網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是家庭的理想設(shè)計(jì)解決方案，但在設(shè)計(jì)和實(shí)施中需要考慮一些因素。創(chuàng)建網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以輕松添加新設(shè)備，因?yàn)樾略O(shè)備連接到最近的鄰居并輕松擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的整體覆蓋范圍。然而，這需要一個(gè)更復(fù)雜的身份驗(yàn)證過(guò)程，該過(guò)程必須在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中而不是在中央集線器中實(shí)施。在添加新設(shè)備擴(kuò)展范圍的同時(shí)，它也減少了每個(gè)節(jié)點(diǎn)可用的帶寬。這是因?yàn)閿?shù)據(jù)必須與來(lái)自相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)一起從一個(gè)節(jié)點(diǎn)跳到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。如果許多節(jié)點(diǎn)同時(shí)處于活動(dòng)狀態(tài)，帶寬可能會(huì)急劇下降。這對(duì)于高帶寬應(yīng)用可能是個(gè)問(wèn)題，例如用于無(wú)線安全的流式視頻或智能家居中的監(jiān)控?cái)z像頭，

　　IEEE802.15.4 協(xié)議可能是家庭中最完善的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee 實(shí)現(xiàn)在未經(jīng)許可的 2.4 GHz 頻段用于全球數(shù)百萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。在最新版本中，它已更新為包括每個(gè)節(jié)點(diǎn)的 IPv6 尋址，并通過(guò)從環(huán)境中收集能量來(lái)支持超低功耗運(yùn)行。

　　ZigBee PRO 網(wǎng)絡(luò)由多種不同類型的設(shè)備組成。ZigBee 協(xié)調(diào)器控制網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的形成和安全性，而路由器擴(kuò)展網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的范圍并連接到智能家居中特定傳感器或控制器的終端設(shè)備。這些功能可以很容易地組合在單個(gè)設(shè)備中，例如與控制燈具并將消息路由到網(wǎng)絡(luò)其余部分的設(shè)備。然而，這也允許端節(jié)點(diǎn)盡可能簡(jiǎn)單和低成本。

　　圖 1：智能家居中的典型 ZigBee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)包括許多不同的功能，可以集成到單個(gè)設(shè)備中。

　　圖 1 所示的示例 ZigBee 拓?fù)浒ㄒ粋€(gè)協(xié)調(diào)器、五個(gè)路由設(shè)備、兩個(gè)創(chuàng)建控制網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備和一個(gè)可選的組合協(xié)調(diào)器/網(wǎng)關(guān)，提供對(duì) Internet 的訪問(wèn)。例如，在智能家居中，協(xié)調(diào)器可以是家庭影院控制系統(tǒng)，為房屋周圍的照明和安全提供額外的智能支持。

　　Atmel的ATmega2564RFR2是一款低功耗 8 位微控制器，結(jié)合了高數(shù)據(jù)速率 2.4 GHz 收發(fā)器，可用于在智能家居中構(gòu)建具有成本效益的 ZigBee 端點(diǎn)。該控制器使用 AVR 哈佛架構(gòu)，允許在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行指令，并實(shí)現(xiàn)接近 1 MIPS/MHz 的吞吐量。這允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員平衡功耗（例如基于電池的節(jié)點(diǎn)）與性能。

　　無(wú)線電收發(fā)器提供從 250 kbit/s 到 2 Mbit/s 的數(shù)據(jù)速率，連同幀處理，可用于網(wǎng)格中以提供 250 kbit/s 的最小網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)速率。該收發(fā)器提供晶體穩(wěn)定的小數(shù) N 合成器，支持完全直接序列擴(kuò)頻信號(hào) （DSSS） 處理，具有完全兼容 IEEE802.15.4-2011/2006/2003 協(xié)議和 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)頻和解擴(kuò)頻坐在上面。-100 dBm 的接收器靈敏度和從 -17 dBm 到 +3.5 dBm 的可編程發(fā)射輸出功率允許設(shè)計(jì)人員在整個(gè)智能家居中選擇長(zhǎng)達(dá) 100 m 或更低功率運(yùn)行的遠(yuǎn)程鏈路。

　　圖 2：ATmega2564 中的無(wú)線收發(fā)器直接連接到 AVR 控制器內(nèi)核以簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

　　單芯片系統(tǒng)包括簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的所有元素，從內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)到電源管理以及直接連接到 AVR 內(nèi)核。它有 32 個(gè)通用 8 位寄存器，直接連接到算術(shù)邏輯單元 （ALU）。這允許通過(guò)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行的單個(gè)指令訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這提供了非常有效的代碼來(lái)保持低 RAM 內(nèi)存，同時(shí)仍然實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng) CISC 微控制器快十倍的吞吐量。

　　ZigBee 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵要素是與傳感器或控制器等外圍設(shè)備的連接。這是通過(guò)圖 3 所示的兩線串行接口 （TWI） 處理的，它允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員使用兩條簡(jiǎn)單的雙向總線連接多達(dá) 128 個(gè)不同的設(shè)備，一條用于時(shí)鐘 （SCL），一條用于數(shù)據(jù) （SDA） ）。實(shí)現(xiàn)總線所需的唯一外部硬件是每個(gè) TWI 總線線路的單個(gè)上拉電阻。所有連接到總線的設(shè)備都有單獨(dú)的地址，這簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)傳輸，并且任何總線爭(zhēng)用的解決都直接在 TWI 協(xié)議中處理。

　　圖 3：兩線接口 （TWI） 簡(jiǎn)化了 ZigBee 網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)中外設(shè)的連接。

　　TWI 上的地址包長(zhǎng) 9 位，有 7 個(gè)地址位、一個(gè) READ/WRITE 控制位和一個(gè)確認(rèn)位。如果設(shè)置了 READ/WRITE 位，則將執(zhí)行讀操作，否則應(yīng)執(zhí)行寫操作，這樣可以避免任何總線爭(zhēng)用。

　　另一個(gè)關(guān)鍵因素是功耗。這是通過(guò)一系列不同的電源管理模式在芯片中解決的?？臻e模式會(huì)停止 CPU，同時(shí)允許 SRAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、TWI 端口和中斷子系統(tǒng)繼續(xù)工作，以便外部傳感器仍然可以將數(shù)據(jù)傳送到設(shè)備。掉電模式保存寄存器內(nèi)容但凍結(jié)振蕩器，禁用所有其他芯片功能，直到下一次中斷或硬件復(fù)位。在待機(jī)模式下，RC 振蕩器正在運(yùn)行，而器件的其余部分則處于休眠狀態(tài)，這允許快速啟動(dòng)。

　　ZigBee 網(wǎng)絡(luò)支持多達(dá) 64，000 個(gè)單獨(dú)的設(shè)備，這對(duì)于智能家居來(lái)說(shuō)可能是多余的。藍(lán)牙現(xiàn)在正在研究如何通過(guò)軟件升級(jí)使用現(xiàn)有的藍(lán)牙接收器來(lái)提供類似于 ZigBee 的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能。這將允許通過(guò)連接到一個(gè)設(shè)備的智能手機(jī)訪問(wèn)家庭周圍的藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)，然后通過(guò)網(wǎng)格連接到所有其他節(jié)點(diǎn)。

　　Texas Instruments 的 CC2564 獨(dú)立藍(lán)牙收發(fā)器既針對(duì)傳統(tǒng)藍(lán)牙鏈路，也針對(duì)最新的藍(lán)牙低功耗 （BLE） 4.1 協(xié)議。為簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，免版稅軟件藍(lán)牙堆棧已與連接到收發(fā)器的 TI 的 MSP430、ARM Cortex-M3 和 Cortex-M4 微控制器集成。該架構(gòu)允許第三方開(kāi)發(fā)人員在 BLE 堆棧之上添加自己的網(wǎng)格功能，以實(shí)現(xiàn)智能家居連接。

　　圖 4：德州儀器 （TI） 的 CC2564 連接到可用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的外部微控制器。

　　為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化智能家居中藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，Silicon Labs 的BGM111藍(lán)牙智能模塊將收發(fā)器和控制器集成在一個(gè)模塊中，該模塊還可以托管最終用戶應(yīng)用程序。這意味著不需要外部微控制器，從而使無(wú)線節(jié)點(diǎn)更小、更便宜。它還被設(shè)計(jì)為具有靈活的硬件接口，可以輕松鏈接到不同的外圍設(shè)備或傳感器。

　　該模塊可以使用標(biāo)準(zhǔn)的 3 V 紐扣電池供電，還可以提供高達(dá) +8 dBm 的發(fā)射功率，以允許節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)人員在范圍和功耗之間進(jìn)行權(quán)衡。通常，一個(gè)模塊具有一組嚴(yán)格定義的 I/O 引腳，這可能會(huì)限制設(shè)計(jì)與外部傳感器接口的選項(xiàng)。使用 BGM111 模塊，可以將 25 個(gè)引腳組織成端口，每個(gè)端口最多有 16 個(gè)引腳，這些引腳可以單獨(dú)配置為輸出或輸入引腳，也可用于開(kāi)漏、開(kāi)源或毛刺過(guò)濾配置。

　　圖 5：BGM111 模塊中的外圍反射系統(tǒng)是一個(gè)內(nèi)部交叉開(kāi)關(guān)，允許在藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)高度靈活的 I/O 結(jié)構(gòu)。

　　這來(lái)自一個(gè)稱為外圍反射系統(tǒng)的內(nèi)部信號(hào)交叉開(kāi)關(guān)，如圖 5 所示。該交叉開(kāi)關(guān)允許將各種外圍功能自由分配給任何 GPIO 焊盤，從而簡(jiǎn)化應(yīng)用板布局。這意味著同一個(gè)模塊可以輕松地用于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的各種節(jié)點(diǎn)，并重新配置 GPIO 線路以支持不同應(yīng)用中的不同電路板布局。

　　結(jié)論

　　作為一種以合理成本通過(guò)家庭提供智能網(wǎng)絡(luò)的方式，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)正變得越來(lái)越流行。在 ZigBee 設(shè)備不斷創(chuàng)新并在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)控制器和經(jīng)過(guò)良好測(cè)試的網(wǎng)狀軟件基礎(chǔ)上構(gòu)建的同時(shí)，藍(lán)牙現(xiàn)在也通過(guò)專用收發(fā)器和模塊進(jìn)入這一領(lǐng)域。這為設(shè)計(jì)人員提供了更多機(jī)會(huì)來(lái)修改和優(yōu)化網(wǎng)狀應(yīng)用的藍(lán)牙堆棧，或利用靈活的集成模塊。所有這些都有助于將更多智能無(wú)線功能帶入家庭。