圖 5 — 主要低功耗無(wú)線硬件選擇標(biāo)準(zhǔn)
上述選擇標(biāo)準(zhǔn)適用于本文所討論的有關(guān)協(xié)議，也是在實(shí)施最終解決方案評(píng)估硬件時(shí)可借鑒的重要依據(jù)。我們還應(yīng)處理一些系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題，如硬件的物理尺寸，因?yàn)檫@會(huì)限制MCU和/或無(wú)線電的選擇。在某些情況下，在單個(gè)器件上集成了MCU和無(wú)線電的片上系統(tǒng)(SOC)是一款具有最佳尺寸與特性的解決方案。而在其它情況下，尺寸的限制意味著支持集成模擬功能的 ADC 等會(huì)決定 MCU 的選擇。此外，硬件的選擇還會(huì)受到協(xié)議本身對(duì)存儲(chǔ)器和 MCU 資源要求的影響。如果協(xié)議實(shí)施的資源要求對(duì)MCU的應(yīng)用性能有一定局限，那么設(shè)計(jì)人員就可選擇專門用來(lái)支持實(shí)施方案的無(wú)線應(yīng)用處理器，如ZigBee 協(xié)議棧處理器，這樣就能讓“應(yīng)用”MCU來(lái)實(shí)施定制應(yīng)用功能。
在詳細(xì)討論協(xié)議之前，圖 6 以 MSP4304618 MCU 和 CC2420 無(wú)線電廣播為例顯示了協(xié)議的范例編制，使讀者對(duì)實(shí)際實(shí)施中的內(nèi)存占用情況有個(gè)一般性的了解。

閃存／ROM (KB) RAM (KB)
SimpliciTI 6 2
TIMAC 802.15.4 1 2.3
ZigBee協(xié)調(diào)器 (Min/typ) 54/56 4.5/6.6
ZigBee終端設(shè)備 (Min/typ) 38/41 3.64.4
ZigBee Pro 協(xié)調(diào)器 62.6 6.7
ZigBee Pro 終端設(shè)備 48 4.8

* 采用 IAR Embedded Workbench v4.1；優(yōu)化度設(shè)為? 高；由德州儀器進(jìn)行協(xié)議實(shí)施
圖 6 —— 不同無(wú)線協(xié)議的微控制器內(nèi)存要
802.15.4
802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)是由 IEEE 802.15第4任務(wù)組 (IEEE 802.15 Task Group 4) 開(kāi)發(fā)的低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。原始標(biāo)準(zhǔn)于 2003 年發(fā)布，后經(jīng)修改由 2006 年版取代。隨著越來(lái)越多的電子設(shè)計(jì)人員要求一種適用于低復(fù)雜性、低數(shù)據(jù)速率以及（大多數(shù)情況下）電池供電應(yīng)用的實(shí)施方案，該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。具休而言，開(kāi)發(fā)該標(biāo)準(zhǔn)旨在面向家庭自動(dòng)化、工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)以及安全監(jiān)控等領(lǐng)域的應(yīng)用。包括 ZigBee和 ZigBee Pro 等在內(nèi)的若干種其它協(xié)議也采用 802.15.4 作為物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。
也有人將 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)稱為 MAC，即媒體接入控制 (Medium Access Control) 標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槠淇啥x網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)對(duì)等設(shè)備的通信協(xié)議。從概念上講，我們能夠以全功能設(shè)備 (FFD) 或簡(jiǎn)約功能設(shè)備 (RFD) 的方式實(shí)施802.15.4 個(gè)人局域網(wǎng) (PAN) 中的設(shè)備。FFD 節(jié)點(diǎn)具備網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的能力，一般由主電源供電。不過(guò)由于每個(gè)星型配置的 PAN 只能有一個(gè) FFD 節(jié)點(diǎn)，所以 FFD 一般不會(huì)始終用作網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。FFD 可用作通用節(jié)點(diǎn)。RFD 節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)上相對(duì)簡(jiǎn)單，因而不能充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的全部功能，只能與 FFD 節(jié)點(diǎn)通信。RFD 節(jié)點(diǎn)對(duì)于應(yīng)用的實(shí)施要求很低，從而可降低 IC 的成本，有可能作為應(yīng)用中啟用傳感器或制動(dòng)器的節(jié)點(diǎn)，而且由于運(yùn)行占空比極低，也比較有可能適合采用電池供電。如錯(cuò)誤！未找到引用源。 所示，若 FFD 協(xié)調(diào)器向子節(jié)點(diǎn)之一（也必須為 FFD）分配新的 PAN 標(biāo)識(shí) (PAN ID) 后就能夠?qū)?802.15.4 網(wǎng)絡(luò)的星型拓樸進(jìn)行擴(kuò)展，從而創(chuàng)建僅有協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)才可以交換信息的 PAN 群集。注意該標(biāo)準(zhǔn)不直接支持路由。

圖7：802.15.4的網(wǎng)絡(luò)配置
通過(guò)定義兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信，如網(wǎng)絡(luò)管理基礎(chǔ)，802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)可為開(kāi)發(fā) ZigBee 等更高級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)實(shí)施提供靈活的基礎(chǔ)。
雖然 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)是開(kāi)發(fā)更高級(jí)別網(wǎng)絡(luò)的良好基礎(chǔ)，但其存在一定的復(fù)雜性，這在適當(dāng)?shù)膽?yīng)用考慮條件下，可以直接當(dāng)作一種可靠的通信方式進(jìn)行部署。一般來(lái)說(shuō)，如果要滿足下列要求，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮采用802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)：

要求采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)化的物理層與較低層協(xié)議
可自由設(shè)計(jì)自己的較高層協(xié)議
能夠靈活選擇各種硬件與較低層軟件廠商
具備物理層與較低協(xié)議層的互操作性
實(shí)現(xiàn)較低的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)成本
由第三方廠商/供應(yīng)商提供支持與維護(hù)

且愿意接受下列劣勢(shì)：

需要設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)較高層協(xié)議和應(yīng)用
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)存在無(wú)線電廣播通道限制

為便于理解這些應(yīng)用級(jí)考慮事項(xiàng)符合 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的原因，對(duì)協(xié)議本身的穩(wěn)健性、可靠性以及總體實(shí)施進(jìn)行分析非常重要。圖 8 是該協(xié)議層的概念組織結(jié)構(gòu)與先前討論的 OSI 模型的比較。

圖8 -- 802.15.4 的 OSI 網(wǎng)絡(luò)模型。IEEE 的該標(biāo)準(zhǔn)包含物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的規(guī)范。
實(shí)際上，“媒體接入控制”僅指 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)鏈路層。物理層，也稱為 PHY 層，能夠定義無(wú)線電廣播設(shè)備間在歐洲（868 MHz）、美國(guó)（915 MHz）以及世界范圍（2.4 GHz）工業(yè)、科學(xué)以及醫(yī)療（ISM）頻帶上工作的物理鏈接。PHY 層可通過(guò) DSSS RF 調(diào)制方案最終提供節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，并設(shè)定 868/915MHz 通道的數(shù)據(jù)速率為 20 kbps 或 40kbps，2.4 GHz 通道的工作數(shù)據(jù)速率為 250kbps。此外，PHY 層還可規(guī)定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的特性要求，如接收機(jī)功率檢測(cè)、鏈接質(zhì)量指示、無(wú)干擾通道評(píng)估以及尋址方案（包含 64 位 IEEE 尋址和 16 位網(wǎng)絡(luò)地址，可在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)定 64,000 個(gè)節(jié)點(diǎn)）。
協(xié)議的 MAC 層提供的特性能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的對(duì)等通信，如數(shù)據(jù)包幀管理、節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)、對(duì)等確認(rèn)等。802.15.4網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)同步或異步通信。同步通信由 16 個(gè)時(shí)隙構(gòu)成的超幀定義，可以選擇其中的 7 個(gè)時(shí)隙提供擔(dān)保，或者所有時(shí)隙都可以使用 CSMA/CA 協(xié)議。完全按照 CSMA/CA 協(xié)議處理異步通信，如果通道繁忙會(huì)引起對(duì)傳送節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)的指數(shù)時(shí)長(zhǎng)的退避，直到下一次嘗試傳輸數(shù)據(jù)包。在任一情況下，在發(fā)送與接收節(jié)點(diǎn)之間都可實(shí)施確認(rèn)方案，以最大限度地降低數(shù)據(jù)包事務(wù)交易的丟包可能性。如果發(fā)送方接收到 NACK，就意味著該數(shù)據(jù)包未被成功接收。在這種情況下，基于超時(shí)的重發(fā)方案與用戶定義的重試次數(shù)將最有可能確保數(shù)據(jù)包的成功交付。為實(shí)現(xiàn)異步通信，802.15.4 網(wǎng)絡(luò)中的 FFD 節(jié)點(diǎn)也會(huì)實(shí)施存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā)功能。
802.15.4 沒(méi)有指定加密方式。不過(guò)，符合標(biāo)準(zhǔn)的軟件平臺(tái)可以實(shí)施某些功能，以使用戶能夠輕松地在較高層實(shí)施中添加對(duì)稱加密方法。這樣，用戶就可對(duì)其應(yīng)用采用的安全方式進(jìn)行優(yōu)化。
802.15.4 協(xié)議的相對(duì)易用性與功能性的平衡使得現(xiàn)有的軟件實(shí)施具有良好的易用性。由于協(xié)議提供的高可靠性，一般來(lái)說(shuō)如果結(jié)合采用某種低級(jí)別任務(wù)調(diào)度程序，則工程設(shè)計(jì)小組從上手到充分利用現(xiàn)有解決方案只需要很少時(shí)間。參見(jiàn)圖 6，協(xié)議對(duì)內(nèi)存占用、資源要求以及協(xié)議開(kāi)銷等也沒(méi)有限制性要求。
第三部分
本文第一部分和第二部分討論了網(wǎng)絡(luò)的基本知識(shí)，其中包括開(kāi)放系統(tǒng)互連 (OSI) 網(wǎng)絡(luò)模式、低功耗網(wǎng)絡(luò)和802.15.4的特點(diǎn)與選用標(biāo)準(zhǔn)（如應(yīng)用層問(wèn)題、穩(wěn)健性/可靠性）以及如何根據(jù)這些選擇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較判斷。第三部分將討論 ZigBee 和 SimpliciTI，并將提供如何選擇協(xié)議的相應(yīng)例子。
ZigBee
ZigBee 采用 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)作為其對(duì)等通信的基礎(chǔ)。該標(biāo)準(zhǔn)由 ZigBee 聯(lián)盟 (ZigBee Alliance) 開(kāi)發(fā)并管理。ZigBee Alliance 是一家投資于該標(biāo)準(zhǔn)并在無(wú)線領(lǐng)域進(jìn)行推廣的聯(lián)合組織，并且日益為業(yè)界所關(guān)注。不過(guò)ZigBee 擁有自己獨(dú)特的應(yīng)用功能，用戶應(yīng)對(duì)此進(jìn)行充分了解，而不是倉(cāng)促地將其應(yīng)用于所有的低功耗無(wú)線應(yīng)用領(lǐng)域。
ZigBee 最常用作異步通信標(biāo)準(zhǔn)，其具備 CSMA/CA 通道接入能力，并擁有 802.15.4 章節(jié)所述的所有功能。針對(duì)相同市場(chǎng)領(lǐng)域的情況下，相比之下 ZigBee 可為尋求準(zhǔn)擔(dān)保信息交付、大規(guī)模輕松網(wǎng)絡(luò)集成以及設(shè)備間互操作性的開(kāi)發(fā)人員提供眾多優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還提供眾多 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)不能直接解決的較高級(jí)別網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題的解決方案。
ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施有三種拓?fù)洌鐖D 9 所示。與 802.15.4 類似，ZigBee 支持對(duì)等通信與星型配置。ZigBee 在 802.15.4 規(guī)范之上添加了路由協(xié)議與層級(jí)網(wǎng)絡(luò)尋址方案，可實(shí)現(xiàn)群集樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（具有相同PAN ID）以及多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?br>

圖9 —— ZigBee的網(wǎng)絡(luò)配置
這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均由可實(shí)現(xiàn)三種邏輯抽象功能之一的 802.15.4 FFD 和 RFD 節(jié)點(diǎn)提供支持。必須為 FFD 的ZigBee 協(xié)調(diào)器將啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)連接與安全密鑰等大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，是路由消息不可分割的組成部分。ZigBee 路由器也必須為 FFD，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)往返于其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的消息，并實(shí)現(xiàn) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀網(wǎng)特性，同時(shí)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的總體覆蓋范圍。ZigBee 協(xié)調(diào)器與路由器一般由主電源供電，因?yàn)樗鼈儜?yīng)能夠在任何時(shí)間接收和傳輸消息。如果預(yù)計(jì)應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸是周期性的，則 ZigBee 也可以采用 802.15.4 同步網(wǎng)絡(luò)的TDMA 消息傳輸協(xié)議。ZigBee 終端設(shè)備以 RFD 方式實(shí)施，可以最大限度地減少其占空比和資源要求，從而實(shí)現(xiàn)采用電池供電并長(zhǎng)期工作的目的。
ZigBee 理想適用于具有下列要求的應(yīng)用：

采用標(biāo)準(zhǔn)化的物理層與較低層協(xié)議 (IEEE 802.15.4)
標(biāo)準(zhǔn)化的較高層協(xié)議（比如網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)洌嗵龋?
全面互操作性，甚至達(dá)到應(yīng)用層級(jí)別（公共配置文件）
設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)要求低（僅限于應(yīng)用）
技術(shù)支持與維護(hù)廠商/供應(yīng)商之間競(jìng)爭(zhēng)激烈

ZigBee 可接受下列劣勢(shì)：

ZigBee Alliance 成員費(fèi)用
認(rèn)證費(fèi)用（如果不專門針對(duì)符合 ZigBee 或者 ZigBee 認(rèn)證的產(chǎn)品則無(wú)需此費(fèi)用）
代碼量（功能性的開(kāi)銷可能大到難以使用）
無(wú)線電廣播通道限制（限于在 IEEE 802.15.4 中指定的通道）

上述所列各項(xiàng)表明需要對(duì)許多項(xiàng)目進(jìn)一步澄清，因此首先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的較高層協(xié)議進(jìn)行描述。與 802.15.4 相比，如圖 10 所示，ZigBee 可向上實(shí)施至 OSI 無(wú)線應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)模型的傳輸層，甚至能夠達(dá)到部分會(huì)話層。

圖10 —— ZigBee 的 OSI 網(wǎng)絡(luò)模型
對(duì) 802.15.4 協(xié)議最突出的三項(xiàng)新特性是網(wǎng)狀網(wǎng)路由算法，一個(gè)功能強(qiáng)大的安全實(shí)施，以及應(yīng)用級(jí)抽象以在目標(biāo)市場(chǎng)領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)設(shè)備與可互操作“應(yīng)用配置文件”的強(qiáng)大關(guān)聯(lián)性。
ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀網(wǎng)路由算法使其成為網(wǎng)絡(luò)上終端設(shè)備之間數(shù)據(jù)交付的極可靠方式。除了能夠在網(wǎng)絡(luò)中確保分組交付的可選端到端確認(rèn)，ZigBee 還定義了能夠圍繞故障節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的路由發(fā)現(xiàn)算法，這也稱為ZigBee 的通信自愈能力。路由發(fā)現(xiàn)是一種可由任何路由器設(shè)備啟動(dòng)并始終針對(duì)特定目的地執(zhí)行的最短路徑算法。計(jì)算的原理是由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都一直保留著至所有相鄰設(shè)備的“鏈接成本”記錄，其中鏈接成本是測(cè)量所接收信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度。累加沿路由所有鏈接的鏈接成本就可得出“路由成本”，并可計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)路由的路由成本。
節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)向其相鄰設(shè)備廣播針對(duì)特定目的地的路由請(qǐng)求 (RREQ) 數(shù)據(jù)包來(lái)請(qǐng)求路由發(fā)現(xiàn)。每當(dāng)某節(jié)點(diǎn)接收 RREQ 時(shí)，其就會(huì)向路由成本累加其鏈接成本，然后再相應(yīng)廣播 RREQ。這種情況將反復(fù)進(jìn)行，直至所有 RREQ 均到達(dá)目的地設(shè)備。然后目的地設(shè)備將選擇路由成本最低的 RREQ 數(shù)據(jù)包，并廣播路由回復(fù) (Route Reply)。當(dāng) RREP 數(shù)據(jù)包返回至源地，所有中間節(jié)點(diǎn)將更新它們的路由表，指示通往目的地的路由。這樣，節(jié)點(diǎn)可丟失至下一跳的連接，并向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送路由錯(cuò)誤 (RERR) 數(shù)據(jù)包，以便在下一次有人試圖向其發(fā)送消息時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)新的路由發(fā)現(xiàn)。
ZigBee 可實(shí)施廣泛的安全措施。ZigBee 采用三種安全性密鑰，即用于長(zhǎng)期安全性的主密鑰、加入網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)密鑰，以及用于對(duì)等通信的加密密鑰。采用 AES-128 位加密標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行加密。在檢驗(yàn)消息的完整性方面，ZigBee 采用 MIC-128，即消息完整性代碼。此外，通過(guò)使用協(xié)調(diào)器作為信任中心從單個(gè)節(jié)點(diǎn)管理所有安全性，網(wǎng)絡(luò)還能夠定期選擇對(duì)對(duì)稱加密密鑰進(jìn)行更新，從而實(shí)現(xiàn)安全通信的無(wú)限管理。
不過(guò)，應(yīng)用級(jí)抽象可能是 ZigBee 最具有競(jìng)爭(zhēng)力的特性。可以對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯編以容納多達(dá) 270 個(gè)“端點(diǎn)”或者應(yīng)用。舉例來(lái)說(shuō)，每個(gè)端點(diǎn)都可以代表一個(gè)電燈開(kāi)關(guān)或者一個(gè)燈泡（燈泡 01、燈泡 02 等）。每個(gè)端點(diǎn)可以接受任意類型的數(shù)據(jù)，也可以發(fā)送任意類型的數(shù)據(jù)。從某端點(diǎn)輸出到另一端點(diǎn)的輸入數(shù)據(jù)有單個(gè)描述符，一般稱為群集 (Cluster)。為繼續(xù)使用燈泡作為例子，假定被命名為“l(fā)ight_status_on_off”的燈泡開(kāi)關(guān)狀態(tài)是這些稱為群集的數(shù)據(jù)描述符之一。然后，每個(gè)端點(diǎn)就可以根據(jù)端點(diǎn) ID (1-270) 及其群集列表（接收或者傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型）進(jìn)行描述。在群集匹配的情況下，就可以進(jìn)行一對(duì)一或者一對(duì)多端點(diǎn)的邏輯綁定。在該例中，某一燈泡開(kāi)關(guān)可以與任一或者所有被描述為支持“l(fā)ight_status_on_off”群集的燈泡邏輯綁定。這種應(yīng)用級(jí)的一對(duì)一或者一對(duì)多綁定是 ZigBee

圖11 – ZigBee 的綁定表可用于即時(shí)控制更改
如果 ZigBee Alliance 當(dāng)時(shí)定義了群集列表和解釋端點(diǎn)間群集流的方法，就可以為特定應(yīng)用（如電燈開(kāi)關(guān)/電燈泡等）指定標(biāo)準(zhǔn)，且無(wú)需擔(dān)心用于實(shí)施應(yīng)用的具體硬件。ZigBee Alliance 正好已經(jīng)完成了這項(xiàng)任務(wù)，將這些標(biāo)準(zhǔn)稱為應(yīng)用配置文件，從而不僅使來(lái)自不同廠商的應(yīng)用能夠完全實(shí)現(xiàn)互操作性，而且還加強(qiáng)了ZigBee 低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)市場(chǎng)領(lǐng)域的整體競(jìng)爭(zhēng)性。
如果互操作性不是設(shè)計(jì)人員的主要意圖，ZigBee Alliance 還可以讓設(shè)計(jì)人員定義不共享的企業(yè)專用型應(yīng)用配置文件。為簡(jiǎn)明扼要，我們就不對(duì) ZigBee 實(shí)施的其他特性進(jìn)行詳細(xì)討論了，這些特性包括群組尋址、頻率捷變、會(huì)話故障的自動(dòng)重加入和協(xié)議最新版本 ZigBee 2007（也稱為 ZigBee PRO）提供的系列附加特性。ZigBee PRO 基本上仍屬于 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)范疇，但在編輯時(shí)增加了用于優(yōu)化支持超大網(wǎng)絡(luò)集成的特性。如欲了解更多詳情，敬請(qǐng)?jiān)L問(wèn) ZigBee Alliance 網(wǎng)站：www.zigbee.org。
采用 ZigBee 協(xié)議進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的劣勢(shì)包括與開(kāi)發(fā) ZigBee 產(chǎn)品相關(guān)的成本：按年支付給 ZigBee Alliance的成員費(fèi)用、認(rèn)證產(chǎn)品是否符合 ZigBee 的費(fèi)用以及協(xié)議本身的存儲(chǔ)器占用。ZigBee 協(xié)議加載的特性很難在每項(xiàng)應(yīng)用中都得到充分利用，從而在定制解決方案的情況下需要設(shè)計(jì)額外的存儲(chǔ)器資源。在某些情況下，對(duì)存儲(chǔ)器與資源的要求甚至可以限制到最終應(yīng)用級(jí)。因此，部分企業(yè)推出了具備集成 MCU、預(yù)加載了 ZigBee 軟件協(xié)議棧的無(wú)線電廣播組件，其運(yùn)行則由少量 API 對(duì)另一個(gè)以應(yīng)用為中心的 MCU 的調(diào)用來(lái)控制。通過(guò)采用 SPI 通信來(lái)更新ZigBee芯片的配置，應(yīng)用 MCU 可以免受協(xié)議對(duì)存儲(chǔ)器與資源要求的限制，可以有效地處理其他應(yīng)用任務(wù)。
SimpliciTI
SimpliciTI 是現(xiàn)有低級(jí)別協(xié)議實(shí)施的范例，設(shè)計(jì)人員在開(kāi)發(fā)時(shí)間有限、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜?jiǎn)單的應(yīng)用時(shí)可以用來(lái)實(shí)施。實(shí)際上，不符合現(xiàn)有低功耗無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的專有網(wǎng)絡(luò)非常多，不僅跨多個(gè)應(yīng)用空間而且還具有各種不同的實(shí)施復(fù)雜性。之所以將 SimpliciTI 選作范例協(xié)議，是因?yàn)槠渑c 802.15.4 和 ZigBee 相比具有更小的尺寸以及更低的復(fù)雜度。不過(guò)還有眾多其他實(shí)施方案也值得納入考慮范圍，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)有 Ant、Blue Robin、MiWi或者 SunSpot 等。SimpliciTI 擁有眾多優(yōu)異的關(guān)鍵特性，如內(nèi)存占用少、方便易用、復(fù)雜度低等。
SimpliciTI 專注于支持簡(jiǎn)單星型網(wǎng)絡(luò)的對(duì)等拓?fù)洌粗缸畲蠡乩梅Q為接入點(diǎn) (Access Point) 的單個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。圖 12是一個(gè)家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的范例，其中 SimpliciTI 網(wǎng)絡(luò)還定義了范圍擴(kuò)展器 (Range Extender) 與終端設(shè)備 (End Device) 抽象概念。可將該網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展至包括多達(dá)四個(gè)范圍擴(kuò)展器。

圖 12 — 廠商所提供網(wǎng)絡(luò)的范例
SimpliciTI 提供簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)管理功能，包括可實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備休眠功能的存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā)緩存、網(wǎng)絡(luò)初始化、基本鏈接管理以及網(wǎng)絡(luò)探索。圖 13 顯示的該協(xié)議架構(gòu)很難直接與 OSI 模型并行，因?yàn)槠湓谖锢韺印?shù)據(jù)鏈路層以及網(wǎng)絡(luò)層中實(shí)施的功能都有所簡(jiǎn)化，難以充分滿足各層全面實(shí)施的要求。

圖 13 —— 針對(duì)專有網(wǎng)絡(luò) SimpliciTI 調(diào)整后的 OSI 網(wǎng)絡(luò)模型
SimpliciTI 采用能夠與提供管理功能的網(wǎng)絡(luò)層通信、非常類似于 TCP/IP 協(xié)議的端口架構(gòu)，并可維護(hù)最少的電路板支持?jǐn)?shù)據(jù)包層，即 BSP 層來(lái)與無(wú)線廣播和MCU進(jìn)行接口相連。SimpliciTI 沒(méi)有正式的物理層描述，因此也沒(méi)有對(duì)頻率、數(shù)據(jù)速率或者調(diào)制提供要求，從而為設(shè)計(jì)人員提供了廣闊的硬件級(jí)設(shè)計(jì)空間。
此外，需要重點(diǎn)指出的是，SimpliciTI 協(xié)議也沒(méi)有定義路由、確認(rèn)或者確保可靠性的其他方法。用戶必須處理如消息超過(guò)最大應(yīng)用有效負(fù)荷、數(shù)據(jù)丟失以及數(shù)據(jù)冗余等眾多問(wèn)題。但這不是一種局限，因?yàn)榈凸膽?yīng)用往往對(duì)數(shù)據(jù)數(shù)率和要求都相當(dāng)?shù)停@里或者那里丟失一個(gè)數(shù)據(jù)包不是什么問(wèn)題。以自動(dòng)調(diào)溫器為例，丟失一個(gè)包的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)用來(lái)說(shuō)并不構(gòu)成重大問(wèn)題。如果通信的可靠性對(duì)應(yīng)用非常重要，用戶也可在應(yīng)用級(jí)實(shí)施可靠性協(xié)議。比如，可重復(fù)多次發(fā)送數(shù)據(jù)，可實(shí)施對(duì)等層確認(rèn)，或?qū)嵤┛赏ㄖ邮赵O(shè)備是否丟包的事務(wù)交易計(jì)數(shù)器。
SimpliciTI 與多數(shù)其他現(xiàn)有的低級(jí)別實(shí)施適用于具有如下要求的應(yīng)用：

可自由設(shè)計(jì)自己的較高層協(xié)議
與純粹的專有解決方案相比設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)成本更低
采用可用的較低層協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)單方便的即用型實(shí)施

且愿意接受如下劣勢(shì)：

需要設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)較高層協(xié)議和應(yīng)用
可能對(duì)芯片廠商有硬件要求
可能需要向推廣標(biāo)準(zhǔn)的公司組織繳納專利費(fèi)或成員費(fèi)

協(xié)議選擇范例
本節(jié)將探討如何應(yīng)用上面闡述的選擇標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)假定設(shè)計(jì)要求來(lái)進(jìn)行選用的一些范例。
數(shù)據(jù)日志器
第一個(gè)例子是每隔五分鐘就記錄濕度與氣壓數(shù)據(jù)的制造監(jiān)控系統(tǒng)。在此情況下，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，數(shù)據(jù)必須保存至少五年，但如果每隔幾個(gè)小時(shí)可能丟失某次采樣數(shù)據(jù)，也不是什么大問(wèn)題。數(shù)據(jù)應(yīng)該保密。安裝該系統(tǒng)后，將取代原有的機(jī)械監(jiān)控方法，而且在此情況下有線系統(tǒng)并不適用。工廠生產(chǎn)線長(zhǎng)度不一，但最長(zhǎng)可達(dá)到 27 米，而且相關(guān)規(guī)則要求每 7 米設(shè)一個(gè)感測(cè)站。設(shè)計(jì)進(jìn)度安排非常緊，系統(tǒng)需要在 6 個(gè)月內(nèi)就完成推出。
從上述要求來(lái)看，該設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下：

應(yīng)用方面的考慮事項(xiàng)
系統(tǒng)可用于每隔五分鐘捕獲一次濕度與氣壓數(shù)據(jù)
最多 5 個(gè)感測(cè)站
基站必須向 PC 網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)
系統(tǒng)用于工廠改造，以取代原有的機(jī)械記錄方法
穩(wěn)健性與可靠性
工廠數(shù)據(jù)應(yīng)保密
在工廠生產(chǎn)期間將數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，而且根據(jù)規(guī)則要求必須保留五年，但偶有缺失并不造成關(guān)鍵問(wèn)題
易用性
系統(tǒng)應(yīng)在 6 個(gè)月內(nèi)投放市場(chǎng)
硬件與 RF的考慮事項(xiàng)
用電池供電，電池工作時(shí)間最少為兩年

在本例中建議采用 SimpliciTI，這主要是由于設(shè)計(jì)進(jìn)度安排比較緊，而且系統(tǒng)本身并不復(fù)雜。
家庭安全網(wǎng)絡(luò)
第二與第三個(gè)例子將顯示出，如果要求略有變動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致選擇不同的協(xié)議。本系統(tǒng)是一個(gè)在已裝修好的家居環(huán)境中安裝的家庭安全網(wǎng)絡(luò)，因此重新布線會(huì)花銷太大。我們可選配安裝幾種不同的傳感器，如煙霧傳感器、玻璃破損傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器以及門禁控制感測(cè) (access control) 等。每個(gè)傳感器都與基站通信，然后基站再與家庭安全監(jiān)控公司通信。該系統(tǒng)應(yīng)能夠與其它傳感器實(shí)現(xiàn)互操作性，舉例來(lái)說(shuō)，從一家公司采購(gòu)的煙霧檢測(cè)器可以配合另一家公司生產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器。該網(wǎng)絡(luò)必須具有高度安全性，以防竊聽(tīng)或篡改。設(shè)計(jì)進(jìn)度安排能允許工程師有一定的學(xué)習(xí)時(shí)間，以加快網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)工作。

應(yīng)用方面的考慮事項(xiàng)
家庭安全網(wǎng)絡(luò)
煙霧檢測(cè)、玻璃破損、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)以及占用檢測(cè)等
用戶界面必須直觀易懂
需要遵循業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)
應(yīng)能夠從不同廠商技術(shù)之間的互操作性及其相關(guān)支持方面受益***
穩(wěn)健性與可靠性
關(guān)鍵的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
系統(tǒng)必須具有高度的安全性，以防篡改、竊聽(tīng)
易用性
需要標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)可靠性與安全性***
計(jì)劃在總體的家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中集成家庭安全性應(yīng)用
愿意花時(shí)間學(xué)習(xí)與充分利用更復(fù)雜的 API
硬件與 RF的考慮事項(xiàng)
大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都采用電池供電

本例中的最終結(jié)果應(yīng)選擇使用 ZigBee，因?yàn)椴粌H需要與不同廠商提供的設(shè)備互操作，還要確保滿足標(biāo)準(zhǔn)化的可靠性與安全性要求。
結(jié)論
低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)改進(jìn)使用體驗(yàn)、提高功能性有著巨大的潛力。本文概括性地介紹了基本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及相關(guān)術(shù)語(yǔ)，此外還探討了如何通過(guò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并在一定框架基礎(chǔ)上選用何種低功耗無(wú)線協(xié)議，而且專門講解了 802.15.4、ZigBee 以及低層專有特性集的范例。我們首先重點(diǎn)討論了高級(jí)別應(yīng)用的考慮事項(xiàng)，隨后再深入討論包括穩(wěn)健性、可靠性、易用性以及硬件等在內(nèi)的各項(xiàng)具體標(biāo)準(zhǔn)，以幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)用框架來(lái)為其應(yīng)用選擇正確的協(xié)議，從而為更多產(chǎn)品提供低功耗的無(wú)線連接能力。