BEERU簡(jiǎn)化短距離無線應(yīng)用

對(duì)于短距離無線應(yīng)用來說，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括一對(duì)一的網(wǎng)絡(luò)、星型或樹型或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。不過，大部分應(yīng)用只需一對(duì)一的系統(tǒng)就已足夠，其次是一對(duì)多的星型網(wǎng)絡(luò)。至于樹型或網(wǎng)狀等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，則是大型系統(tǒng)的應(yīng)用，需求上偏少。使用無線傳輸對(duì)于工程師而言，有幾個(gè)技術(shù)問題需要解決，即如何避免數(shù)據(jù)傳送錯(cuò)誤，如何抗干擾，以及傳輸距離遠(yuǎn)近和傳輸帶寬等相關(guān)問題。

如果環(huán)境中只有一對(duì)一傳輸，則是很簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，但當(dāng)環(huán)境中出現(xiàn)多組一對(duì)一傳輸時(shí)，就必須有傳輸錯(cuò)誤與干擾的處理機(jī)制。要避免數(shù)據(jù)傳送錯(cuò)誤，就需要使用配對(duì)機(jī)制，將發(fā)射器與接收器配成一對(duì)，發(fā)射器和接收器均以ID或地址的方式編號(hào)，讓雙方都只認(rèn)識(shí)對(duì)方，使用這種方式溝通就可避免傳輸錯(cuò)誤。而發(fā)射器和接收器側(cè)就必須有ID或地址的過濾器(可由固件或硬件實(shí)現(xiàn))，只接收正確的設(shè)備進(jìn)入系統(tǒng)。如將系統(tǒng)擴(kuò)充為一對(duì)多的星型網(wǎng)絡(luò)，則必須加入群組的概念：同一群組有相同的組ID，在群組中要有一個(gè)主控端和多數(shù)的從屬端。主控端為群組的管理者，并擁有組ID;加入群組的從屬端必須與主控端配對(duì)，主控端應(yīng)將組ID傳給從屬端。由于每一組的組ID不同，它就不會(huì)與其它組發(fā)生傳輸錯(cuò)誤的情形，讓通信以群組的方式溝通。

如有干擾發(fā)生時(shí)，可以使用下列幾種方式來抗干擾。使用跳頻擴(kuò)頻(FHSS)或直接序列擴(kuò)頻(DSSS)這兩種方法，均可以增加抗干擾能力;在系統(tǒng)可允許的延遲內(nèi)，加入應(yīng)答與重傳的機(jī)制，可以讓傳輸?shù)馁|(zhì)量更好，增加系統(tǒng)的抗干擾能力;另外，也可選擇適當(dāng)?shù)念l率，較少干擾源的頻率可以降低干擾發(fā)生的機(jī)率。

射頻芯片設(shè)計(jì)公司笙科電子(AMICCOM)，為了縮短工程師開發(fā)無線應(yīng)用項(xiàng)目的時(shí)間，在近期推出了2.4GHz DSSS通信應(yīng)用的平臺(tái)，該平臺(tái)稱為BEERU(ZigBEE Radio Unit)。該平臺(tái)為使用者提供了固件通信協(xié)議，該協(xié)議符合Zigbee/RF4CE標(biāo)準(zhǔn)。使用者可以利用BEERU提供的簡(jiǎn)易函數(shù)庫，完成無線應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)。這樣，工程師僅需專注于應(yīng)用層的開發(fā)。BEERU提供的簡(jiǎn)單C語言函數(shù)庫，包含了配對(duì)、解除配對(duì)、數(shù)據(jù)傳送與數(shù)據(jù)接收4個(gè)主要函數(shù)。這樣，利用該函數(shù)庫便可完成整個(gè)無線通信協(xié)議(此協(xié)議就是RF4CE協(xié)議，并已包含NWK層、MAC層和PHY層)。

BEERU套件為一對(duì)一的展示，包含一個(gè)遙控器、一個(gè)接收器(可以使用UART串口或USB虛擬COM口與PC連接)以及PC端的應(yīng)用程序(圖1)。雖然BEERU套件為一對(duì)一的展示，但范例程序無需任何修改，便可直接使用一對(duì)五的星型網(wǎng)絡(luò)。使用者可將自行設(shè)計(jì)的遙控器與接收器配對(duì)，并可將5個(gè)遙控器加入網(wǎng)絡(luò)中。在接收器端也支持UART串口。在驗(yàn)證初期，使用者可以連接自己的系統(tǒng)，在UART串口上解讀數(shù)據(jù)，完成遙控的系統(tǒng)。笙科亦提供了BEERU模塊與參考設(shè)計(jì)，使用者可以直接連接自己的系統(tǒng)上使用。

圖1：BEERU套件。

BEERU平臺(tái)協(xié)議是使用Zigbee/RF4CE的標(biāo)準(zhǔn)，故節(jié)點(diǎn)都是采用64位長度的IEEE地址(或稱為長地址)。接收器為主控端，遙控器位從屬端。每個(gè)群組ID長度為16位，稱為PAN ID。當(dāng)接收器執(zhí)行冷啟動(dòng)時(shí)，會(huì)經(jīng)由內(nèi)部的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器與函數(shù)產(chǎn)生。故每個(gè)接收器擁有不同的PAN ID。當(dāng)遙控器與接收器配對(duì)時(shí)，雙方使用長地址進(jìn)行配對(duì)。接收器接收配對(duì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一組短地址(16位)，并將PAN ID與短地址傳給遙控器，爾后，接收器與遙控器都使用PAN ID與短地址通信。

圖2：A7153內(nèi)部方框圖。

BEERU平臺(tái)使用了笙科電子的A7153芯片(圖2)。A7153是2.4GHz的射頻收發(fā)芯片，支持IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的PHY層與MAC層。IEEE802.15.4的PHY層是使用DSSS的調(diào)制方式，所以BEERU本質(zhì)上就具有良好的抗干擾能力。A7153內(nèi)置硬件地址過濾器，可減少固件的執(zhí)行負(fù)荷。BEERU所使用的頻率是2425/2450/2475MHz(IEEE802.15.4通道15,20,25)，這三個(gè)頻率是挑選過的適當(dāng)頻率，可以減少WIFI干擾的機(jī)會(huì)(圖3)。

圖3：IEEE802.15.4(Zigbee)與IEEE802.11(WIFI)使用的頻率與占用帶寬。

如果干擾真的發(fā)生，BEERU內(nèi)置的載波偵聽多路訪問/沖突避免(CSMA/CA)機(jī)制的溝通方式，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)應(yīng)答與自動(dòng)重傳。BEERU在發(fā)射前會(huì)先確認(rèn)通道是否被占用，如被占用就隨機(jī)等待一段時(shí)間后再發(fā)射。如發(fā)射后遇到干擾，遙控器沒有收到接收器的響應(yīng)，會(huì)在同一頻率再發(fā)射1次(最多發(fā)射4次)，直到接收到響應(yīng)為止。如未收到響應(yīng)，它將改變頻率再發(fā)射一次，并在3個(gè)頻率點(diǎn)周而復(fù)始地發(fā)射，直到接收到響應(yīng)。以范例程序而言，當(dāng)發(fā)射3秒后，他將終止發(fā)射，在3秒內(nèi)大約會(huì)重傳300次，使用者可依據(jù)自己的系統(tǒng)需求，設(shè)定終止時(shí)間。為了增加使用電池的使用時(shí)間，BEERU提供的函數(shù)可將發(fā)射功率變小，以達(dá)到省電的功能。

笙科電子(AMICCOM)公司主要的產(chǎn)品線為2.4GHz短距離無線通信，低于1GHz的短距離無線通信與LNB衛(wèi)星通信產(chǎn)品。全系列產(chǎn)品均符合工業(yè)規(guī)格(工作溫度在-40℃~85℃)，并提供了完整的參考設(shè)計(jì)。

綜上所述，BEERU的能力非常優(yōu)異，擁有良好的抗干擾能力，使用2.4GHz的DSSS調(diào)制，可于全球各地使用。利用BEERU提供的簡(jiǎn)易函數(shù)庫，使用者便可以輕易地實(shí)現(xiàn)配對(duì)與解除配對(duì)。只需要呼叫函數(shù)，就可以將數(shù)據(jù)經(jīng)由射頻傳出或是從射頻收到數(shù)據(jù)。使用者確定應(yīng)用功能后，就可以將無線傳輸完全交給BEERU平臺(tái)，而無需花費(fèi)時(shí)間。它非常適合小型的一對(duì)一或一對(duì)五的星型網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。接收器支持串口，可輕易的連接到已有的平臺(tái)，從而輕松地完成無線通信。BEERU提供了完整的說明與參考設(shè)計(jì)，笙科還可以提供就近的技術(shù)支持，從而讓短距離無線應(yīng)用變得簡(jiǎn)單。