什么是ZigBee通信？實例分析自供電開關(guān)實現(xiàn)ZigBee傳輸

ZigBee，也稱紫蜂，是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)上協(xié)議，底層是采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的媒體訪問層與物理層。主要特色有低速、低耗電、低成本、支持大量網(wǎng)上節(jié)點、支持多種網(wǎng)上拓?fù)洹⒌蛷?fù)雜度、快速、可靠、安全。

ZigBee譯為"紫蜂"，它與藍(lán)牙相類似。是一種新興的短距離無線通信技術(shù)，用于傳感控制應(yīng)用(Sensor and Control)。由IEEE 802.15工作組中提出，并由其TG4工作組制定規(guī)范。

2001年8月，ZigBee Alliance成立。2004年，ZigBee V1.0誕生。它是Zigbee規(guī)范的第一個版本。由于推出倉促，存在一些錯誤。2006年，推出ZigBee 2006，比較完善。2007年底，ZigBee PRO推出。2009年3月，Zigbee RF4CE推出，具備更強的靈活性和遠(yuǎn)程控制能力。2009年開始，Zigbee采用了IETF的IPv6 6Lowpan標(biāo)準(zhǔn)作為新一代智能電網(wǎng)Smart Energy(SEP 2.0)的標(biāo)準(zhǔn)，致力于形成全球統(tǒng)一的易于與互聯(lián)網(wǎng)集成的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡(luò)通信。隨著美國及全球智能電網(wǎng)的建設(shè)，Zigbee將逐漸被IPv6/6Lowpan標(biāo)準(zhǔn)所取代。ZigBee的底層技術(shù)基于IEEE 802.15.4，即其物理層和媒體訪問控制層直接使用了IEEE 802.15.4的定義。

設(shè)計與能量收集源一起使用的ZigBee應(yīng)用程序帶來了許多挑戰(zhàn)。使用最困難的收割機之一是自供電開關(guān)，因為產(chǎn)生的能量很少。利用超低功耗的Jennic JN5148微控制器，可以設(shè)計一個由SPS供電的工作應(yīng)用程序，只需100 uJ的能量即可實現(xiàn)三個基于ZigBee的傳輸。

能量收集作為無線傳感器的發(fā)電方法，為可持續(xù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案帶來了潛力，使關(guān)鍵問題成為持續(xù)的維護(hù)成本和電池處理的環(huán)境問題。使用高性能32- JN5148內(nèi)部的RISC CPU內(nèi)核用于快速處理，結(jié)合器件在睡眠狀態(tài)和工作時的超低功耗，使設(shè)計人員能夠使用通常被認(rèn)為無足輕重的能量水平來產(chǎn)生足夠的功率來激活超級 - 低功耗Jennic微控制器。

Jennic最近與多家能源采集供應(yīng)商合作，致力于為基于標(biāo)準(zhǔn)的W標(biāo)準(zhǔn)提供可持續(xù)電源。無源傳感器網(wǎng)絡(luò)。

自供電開關(guān)

一種特別感興趣的能量收集源是自供電開關(guān)(SPS)，它通?？梢允褂秒娮訖C械或壓電傳感器來產(chǎn)生一個小電壓脈沖。按下開關(guān)的物理動作。

這類收割機可用于門激活觸點，落地式壓力開關(guān)和燈開關(guān)等應(yīng)用。無線開關(guān)不需要電池，由于環(huán)境內(nèi)涵使其對消費者具有吸引力，并且維護(hù)成本低。缺少電線使得它們在任何表面上安裝都很容易且成本低廉。

SPS產(chǎn)生的能量脈沖通常是明確定義和可重復(fù)的，但是，產(chǎn)生的能量可能非常小(低至150 uJ in在某些情況下并且由于在開關(guān)的連續(xù)致動之間可能存在很長時間，因此在壓力機之間通常不存儲可用的能量。由于這些原因，SPS是利用和實現(xiàn)工作解決方案的最困難的能量收集源之一，即使使用JN5148，也存在許多設(shè)計挑戰(zhàn)。

典型的ZigBee傳輸簡介

圖1顯示了典型的基于ZigBee的傳輸使用JN5148。設(shè)備喚醒并從外部閃存將程序加載到RAM中，然后初始化MAC軟件層。然后程序運行一些校準(zhǔn)程序以優(yōu)化無線電性能。這些通常在每次芯片喚醒時執(zhí)行，以防芯片處于睡眠狀態(tài)時環(huán)境溫度發(fā)生顯著變化。該程序使用ADC和數(shù)字I/O進(jìn)行一些測量，處理數(shù)據(jù)并生成要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的有效載荷，然后設(shè)備執(zhí)行CCA(清除信道評估)以檢查信道是否不忙以便改進(jìn)接待的機會。接下來，它將有效載荷作為ZigBee分組發(fā)送，然后進(jìn)入接收模式以等待幀確認(rèn)。如果CCA失敗或未收到確認(rèn)，則可以通過進(jìn)一步的延遲和重傳來增加簡檔。最后，設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)，如果有數(shù)據(jù)要保留，則RAM可以通過休眠保持。但是，如果睡眠時間很長，那么將數(shù)據(jù)寫入閃存可能更有效(此配置文件中未顯示)。

基于自供電開關(guān)實現(xiàn)ZigBee的傳輸

圖1：典型ZigBee傳輸?shù)呐渲梦募?。雖然圖1中討論的能量曲線很小(2 V時為300 uJ)，但這仍然可能超過自供電開關(guān)的能量曲線，這意味著典型的ZigBee應(yīng)用程序可能不適合與此源一起使用。這一事實得到了ZigBee聯(lián)盟的認(rèn)可，該聯(lián)盟有一個工作組來制定ZigBee綠色電力標(biāo)準(zhǔn)。 Jennic是ZigBee聯(lián)盟的成員。

在撰寫本文時，該標(biāo)準(zhǔn)仍在開發(fā)中。對于一類具有降低功能的設(shè)備提出了建議，以滿足一些收獲源可用的最小能量預(yù)算。這些提議包括諸如減少的網(wǎng)絡(luò)報頭和傳輸被發(fā)送至少三次的方面，使得可以在不需要CCA或幀確認(rèn)的情況下實現(xiàn)成功傳輸?shù)牧己酶怕?。這不僅降低了能量需求，而且使其更加明確，這對于只有有限脈沖能量的應(yīng)用非常重要。此外，建議不要求設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)，但允許設(shè)備漫游，僅執(zhí)行廣播傳輸。

考慮到這些提議，設(shè)計了具有絕對最小功率要求的應(yīng)用程序。適用于SPS等信號源。

超低功耗應(yīng)用

Jennic JN5148 SPS應(yīng)用的能量曲線如圖2所示。設(shè)備喚醒，加載程序，校準(zhǔn)無線電，以全輸出功率(2.5 dBm)發(fā)射，然后進(jìn)入短暫休眠狀態(tài)，然后再喚醒兩次以執(zhí)行兩次后續(xù)傳輸。由于沒有能量存儲，因此設(shè)備必須在第一次傳輸之前進(jìn)行完全初始化和校準(zhǔn)。然而，它然后能夠與保留在RAM中的寄存器值一起休眠，以便對于后續(xù)傳輸，喚醒和初始化時段非常小。由于睡眠周期很短，因此可以假設(shè)沒有溫度變化，因此可以重復(fù)使用初始無線電校準(zhǔn)的值。

圖2：自供電開關(guān)應(yīng)用的配置文件。

由于設(shè)備正在執(zhí)行僅傳輸操作，因此IEEE 802.15.4 MAC初始化顯著減少。這與1千字節(jié)的小代碼大小相結(jié)合意味著初始程序負(fù)載和設(shè)置減少到最低限度。傳輸之前的CCA已被刪除，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包現(xiàn)在長度為21個字節(jié)，包含減少的ZigBee報頭和6個字節(jié)的有效載荷。由于代碼大小現(xiàn)在非常小，因此低成本EEPROM用于保存應(yīng)用程序代碼，并且還存儲MAC序列號，每次按下開關(guān)時，MAC序列號遞增并寫回EEPROM。

完整的解決方案是使用50μA電荷(在2v下100uJ)實現(xiàn)。 Jennic解決方案已經(jīng)通過市售的自供電開關(guān)進(jìn)行了演示，以實現(xiàn)至少三次成功的變速箱。