发表于：2009/6/12 17:20:16
#0楼
第二部分
在本文第一部分，我们讨论了包括开放系统互连(OSI)网络模型在内的网络基础知识，并介绍了低功耗网络的特点以及包括应用考虑事项和稳健性与可靠性等在内的相关选择标准。在第二部分中，我们将探讨更多选择标准，介绍802.15.4协议并将其与上述选择标准进行了比较。
简便易用性
简便易用性反映为对协议可用性的主观分析。包括代码可读性、支持文档、直接工程设计支持和简化的 API 等在内的多种因素都有助于简化对哪怕是最复杂软件系统的学习进程；不过，本文所说的简便易用性是从协议的复杂程度角度来说的。根据不同应用要求，设计人员可能认为须采用高度复杂的协议，但我们应认识到，软件实施方案越复杂，特性集也就越丰富。802.15.4、ZigBee 和 SimpliciTI 等低功耗无线协议正好实现了复杂性与简便易用性的最佳平衡，其提供的完整协议架构，便于设计人员理解并发挥特性集的全部优势。如实施方案过于复杂，即便经验丰富的嵌入式开发人员都可能感到头疼。因此，协议特性与简便易用性相平衡是我们要考虑的一个重要选择标准。
硬件与 RF 考虑事项
我们应考虑的一些硬件和应用问题，其中包括系统的物理规模、传输距离、成本预算、功耗预算，以及应用特性（如要求语音识别或用户接口）等。只有回答了这些问题，我们才能确定采用何种无线协议，才能明确支持何种微控制器特性。在超低功耗协议设计中应考虑的关键硬件选择标准如图 5所示。
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图 5 — 主要低功耗无线硬件选择标准
上述选择标准适用于本文所讨论的有关协议，也是在实施最终解决方案评估硬件时可借鉴的重要依据。我们还应处理一些系统级问题，如硬件的物理尺寸，因为这会限制MCU和/或无线电的选择。在某些情况下，在单个器件上集成了MCU和无线电的片上系统(SOC)是一款具有最佳尺寸与特性的解决方案。而在其它情况下，尺寸的限制意味着支持集成模拟功能的 ADC 等会决定 MCU 的选择。此外，硬件的选择还会受到协议本身对存储器和 MCU 资源要求的影响。如果协议实施的资源要求对MCU的应用性能有一定局限，那么设计人员就可选择专门用来支持实施方案的无线应用处理器，如ZigBee 协议栈处理器，这样就能让“应用”MCU来实施定制应用功能。
在详细讨论协议之前，图 6 以 MSP4304618 MCU 和 CC2420 无线电广播为例显示了协议的范例编制，使读者对实际实施中的内存占用情况有个一般性的了解。
闪存／ROM (KB) RAM (KB)
SimpliciTI 6 2
TIMAC 802.15.4 1 2.3
ZigBee协调器 (Min/typ) 54/56 4.5/6.6
ZigBee终端设备 (Min/typ) 38/41 3.6/4.4
ZigBee Pro 协调器 62.6 6.7
ZigBee Pro 终端设备 48 4.8
*采用 IAR Embedded Workbench v4.1；优化度设为? 高；由德州仪器进行协议实施
图 6 —— 不同无线协议的微控制器内存要
802.15.4
802.15.4 标准是由 IEEE 802.15第4任务组 (IEEE 802.15 Task Group 4) 开发的低功耗无线网络标准。原始标准于 2003 年发布，后经修改由 2006 年版取代。随着越来越多的电子设计人员要求一种适用于低复杂性、低数据速率以及（大多数情况下）电池供电应用的实施方案，该标准应运而生。具休而言，开发该标准旨在面向家庭自动化、工业控制、农业以及安全监控等领域的应用。包括 ZigBee和 ZigBee Pro 等在内的若干种其它协议也采用 802.15.4 作为物理层和数据链路层。
也有人将 802.15.4 标准称为 MAC，即媒体接入控制 (Medium Access Control) 标准，因为其可定义网络中任意两个对等设备的通信协议。从概念上讲，我们能够以全功能设备 (FFD) 或简约功能设备 (RFD) 的方式实施802.15.4 个人局域网 (PAN) 中的设备。FFD 节点具备网络协调器的能力，一般由主电源供电。不过由于每个星型配置的 PAN 只能有一个 FFD 节点，所以 FFD 一般不会始终用作网络协调器。FFD 可用作通用节点。RFD 节点在设计上相对简单，因而不能充分发挥网络协调器的全部功能，只能与 FFD 节点通信。RFD 节点对于应用的实施要求很低，从而可降低 IC 的成本，有可能作为应用中启用传感器或制动器的节点，而且由于运行占空比极低，也比较有可能适合采用电池供电。如错误！未找到引用源。 所示，若 FFD 协调器向子节点之一（也必须为 FFD）分配新的 PAN 标识 (PAN ID) 后就能够对 802.15.4 网络的星型拓朴进行扩展，从而创建仅有协调器节点才可以交换信息的 PAN 群集。注意该标准不直接支持路由。
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图7：802.15.4的网络配置
通过定义两个节点之间的通信，如网络管理基础，802.15.4 标准可为开发 ZigBee 等更高级别的网络实施提供灵活的基础。
虽然 802.15.4 标准是开发更高级别网络的良好基础，但其存在一定的复杂性，这在适当的应用考虑条件下，可以直接当作一种可靠的通信方式进行部署。一般来说，如果要满足下列要求，设计人员应考虑采用802.15.4 标准：
要求采用业界标准化的物理层与较低层协议
可自由设计自己的较高层协议
能够灵活选择各种硬件与较低层软件厂商
具备物理层与较低协议层的互操作性
实现较低的设计与开发成本
由第三方厂商/供应商提供支持与维护
且愿意接受下列劣势：
需要设计与开发较高层协议和应用
根据标准会存在无线电广播通道限制
为便于理解这些应用级考虑事项符合 802.15.4 标准的原因，对协议本身的稳健性、可靠性以及总体实施进行分析非常重要。图 8 是该协议层的概念组织结构与先前讨论的 OSI 模型的比较。
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图8 -- 802.15.4 的 OSI 网络模型。IEEE 的该标准包含物理层与数据链路层的规范。
实际上，“媒体接入控制”仅指 802.15.4 标准的数据链路层。物理层，也称为 PHY 层，能够定义无线电广播设备间在欧洲（868 MHz）、美国（915 MHz）以及世界范围（2.4 GHz）工业、科学以及医疗（ISM）频带上工作的物理链接。PHY 层可通过 DSSS RF 调制方案最终提供节点之间的数据传输服务，并设定 868/915MHz 通道的数据速率为 20 kbps 或 40kbps，2.4 GHz 通道的工作数据速率为 250kbps。此外，PHY 层还可规定网络节点的特性要求，如接收机功率检测、链接质量指示、无干扰通道评估以及寻址方案（包含 64 位 IEEE 寻址和 16 位网络地址，可在网络中设定 64,000 个节点）。
协议的 MAC 层提供的特性能够实现可靠的对等通信，如数据包帧管理、节点关联、对等确认等。802.15.4网络可实现同步或异步通信。同步通信由 16 个时隙构成的超帧定义，可以选择其中的 7 个时隙提供担保，或者所有时隙都可以使用 CSMA/CA 协议。完全按照 CSMA/CA 协议处理异步通信，如果通道繁忙会引起对传送节点的随机的指数时长的退避，直到下一次尝试传输数据包。在任一情况下，在发送与接收节点之间都可实施确认方案，以最大限度地降低数据包事务交易的丢包可能性。如果发送方接收到 NACK，就意味着该数据包未被成功接收。在这种情况下，基于超时的重发方案与用户定义的重试次数将最有可能确保数据包的成功交付。为实现异步通信，802.15.4 网络中的 FFD 节点也会实施存储并转发功能。
802.15.4 没有指定加密方式。不过，符合标准的软件平台可以实施某些功能，以使用户能够轻松地在较高层实施中添加对称加密方法。这样，用户就可对其应用采用的安全方式进行优化。
802.15.4 协议的相对易用性与功能性的平衡使得现有的软件实施具有良好的易用性。由于协议提供的高可靠性，一般来说如果结合采用某种低级别任务调度程序，则工程设计小组从上手到充分利用现有解决方案只需要很少时间。参见图 6，协议对内存占用、资源要求以及协议开销等也没有限制性要求。
选择无线协议：802.15.4、ZigBee以及专有网络之间的对比 （一）
选择无线协议：802.15.4、ZigBee以及专有网络之间的对比 （三）
在本文第一部分，我们讨论了包括开放系统互连(OSI)网络模型在内的网络基础知识，并介绍了低功耗网络的特点以及包括应用考虑事项和稳健性与可靠性等在内的相关选择标准。在第二部分中，我们将探讨更多选择标准，介绍802.15.4协议并将其与上述选择标准进行了比较。
简便易用性
简便易用性反映为对协议可用性的主观分析。包括代码可读性、支持文档、直接工程设计支持和简化的 API 等在内的多种因素都有助于简化对哪怕是最复杂软件系统的学习进程；不过，本文所说的简便易用性是从协议的复杂程度角度来说的。根据不同应用要求，设计人员可能认为须采用高度复杂的协议，但我们应认识到，软件实施方案越复杂，特性集也就越丰富。802.15.4、ZigBee 和 SimpliciTI 等低功耗无线协议正好实现了复杂性与简便易用性的最佳平衡，其提供的完整协议架构，便于设计人员理解并发挥特性集的全部优势。如实施方案过于复杂，即便经验丰富的嵌入式开发人员都可能感到头疼。因此，协议特性与简便易用性相平衡是我们要考虑的一个重要选择标准。
硬件与 RF 考虑事项
我们应考虑的一些硬件和应用问题，其中包括系统的物理规模、传输距离、成本预算、功耗预算，以及应用特性（如要求语音识别或用户接口）等。只有回答了这些问题，我们才能确定采用何种无线协议，才能明确支持何种微控制器特性。在超低功耗协议设计中应考虑的关键硬件选择标准如图 5所示。
图 5 — 主要低功耗无线硬件选择标准
上述选择标准适用于本文所讨论的有关协议，也是在实施最终解决方案评估硬件时可借鉴的重要依据。我们还应处理一些系统级问题，如硬件的物理尺寸，因为这会限制MCU和/或无线电的选择。在某些情况下，在单个器件上集成了MCU和无线电的片上系统(SOC)是一款具有最佳尺寸与特性的解决方案。而在其它情况下，尺寸的限制意味着支持集成模拟功能的 ADC 等会决定 MCU 的选择。此外，硬件的选择还会受到协议本身对存储器和 MCU 资源要求的影响。如果协议实施的资源要求对MCU的应用性能有一定局限，那么设计人员就可选择专门用来支持实施方案的无线应用处理器，如ZigBee 协议栈处理器，这样就能让“应用”MCU来实施定制应用功能。
在详细讨论协议之前，图 6 以 MSP4304618 MCU 和 CC2420 无线电广播为例显示了协议的范例编制，使读者对实际实施中的内存占用情况有个一般性的了解。
闪存／ROM (KB) RAM (KB)
SimpliciTI 6 2
TIMAC 802.15.4 1 2.3
ZigBee协调器 (Min/typ) 54/56 4.5/6.6
ZigBee终端设备 (Min/typ) 38/41 3.6/4.4
ZigBee Pro 协调器 62.6 6.7
ZigBee Pro 终端设备 48 4.8
*采用 IAR Embedded Workbench v4.1；优化度设为? 高；由德州仪器进行协议实施
图 6 —— 不同无线协议的微控制器内存要
802.15.4
802.15.4 标准是由 IEEE 802.15第4任务组 (IEEE 802.15 Task Group 4) 开发的低功耗无线网络标准。原始标准于 2003 年发布，后经修改由 2006 年版取代。随着越来越多的电子设计人员要求一种适用于低复杂性、低数据速率以及（大多数情况下）电池供电应用的实施方案，该标准应运而生。具休而言，开发该标准旨在面向家庭自动化、工业控制、农业以及安全监控等领域的应用。包括 ZigBee和 ZigBee Pro 等在内的若干种其它协议也采用 802.15.4 作为物理层和数据链路层。
也有人将 802.15.4 标准称为 MAC，即媒体接入控制 (Medium Access Control) 标准，因为其可定义网络中任意两个对等设备的通信协议。从概念上讲，我们能够以全功能设备 (FFD) 或简约功能设备 (RFD) 的方式实施802.15.4 个人局域网 (PAN) 中的设备。FFD 节点具备网络协调器的能力，一般由主电源供电。不过由于每个星型配置的 PAN 只能有一个 FFD 节点，所以 FFD 一般不会始终用作网络协调器。FFD 可用作通用节点。RFD 节点在设计上相对简单，因而不能充分发挥网络协调器的全部功能，只能与 FFD 节点通信。RFD 节点对于应用的实施要求很低，从而可降低 IC 的成本，有可能作为应用中启用传感器或制动器的节点，而且由于运行占空比极低，也比较有可能适合采用电池供电。如错误！未找到引用源。 所示，若 FFD 协调器向子节点之一（也必须为 FFD）分配新的 PAN 标识 (PAN ID) 后就能够对 802.15.4 网络的星型拓朴进行扩展，从而创建仅有协调器节点才可以交换信息的 PAN 群集。注意该标准不直接支持路由。
图7：802.15.4的网络配置
通过定义两个节点之间的通信，如网络管理基础，802.15.4 标准可为开发 ZigBee 等更高级别的网络实施提供灵活的基础。
虽然 802.15.4 标准是开发更高级别网络的良好基础，但其存在一定的复杂性，这在适当的应用考虑条件下，可以直接当作一种可靠的通信方式进行部署。一般来说，如果要满足下列要求，设计人员应考虑采用802.15.4 标准：
要求采用业界标准化的物理层与较低层协议
可自由设计自己的较高层协议
能够灵活选择各种硬件与较低层软件厂商
具备物理层与较低协议层的互操作性
实现较低的设计与开发成本
由第三方厂商/供应商提供支持与维护
且愿意接受下列劣势：
需要设计与开发较高层协议和应用
根据标准会存在无线电广播通道限制
为便于理解这些应用级考虑事项符合 802.15.4 标准的原因，对协议本身的稳健性、可靠性以及总体实施进行分析非常重要。图 8 是该协议层的概念组织结构与先前讨论的 OSI 模型的比较。
图8 -- 802.15.4 的 OSI 网络模型。IEEE 的该标准包含物理层与数据链路层的规范。
实际上，“媒体接入控制”仅指 802.15.4 标准的数据链路层。物理层，也称为 PHY 层，能够定义无线电广播设备间在欧洲（868 MHz）、美国（915 MHz）以及世界范围（2.4 GHz）工业、科学以及医疗（ISM）频带上工作的物理链接。PHY 层可通过 DSSS RF 调制方案最终提供节点之间的数据传输服务，并设定 868/915MHz 通道的数据速率为 20 kbps 或 40kbps，2.4 GHz 通道的工作数据速率为 250kbps。此外，PHY 层还可规定网络节点的特性要求，如接收机功率检测、链接质量指示、无干扰通道评估以及寻址方案（包含 64 位 IEEE 寻址和 16 位网络地址，可在网络中设定 64,000 个节点）。
协议的 MAC 层提供的特性能够实现可靠的对等通信，如数据包帧管理、节点关联、对等确认等。802.15.4网络可实现同步或异步通信。同步通信由 16 个时隙构成的超帧定义，可以选择其中的 7 个时隙提供担保，或者所有时隙都可以使用 CSMA/CA 协议。完全按照 CSMA/CA 协议处理异步通信，如果通道繁忙会引起对传送节点的随机的指数时长的退避，直到下一次尝试传输数据包。在任一情况下，在发送与接收节点之间都可实施确认方案，以最大限度地降低数据包事务交易的丢包可能性。如果发送方接收到 NACK，就意味着该数据包未被成功接收。在这种情况下，基于超时的重发方案与用户定义的重试次数将最有可能确保数据包的成功交付。为实现异步通信，802.15.4 网络中的 FFD 节点也会实施存储并转发功能。
802.15.4 没有指定加密方式。不过，符合标准的软件平台可以实施某些功能，以使用户能够轻松地在较高层实施中添加对称加密方法。这样，用户就可对其应用采用的安全方式进行优化。
802.15.4 协议的相对易用性与功能性的平衡使得现有的软件实施具有良好的易用性。由于协议提供的高可靠性，一般来说如果结合采用某种低级别任务调度程序，则工程设计小组从上手到充分利用现有解决方案只需要很少时间。参见图 6，协议对内存占用、资源要求以及协议开销等也没有限制性要求。
选择无线协议：802.15.4、ZigBee以及专有网络之间的对比 （一）
选择无线协议：802.15.4、ZigBee以及专有网络之间的对比 （三）
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