您当前的位置:五五电子网电子知识单片机-工控设备ARM单片机32位处理器在低功耗、低带宽ZigBee设计中的应用 正文
32位处理器在低功耗、低带宽ZigBee设计中的应用

32位处理器在低功耗、低带宽ZigBee设计中的应用

点击数:7874 次   录入时间:03-04 11:51:14   整理:http://www.55dianzi.com   ARM单片机
当前的消费类市场上,最流行的两个本地无线技术无疑是Wi-Fi和蓝牙。我们已经无法想像如果笔记本、手机以及其他一些手持设备间没有了这些互联协议该怎么办。但是,对于低功耗、低带宽的控制类应用,比如厂房中的传感器网络,ZigBee或许是个更好的选择。配备一个功能强大的处理器后,ZigBee可以在低功耗、低带宽的限制下高效完成很多复杂的应用。
  
ZigBee联盟在2004年首次推出ZigBee规范,该网络主要用于工控、自动化以及监控应用。ZigBee协议是在IEEE802.15.4无线标准基础上定义了一个软件协议栈,适用于低比特(最高到250kbps)应用的IEEE802.15.4标准则定义了无线的物理层,ZigBee协议相当于逻辑网络和应用软件。由200多家成员公司组成的ZigBee联盟负责ZigBee标准并确保符合规范。
  
ZigBee在实际应用中有两点很突出:一是对协议栈低的处理需求,这意味着可以采用低成本的处理器;二是多样的互联方式使得组网方式灵活而稳健。
  
功率:
  
ZigBee网络中无可避免的有些节点采用电池供电。典型的IEEE 802.15.4节点在功耗方面很高效,因为它正是为此目的而设计。这些设备对电池寿命的衡量单位已经不是“小时”而是“年”。
  
在一个信标使能(beacon-enabLED)的网络中,当某个特定设备想要发送数据或者为了确定其在网络中的成员位置而需要唤醒时,就会确定一个所有节点都遵从的时间片方案。一个采用信标的心跳(heartbeat)型连接可以容许网络中的所有节点在大部分的时间内处于关断状态,只是在响应信标间隔时才会部分唤醒。信标间隔可以在0.015到252秒之间,这就使得包括中央协调器在内的所有系统设备在无需响应时保持空闲。
  
在无信标的网络中,许多电池供电的节点可以处于空闲状态。
  
事件检测或者纯传感器类型的节点需要一个处理器,主要用来运行ZigBee协议本身。对于这样的处理负荷,一个8位的处理器就可以应付。8位处理器功耗也很小,这样就可以保证电池的使用寿命,比如Atmel的ATmega32L 8位AVR处理器。
  
遥测应用在终端变得越来越智能的情况下,有个好消息是开发者在性能上的显著提升并不需要比8位处理器增加更多的功耗开销。这是因为现在的嵌入式处理器有能力在一定的电压和频率范围内优化功耗。
  
一个采用Blackfin处理器的高级遥测应用运行在低功耗模式下时,与ZigBee协议栈接口并执行一些基本的信号处理,功率消耗在几十个毫瓦的数量级。
  
再来看一些数据,Blackfin处理器可以运行在一系列的电压和频率上。在最低的0.8V可以跑到250MHz。这个频率可以支持下面的任何一个应用。ZigBee协议栈只会占用很少的MIPS(少于10MIPS)。这就给其他高级处理留下了很多的MIPS,比如JPEG编码或者统计决定。
  
处理器还可以利用它的RTC实时时钟来定期唤醒。在这个模式下,处理器在大部分时间里处于关断或者低功耗状态。RTC电路在专用电池供应下仅消耗不到30 &mICro;A的电流,在一段时间后可以被编程唤醒。
  
网络配置:ZigBee网络可以简单到是两个节点的互通。但是,ZigBee的强项在于它可以在很大范围内处理许多四处发布的传感器、交换点以及控制器。诸如树形和Mesh等众多网络拓扑就克服了在一个大系统中802.15.4无线短距的问题(典型最高到视距70米)。
  
分布与互操作性:ZigBee协议基于IEEE802.15.4 MAC和PHY层,并包含有网络层和应用接口层。另外,ZigBee联盟还定义了一些高层应用框架和应用分布。这些预先定义的应用分布容许开发者在公共应用分布和定制私有分布间进行选择。公共应用分布使得供应商可以共享功能和控制,因此来自不同厂家的产品可以互操作。
  
安全性:ZigBee网络应用的场合中,协议的安全性是个很重要的问题。为了解决这个难题,芯片和系统设计者采用了很多不同方案。其中之一是将安全功能交给特定的硬件加速模块,另一个方法是采用更新的低成本、低功耗的16位或32位嵌入式处理器来软件处理。
  
ZigBee新应用:
  
传统上ZigBee适用于家庭、建筑、工厂以及娱乐系统的控制和自动化,大部分这样的应用只需要一个简单的微控制器。采用高性能的嵌入式处理器后可以实现很多新的ZigBee应用,大体上可以分为以下三类:

第一类:决策者:作为决策者,嵌入式处理器针对指定应用从大量数据中提取相关的基本信息,并把这小部分信息送给网络中的其他节点。



主要需求:迅速决断,低的网络延时
  
举例:指纹识别门禁;安全照相机
  
第二类:媒体压缩/解压缩:虽然ZigBee并不是一个高数据率的协议,但是仍然有可能在ZigBee中很好的传输音视频媒体内容。通过在源端的ZigBee节点上用一个处理器压缩媒体然后在目的ZigBee节点上用另一个处理器解压缩就可以实现这一过程。





主要需求:媒体需要一定的存储空间,为了保证通畅媒体必须快速压缩和解压缩
  
举例:视频门禁
  
第三类: 网关/管理器。ZigBee节点在网关/监控类应用中主要用来把ZigBee网络与其他诸如以太、WiFi或者USB等大量存在的技术进行桥接。具有更多外设集成的嵌入式处理器可以减少物料单。



主要需求:丰富的外设资源包括USB、WiFi、以太以及存储(Flash或硬盘)
  
举例:以太/ZigBee网关;ZigBee USB dongle
  
总结:随着ZigBee的继续发展,基于ZigBee的应用也越来越多。ZigBee系统具有可以快速应用的低功耗可配置的结构,而其特性也促进了安全性。嵌入式处理器在功耗预算范围内可以给终端的应用增加很多功能,这些扩展的功能包括:分析、媒体压缩和网关功能。


本文关键字:处理器  带宽  ARM单片机单片机-工控设备 - ARM单片机