含在所设设想的功功能内。 这这并不是一一个新的的想法，事事实上，这这种应用用程序已已经存在在。对于于这种类类型科技技大规模模应用的的真正阻阻碍历来来就是电电流消耗耗和单位位成本。Norrdicc 半导导体公司司已经发发布的“E”系列智智能收发发器对于于这些

2、挑挑战提供供了无与与伦比的的解决方方案。挑战小小规模的的独立智智能方案案今日的主要要挑战是是什么？利用无无线方案案解决的的应用是是典型的的低传输输活动率率设备，例例如温度度控制器器，报警警和其他他基于合合理的偶偶发事件件或轮询询系统的的触发信信息交换换的单位位。因此此，要发发展一个个能实现现这些功功能的系系统，独独立的智智能技术术在所有有网络节节点中都都是必需需的。然然而，有有一个权权衡利弊弊的行为为要在这里里得到解解决。以以蓝牙技技术为例例，由于于它固有有的设计计，存在在延迟以以及电流流消耗过过多等问问题。单单位成本本实际上上也从来来没有下下降到“神奇的的” 5.000美元元。这也也有效排除

3、除了蓝牙牙技术作作为这些些应用的的解决方方案。 Ziigbeee的 TM 是另一一个推荐荐的解决决方案，但截至至20005年55月，尚尚未一个个被批准准的标准准。该系统统已经要要求一个个主节点点要有332K到到1288K的堆堆栈大小小，而这这一数字字也是只只增不减减。Norrdicc半导体体开发的的“E”系列设设备目前前可谓一个完完美的在在性能和和成本方方面适合合的专有有网络。其包括一个收发器系统，该系统结合MAC层地址和CRC纠错。此外，单独的该设备还存放4K的8051微控制器和一个9通道，10位ADC和一个脉冲宽度调制。这对于开发简单的星形或树形网络以及实施应用程序的功能来说已经足够了。经

4、济上可行产品的关键是要获得足以实现可靠的无线功能的复杂度和简洁性之间的平衡，同时还要保证目标成本和电流消耗降至最低。ZigBeeeTMM 和 IEEEE 8022.155.4Zigbeee是一一种近年年来才兴兴起的无无线网络络通信技技术标准准。它出出现的时时间较短短，20004年年底才由由Ziggbeee联盟发发布了11.0版版本规范范，尚未未进入大大规模的的商业化化生产和和应用;但是，它它的上升升势头十十分明显显，已有有Chiipcoon、FFreeescaale、CComppXs、EEmbeer四家家公司在在今年44月通过过了Ziigbeee联盟盟对其产产品所作作的测试试和兼容容性验证证。

5、预计计从20006年年开始，基基于Ziigbeee的无无线通信信产品和和应用会会迅速得得到普及及和高速速发展。Zigbeee一词词源自蜜蜜蜂群在在发现花花粉位置置时，通通过跳ZZigZZag形形舞蹈来来告知同同伴，达达到交换换信息的的目的。可可以说是是一种小小的动物物通过简简捷的方方式实现现“无线”的沟通通。人们们借此称称呼一种种专注于于低功耗耗、低成成本、低低复杂度度、低速速率的近近程无线线网络通通信技术术，亦包包含寓意意。IEEE 8022.155.4网网络是指指在一个个POSS内使用用相同无无线信道道并通过过IEEEE 8802.15.4标准准相互通通信的一一组设备备的集合合，又名名LR

6、-WPAAN网络络。在这这个网络络中，根根据设备备所具有有的通信信能力，可可以分为为全功能能设备和和精简功功能设备备。FFFD设备备之间以以及FFFD设备备与RFFD设备备之间都都可以通通信。RRFD设设备之间间不能直直接通信信，只能能与FFFD设备备通信，或或者通过过一个FFFD设设备向外外转发数数据。这这个与RRFD相相关联的的FFDD设备称称为该RRFD的的协调器器。IEEEE 8022.155.4是是ZiggBeee, WWireelesssHAART, 和MMiWii规范的的基础。目前有待引引进进入入市场的的ZiggBeee设备以及及与他相相关的IIEEEE 8002.115.44标

7、准有有些混乱乱。将ZiigBeee TTM和IEEEE 8802.15.4区别别开来则则显得非非常重要要。IEEEE 8002.115.44标准针对对的是处处于2.4GHHz, 8688MHzz 以及及 9115MHHz的射射频物理理层和MMAC（介介质访问问）层。ZigBee已经这个标准作为它自身通信标准的基础，然而他们并不是同一个，而是单独出现的硬件和软件方面的实体。因此，要理清当前情形，以IEEE 802.15.4为标准的收发器被生产出来进行操作。另外，一个ZigBee TM 栈通常由外部微控制器或处理器的独立厂商来实施。互操作性问问题目前有统一一标准的的趋势，而而这个标标准可以以保证整

8、整个行业业不同供供应商产产品之间间的无缝缝操作性性。蓝牙牙技术正正是为这这以目标标实现而而努力的的成果，如如今蓝牙牙已被认认为是一一个成熟熟的技术术，但其其操作性性问题仍仍然没有有完全解解决。蓝牙的的制定标准准有严格格的资格格审查程程序，而而这能确确保应用用的互操操作性实实现，而而ZiggBeee目前没没有这样样的要求求。现实实的挑战战是如何何确保你你的家用用温度控控制器能能够使用用同一种种第三方方机器语语言。确确实会有有兼容性性问题出出现，而而且产品品存在着着有违规规装置的的风险。总之，没有资格的标准会为奸商打开生产便宜、兼容性差、不合格产品的方便大门。许多开发人员会更喜欢有自己的专有系统，

9、并且融入供应商的理念，这样能创造出更多消费者愿意购买的产品。让客户选择其他竞争对手的产品会损害制造商的利益。像ZigBee那样坚持保障群体的利益是一种法律责任更为自己创造了更好的机会。在开发人员设计过程中，标准可以限制和减少提供给应用程序的自由度。产品制造商将不得不考虑竞争对手所有可能的设备，这些设备可能与他们自己的系统相连接。如果由其他供应商的接口是无效的，那将会降低整体通信系统的效率。带宽效率IEEE 8022.155.4标标准是基基于直接接序列扩扩频（DDSSSS）技术术。直接序序列扩频频技术具有有良好的的抗干扰扰能力强强的特点点，但这这并不是免费费的。扩扩频编码码的方式式，是以以每更多

10、比特特传输数数据的带带宽消耗耗为代价价来提高高抗干扰扰能力。对对于2.4GHHz nnRF224xxx设备来来说，11MBSS通道占用用宽度为11MHzz，带宽宽效率为为1位/ Hzz。对于IEEEE 8022.155.4标标准设备备来说，比比特率为为2500kbss，超过过0.0083比比特/赫赫兹的33MHzz带宽。因因此nRRF244x1设设备支持持支持883个防冲撞独立立频道，而而不是根根据计划划提供的的16个个独立通通道。同样，在欧欧洲业务务的8668MHHZ频段段，IEEEE 8022.155.4提提供最大大数据速速率在220kbbs的信信道。相比比之下，nnRF9905的的可以支

11、支持7个个速率为为50kkbs的的独立信信道。这这两个信信道分配配和相关关速率等数数据如图图图1aa和图11b所示示。图1a Norrdicc NRRF TTM 和和ZiggBeee TMM 为22.4GGHz的的信道分分配图1b Norrdicc NRRF TTM 和和ZiggBeee TMM 为8868MMHZ的的信道分分配nRF244xx 和 nRRF9xxx系列列已经发发展到可可以使用用MACC层协议议来处理理芯片。与此同时，它也保持尽可能轻巧，以确保在空中运行的最少时间。通过比较一个IEEE 802.15.4设备的传输包和一个典型的低数据速率NRF数据包可以说明这一点。举个例子，如果

12、使用32位的有效载荷组成一个16位温度读数，还包括控制字节的有效载荷信息。要封装到一个包，需要有一个额外8位的前序编码，以及32位寻址码和8位CRC校验码，这样数据包所需的数据总共是72位。而同样的信息根据IEEE 802.15.4标准传输则需要152位。Nordiic半导导体NRRF TTM 设设备的包包组装部部件为：8位前序编编码32位地址址ID32位数据据净负载载8位CRCC校验码码在IEEEE 8002.115.44标准下下，使用用同一个个包功能能的兼容容设备需需要包括括以下部部分：32位前序序编码8位限制帧帧8位帧长16位控制制帧32位地址址认证32位数据据净负载载16位校验验帧该例

13、子列出出了典型型的通信信包，该该包以低低数据速速率和低低活动率率（网络络数据的的有效载载荷为332位）进行传输。对于一个典型的短距离设备，nRF TM数据速率也比IEEE 802.15.4兼容设备高出4倍。因此，在这种情况下，NRF TM 设备将消耗仅为一个IEEE 802.15.4设备所需电池量的12.5。同样重要的是，NRF TM 设备在空中的时间也仅为IEEE802.15.4设备的12.5，这将反过来减少碰撞发生的概率。图2显示了作为一个数据包大小为nRF24xx和ZigBee TM 替代品功能的通信效率。这个例子没有考虑到一个与IEEE 802.15.4兼容的微控制收发器导致的更大的电

14、流消耗。图2 通通信效率率：nRRF TTM与ZiggBeee TMM设备对对比（一一个通信信包有效效载荷的的百分比比）6、系统在在设计方方面的紧紧凑性 nRRF TTM “E” 系列设设备无可可比拟的的紧凑高高集成度度成为必需的的关键应应用。整个系系统可以以由一个钮钮扣电池池来供电电并且实实现数据据应用，而而这是典典型的ZZigBBee TM 的目标标。一个如如图3所示示具有完完整功能能的系统统可用不小小于200mm15mmm的印印痕来完完成设计计。所有有“E”系列器器件芯片片上具有有ADCC的功能能，以及及与外界界相接的的用来提提供充足足数据的的数字化化接口，无无论是模模拟数据据或是数数字

15、数据据。因此此我们可可以看到到，整个个系统由由射频物物理层到到应用软软件可以以由一个个简单的的单一设设备单位位来完成成。图 3一个单单一系统统设备的的逻辑布布局（Norrdicc半导体体“E”系列）另外，当前前ZiggBeee解决方方案是在一个个设备中中使用物物理层和和MACC层，同同时处理理和应用用程序的的功能在在一个独独立的中中等规模模的单片片机中完完成。而而这有更更大的电电流需求求，同时时印迹也也会超过过Norrdicc半导体的的nrff tmm“E”系列设设备。图 4 典型型的ZiigBeee TTM 系系统7、通信的的可靠性性具有独立节节点的无无线网络络将不可可避免地地遇到因因试图在

16、在同一时时间重叠叠通信沟沟通的节节点包而而造成的的碰撞。碰碰撞的概概率是由由网络中中的独立立节点的数目，轮轮询/报报告频率率，传输数数据速率率和实际际大小/格式来来决定的的。在相相同频段段下的其其他无线线设备的工工作也将将增加碰碰撞的概概率，并并可能造造成破坏坏性的干干扰。IIEEEE 8002.115.44设备和nRFF TMM设备有不不同的方方法在有有碰撞环环境下实实现可靠靠的通信信。IEEEE 8022.155.4标标准是基基于公差差带内噪噪声的DSSSS拓扑扑技术。这这意味着着，这种种装置可可以处理理一定量量的没有有数据丢丢失的同同一信道道的干扰扰。DSSSS收收发器在在噪声下运运行的

17、性性能依赖赖于干扰扰器的功率率和噪声声特性以以及DSSSS收收发器的的处理增增益。另外，收收发器前前端的质质量影响响着整体体的性能能。应当当指出的的是，DDSSSS收发器器经常能能够免受受噪声的的干扰是是一种误误解，因因为它绝绝不能免免疫带内内噪声。在欧洲868MHz频段的频率限制使得IEEE 802.15.4标准在处理增益方面有一定的局限性，这导致其与传统的DSSS系统相比有更低的噪声容限。在这方面最突出的是具有较低数据速率DSSS，由于持续时间较长的数据包，而具有更好的整体性。因此，这也导致了更多的电流消耗。另一个问题是在868MHZ的单通道带的网络系统处理高峰周期的能力下降。nRF TT

18、M设备备则是基于于一个完完全不同同的方式式。它的理理念是在在尽可能能高的数数据速率率带宽高高效调制制途径下下传输数数据。其其结果是是更快的的数据传传输速率率导致更少少的无线线媒介占占用，同同时也允允许更多的替代代传输通通道的数数量以防防止干扰扰和高峰峰周期的的出现，代代价则是是对窄带带干扰的的承受能能力更差差。但是是，应该该指出的的是，占占用带宽宽很窄是是由于GGFSKK的调制制。由于于数据速速率的提提高，数数据碰撞撞的概率率也相应应减少。碰撞如果能被提前发现，数据则可以即时或稍后通过其他途径进行转移。由于较短的传输时间，电池功耗也会降至最小。8、总结本文尝试着着从功能能上总结结一下IIEEE

19、E 8002.115.44标准和和ZiggBeee TMM 协议议栈之间间的区别别。一个个明显的的典型的的事实是是，IEEEE 8022.155.4是是在硬件件上收发发器的基基础上实实现的，然然而ZiigBeee ttm是在在上述提提到的由由中等规规模微控控制器控控制收发发器的基基础上实实现的。抛抛开这个个区别不不说，对对于基于于IEEEE 8802.15.4的可可兼容的的收发器器和Noordiic半导导体nRRF244xx以以及nRRF9xx5“EE”设备备之间的的其它差差别来说说，Noordiic半导导体的设设备将收发器器和带有有10位位模数转转换器的的小型微微控制器器合并在在一起。我们所

20、设想的具有低数据速率，低活动性的传感器网络的功能是提供可靠通信的前提，而为它提供能量的电池的耐久力则是以年而不是月来计算的。已经被证明的是，典型的NRF TM 系列设备可以同时拥有仅仅相当于IEEE 802.15.4兼容设备12的电流消耗和无线广播的时间周期。对于nRF TM E设备来说，一个重要的因素是其操作电源电压已经可以下降到1.8V的水平。这说明其允许容忍的压降为一个典型的2AAA电池组的1.2V，而一个标准的操作电压为2.7V的设备无法承受只有0.3V的压降。这一事实也将在为实现以年计的电池寿命而努力的过程中扮演关键的角色。IEEE 8022.155.4设设备和nnRF TM设设备有不不同的方方法来实实