2.4 GHz ISM頻段支持幾種短距離無線聯(lián)網(wǎng)拓?fù)?。每種替代方案的開發(fā)都是為了最好地服務(wù)特定應(yīng)用或功能。與2.4 GHz頻率范圍有關(guān)的最常見聯(lián)網(wǎng)拓?fù)涫荁luetooth、WiFi和ZigBee、以及其他一些專用解決方案(見圖3)。這些解決方案都適合于無線個人 區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，還有些解決方案則提供擴展功能，能夠很好地滿足傳感、監(jiān)視和控制應(yīng)用需要。也可以考慮一些非標(biāo)準(zhǔn)專用解決方案，但這些解決方案可能帶給設(shè)計人員 一定風(fēng)險，因為它們依賴于廠商，并可能隨時更改。

　　根據(jù)ZigBee聯(lián)盟(見www.zigbee.org)的解釋，ZigBee(一種基于 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的解決方案)的創(chuàng)建主要針對那些要求低功耗、低數(shù)據(jù)速率、可靠性和安全性的網(wǎng)絡(luò)。ZigBee解決方案適應(yīng)特定網(wǎng)絡(luò)的支持網(wǎng)狀聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)和愈合、設(shè)備互操作性和廠商獨立性。ZigBee解決方案頻率通常在868/915 MHz或2.4 GHz的頻譜范圍內(nèi)。

　　ZigBee技術(shù)解決方案的數(shù)據(jù)速率是250 Kbps。為了最大限度地延伸電池使用壽命，功耗必須特別低，使堿性或鋰電池實現(xiàn)幾個月甚至幾年的使用壽命(通常相當(dāng)于電池的貨架壽命)。從理論上 講，ZigBee技術(shù)最多可支持65,000個節(jié)點。最適合由ZigBee技術(shù)解決方案支持的常見傳感、監(jiān)視和控制應(yīng)用包括：

　　個人和醫(yī)療監(jiān)視；資產(chǎn)管理、狀態(tài)和跟蹤；安全、接入控制和安全監(jiān)視；舒適性監(jiān)控；流程傳感和控制；能源管理；家庭自動化；加熱、通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)傳感和控制；樓宇自動化；工業(yè)自動化和眾多其他應(yīng)用。

　　有些無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)可能與單一的點到點或星狀配置一樣簡單。對于一些特定的應(yīng)用，與ZigBee類似的其他專用無線解決方案能提供最適合該應(yīng) 用的設(shè)計簡便性與系統(tǒng)功能匹配。比如簡單媒體接入控制或SMAC。這一領(lǐng)域的解決方案都是廠商提供易用源碼，加快簡易網(wǎng)絡(luò)的面市。符合 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的媒體接入控制器 (MAC)解決方案用數(shù)據(jù)包和流數(shù)據(jù)模式、時隙和非時隙網(wǎng)絡(luò)、128 AES數(shù)據(jù)加密，支持更復(fù)雜的配置。

　　提供多級堆棧功能的提供商讓嵌入式工程師能夠?qū)⑺麄兊脑O(shè)計軟件重新用于各種WPAN，包括復(fù)雜程度不同的WPAN。多堆棧解決方案使嵌入式工程師可以輕松建立無線系統(tǒng)，并將大部分精力集中到應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)設(shè)計。

無線(收發(fā)器)或射頻調(diào)制解調(diào)器

　　要實施低成本無線聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，應(yīng)考慮幾個RF調(diào)制解調(diào)器特性。大多數(shù)經(jīng)濟高效的WPAN RF解制解調(diào)器解決方案都建議采用2.0-3.4V的電源。

　　對輕量無線網(wǎng)絡(luò)來說，低數(shù)據(jù)速率足以支持監(jiān)視、傳感和控制功能，并能夠幫助管理系統(tǒng)功耗。就像前面提到的那樣，2 MHz信道(其中信道間距為5 MHz)中具有全展頻編解碼、速率為250 kbps及以下的O-QPSK數(shù)據(jù)通常為這類應(yīng)用選擇。在這種環(huán)境中，收發(fā)器喚醒，收聽開放信道，并以較低數(shù)據(jù)速率發(fā)射小型數(shù)據(jù)包，直到顯示了下一事件時 才關(guān)閉。順序排列、快速加電延遲、低數(shù)據(jù)速率和小型數(shù)據(jù)包允許802.15.4收發(fā)器選擇數(shù)據(jù)傳輸最有效的時間增量。

　　正如前面所述，對傳感和控制子系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)傳輸范圍和功率要求最好用WPAN軟件堆棧解決方案進行支持。典型范圍是0-10米，然而很多解決方案都提供遠遠超過300米的視線范圍。

　　查看與規(guī)劃設(shè)計有關(guān)的可用收發(fā)器信道的數(shù)量和類型非常重要?？晒┻x擇的收發(fā)器信道讓設(shè)計人員能夠選擇利用那些最能降低噪聲的信道，特別是遠離更為擁擠的2.4GHz WiFi 信道。對于較嘈雜的操作環(huán)境，有經(jīng)驗的廠商會提供三到四條噪聲可能較低的2.4GHz信道。

　　建議設(shè)計人員在0-4 dBm范圍內(nèi)尋找典型的發(fā)射輸出功率。一般情況下，-90 dBm范圍內(nèi)的接收靈敏度就足以滿足傳感、監(jiān)控和控制功能的需要。已緩沖的發(fā)射和接收數(shù)據(jù)包能夠為將與收發(fā)器結(jié)合使用的低成本MCU簡化數(shù)據(jù)管理。無線或 收發(fā)器還應(yīng)提供鏈路質(zhì)量和能量檢測功能，以便進行網(wǎng)絡(luò)性能評估。

　　多種節(jié)電模式都可以節(jié)約電力，從而最大限度地降低系統(tǒng)功耗。這些模式通常包括單數(shù)字微安范圍內(nèi)的斷開電流、冬眠電流和睡眠電流。當(dāng)范圍或環(huán)境需 要較低功率就能實現(xiàn)發(fā)射和接收目標(biāo)時，輸出功率的可編程性還讓設(shè)計人員進一步降低了功耗。確保在所選解決方案中提供這些功能將有助于最大限度地延長以電池 為電源的全功能/協(xié)調(diào)器或最終節(jié)點設(shè)備的電池使用壽命，通常都能達到電池的貨架壽命。

　　再看看其他一些必要的外圍設(shè)備，如用來降低MCU資源要求的內(nèi)部計時器比較器。通用輸入/輸出端口(GPIO)的配置和計數(shù)各有不同。GPIO 在很大程度上取決于應(yīng)用中其他設(shè)備的接口要求。在那些用獨立MCU提供收發(fā)器靈活性的解決方案中，通信通過串行外圍設(shè)備接口(SPI)端口進行處理。正如 預(yù)料的那樣，當(dāng)無線和MCU集成到一個封裝或芯片時，收發(fā)器就通過機載或內(nèi)部SPI命令信道與MCU進行通信。而且，集成解決方案還包括低噪聲放大器 (LNA)、帶內(nèi)部電壓控制振蕩器(VCO)的功率放大器、集成的發(fā)射/接收交換機、機載電源調(diào)節(jié)、全展頻編解碼，從而降低了系統(tǒng)的外部組件需求和系統(tǒng)總 成本。

　　一系列系統(tǒng)時鐘配置為設(shè)計人員提供了最終系統(tǒng)設(shè)計的靈活性。允許外部時鐘源或用于CPU計時的晶體振蕩器選件是最適當(dāng)?shù)?。調(diào)制解調(diào)器時鐘通常都需要 16MHz外部晶振。調(diào)整調(diào)制解調(diào)器晶振頻率的能力有助于維持IEEE 802.15.4規(guī)范所要求的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。

　　根據(jù)最終設(shè)計的復(fù)雜性和要求，設(shè)計人員最好由那些通常根據(jù)內(nèi)存大小提供多個網(wǎng)絡(luò)軟件拓?fù)涮娲桨负秃投喾N硬件配置的廠商來服務(wù)。這包括采用4K 字節(jié)及以上MCU閃存大小的簡單MAC配置。完全符合802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的MAC和完全兼容ZigBee的拓?fù)渫ǔ２捎么蠹s20K 字節(jié)至128K 字節(jié)的MCU閃存。

　　使用廠商提供的參考設(shè)計、硬件開發(fā)工具和軟件開發(fā)工具來簡化設(shè)計流程。對于硬件開發(fā)工具來說，簡單的"入門"指南、融入了用于可視監(jiān)控的LED 和LCD的必要主板、電纜和電池等，提供了輕松的開箱即用體驗。這些工具使設(shè)計人員能夠在幾分鐘內(nèi)建好網(wǎng)絡(luò)，如實評估網(wǎng)絡(luò)和解決方案性能。過去的有些軟件 設(shè)計工具，具體來說就是那些支持完全符合ZigBee的網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計工具使用起來非常困難。為了降低RF調(diào)制解調(diào)器準(zhǔn)備工作的復(fù)雜性，那些提供基于圖形 用戶界面(GUI)的軟件設(shè)計工具廠商能夠引導(dǎo)設(shè)計人員逐步完成收發(fā)器設(shè)置。

　　天線設(shè)計也是一個復(fù)雜問題，特別是對于那些沒有什么RF設(shè)計經(jīng)驗的數(shù)字設(shè)計人員。通常，設(shè)計人員會考慮以下這些因素，例如正確的天線選擇、天線 調(diào)節(jié)、匹配、增益/損失、以及所需的輻射模式等。從收發(fā)器廠商提供的應(yīng)用說明中獲得一些基本的天線知識也是一個辦法，然而，大多數(shù)數(shù)字工程師更愿意采用提 供天線設(shè)計廠商的解決方案，這讓他們能夠把精力集中到應(yīng)用設(shè)計上。希望天線解決方案的天線設(shè)計以完整Gerber文件形式提供，這樣就可以直接提供給印刷 電路板制造商進行實施。提供這種天線設(shè)計解決方案的廠商解決了與高質(zhì)量天線設(shè)計(即無線應(yīng)用中的適當(dāng)范圍和穩(wěn)定吞吐量)有關(guān)的問題。

　　方形扁平無鉛封裝是低成本無線聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)收發(fā)器部分的最佳小體積封裝解決方案。這種封裝充分考慮了傳感和控制解決方案所固有的主板空間限制問題。在實施空間有限且通常以電池為電源的最終節(jié)點情況中，尺寸顯得尤其重要。

　　圖 4是一個分析無線解決方案的矩陣示例。矩陣設(shè)計因素很容易擴展，使之包括微控制器特性、功能以及性能。

微控制器

　　在選擇傳感和控制實施機制時，有幾種替代方案。有些設(shè)計人員選擇系統(tǒng)封裝(SiP) 或平臺封裝(PiP)，收發(fā)器和MCU功能包括在單一封裝或集成電路中。然而，如果設(shè)計人員傾向于選擇獨立收發(fā)器和MCU配置，他們就可以靈活地選擇各種 MCU，來混合和匹配多種最終產(chǎn)品配置。

　　在后一種機制中，選擇適當(dāng)?shù)腗CU需要進行徹底的研究。這取決于傳感和控制應(yīng)用的復(fù)雜性與適當(dāng)?shù)男阅芤蛩?、?nèi)存配置和外圍設(shè)備模塊的匹配。通 常，對于低成本無線傳感系統(tǒng)來說，20 MHz CPU 操作頻率范圍(10 MHz總線時鐘)內(nèi)的8位微控制器就能夠提供一個易于實施的、低成本的替代方案。在線調(diào)試(加上芯片調(diào)試模塊的兩個斷點)期間用來支持單斷點(標(biāo)簽和力量 選項)設(shè)置的背景調(diào)試和斷點功能提供首選調(diào)試環(huán)境。很多MCU解決方案支持可最多32個中斷/復(fù)位源。

　　傳感和控制應(yīng)用的內(nèi)存要求通常是8K字節(jié) 的閃存和512字節(jié)的RAM，或者最低4K字節(jié)的閃存和256字節(jié)的RAM。全操作電壓和溫度條件下的閃存讀取、編程或擦除是必需的。

　　各種操作模式都能夠精確控制功耗，這是延長電池壽命的一個關(guān)鍵功能。希望MCU支持常規(guī)操作(運行模式)、進行芯片調(diào)試的活動背景模式、各種停止模式(總線和CPU時鐘暫停)和等待模式。

　　考慮使用具有內(nèi)部時鐘源模塊的微控制器，內(nèi)部時鐘源模塊包含一個由內(nèi)部或外部參考控制的頻率鎖定環(huán)(FLL)，內(nèi)部參考的精確調(diào)節(jié)實現(xiàn)了溫度和 電壓0.2%的分辨率和2%的誤差。內(nèi)部時鐘源模塊應(yīng)支持1MHz至10MHz的總線頻率。具有關(guān)鍵模塊可選時鐘輸入的MCU能夠控制時鐘，以驅(qū)動模塊功 能。而且，希望MCU具有低功率振蕩器模塊，其中軟件可選擇晶體或陶瓷振蕩器的頻率范圍為31.25kHz至38.4kHz或1MHz至16MHz ，最高支持20 MHz的外部時鐘源輸入。

　　所選擇的MCU必須能夠提供系統(tǒng)保護，如看門狗計算機操作適當(dāng)(COP)復(fù)位等選項，具有運行專用的1kHz內(nèi)部時鐘源或總線的替代方案。其 他"必須具有"的系統(tǒng)保護功能包括低壓檢測(通過復(fù)位或中斷)、非法操作碼檢測(通過復(fù)位)、非法地址檢測(通過復(fù)位)和閃存塊保護。

　　各種嵌入式外圍設(shè)備將簡化設(shè)計人員的應(yīng)用實施。建議使用8信道、10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)來實現(xiàn)精確的逐步逼近法。考慮硬件可觸發(fā)的ADC，它使用RTI計數(shù)器并具有自動比較、異步時鐘源、溫度傳感器和內(nèi)部帶隙參考信道功能。

　　傳感和控制應(yīng)用的其他必需外圍設(shè)備包括：具有比較內(nèi)部參考選項的模擬比較器模塊、串行通信接口模塊(SCI)、串行外圍設(shè)備接口模塊 (SPI)、內(nèi)部集成電路(IIC)總線模塊、2信道計時器/脈寬調(diào)節(jié)器(用于輸入捕捉、輸出比較、緩沖邊緣對齊的PWM或緩沖中央對齊的PWM)、帶前 置分頻器的8位模數(shù)計時器模塊、具有邊緣或邊緣/水平模式上軟件可選極性的8管腳鍵盤中斷模塊。

　　有多種小體積MCU封裝選項都能夠滿足傳感和控制設(shè)計要求，從而幫助優(yōu)化有限的主板空間，特別是在最終節(jié)點、電池操作的功能中。能夠滿足這些注 意事項的幾種微控制器封裝是低管腳數(shù)量塑料雙列直插式封裝(PDIP)、方形扁平無鉛封裝(QFN)、薄型小外形封裝(TSSOP)、雙排平面無鉛封裝 (DFN)、窄體小外形封裝(NB SOIC)。

　　作為MCU選擇的一部分，還要慎重考慮硬件和軟件設(shè)計工具的易用性、文檔清晰性、參考設(shè)計、可用應(yīng)用代碼和其他設(shè)計支持服務(wù)。射頻或調(diào)制解調(diào)器 的設(shè)計也同樣如此，MCU的有效集成開發(fā)環(huán)境(IDE)應(yīng)當(dāng)包括GUI驅(qū)動工具，其內(nèi)置功能和工具能夠簡化編碼和工程文件管理，以加快設(shè)計進程。抽象硬件 層并生成特定微控制器的優(yōu)化C碼(根據(jù)應(yīng)用定制)的專家工具能夠讓設(shè)計人員把精力集中到應(yīng)用概念上。同時需要考慮快速而輕松的調(diào)試以及閃存編程功能，還有 助于使用一些允許設(shè)計人員創(chuàng)建可重復(fù)利用軟件組件的功能，實現(xiàn)工程間的再利用。

　　傳感、監(jiān)視和控制子系統(tǒng)的參考設(shè)計

　　傳感、監(jiān)視和控制子系統(tǒng)的參考設(shè)計通常很重要，因為應(yīng)用基線從這里演進一些特定的設(shè)計需求。例如，無線UART參考設(shè)計就采用SiP解決方案， 這是飛思卡爾半導(dǎo)體的MC13211 RF收發(fā)器。飛思卡爾1321X-SRB傳感器參考主板的示意圖文件、物料清單、Gerber文件、軟件工程文件(.mcp)和其他設(shè)計支持材料請 見：www.Freescale.com/zigbee。作為參考設(shè)計的一部分，1321X-SRB (圖 5)包括飛思卡爾MMA7260Q 三軸加速傳感器。因此，參考設(shè)計包含在幾分鐘內(nèi)構(gòu)建工作網(wǎng)絡(luò)所需的所有組件，以實現(xiàn)快速的概念驗證。同時，參考設(shè)計的開發(fā)使用無限使用許可，實現(xiàn)了控制器 或SMAC代碼庫的輕松媒體接入。使用飛思卡爾的BeeKit無線連通性工具包和CodeWarior IDE(下載32K字節(jié)版本無需額外成本)，您可以立即從mcp文件(與參考設(shè)計一起提供的Wireless_Uart.mcp)中開始您的應(yīng)用軟件開 發(fā)。

　　要建立新工程，只需從以下鏈接中下載免費贈送的BeeKit GUI無線設(shè)置軟件工具就可以了：

　　http://www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp code=BEEKIT_WIRELESS_CONNECTIVITY_TOOLKIT&nodeId=01J4Fs25657103&fpsp=1&tab=Design_Tools_Tab

　　選擇BEEKITDOWNLOADPACKAGE.ZIP (最后一個條目)，按照包含在工具下載包中的使用簡便的說明安裝BeeKit 。啟動BeeKit，您就可以看到逐步說明。解決方案探測器和向?qū)軌蜃屧趧?chuàng)建工程前快速配置參數(shù)，從而降低了通過單個文件手動配置參數(shù)和分類的需要。綜 合代碼庫提供無線聯(lián)網(wǎng)庫、應(yīng)用模板和應(yīng)用示例。

　　一旦工程創(chuàng)建完畢，您就可以進行定制(如需要的話)，BeeKit將驗證您定制的每一個工程選擇，以確保沒有沖突。一旦設(shè)置了無線解決方案，您就可以采用.xml 文件導(dǎo)出工程，并導(dǎo)入CodeWarrior，開始您的應(yīng)用軟件開發(fā)。

　　如果您使用的是其他供應(yīng)商的不同參考設(shè)計，支持文件一般都可以通過web 下載從供應(yīng)商那里獲得。所有下載必須包括必要的示意圖、物料清單、Gerber文件、軟件和其他文檔，以便進行完整的參考設(shè)計實施。

　　簡化嵌入式工程師的無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)設(shè)計工作，提高最終產(chǎn)品的價值，通過有組織的研究和分析工作，就會出現(xiàn)無線聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用解決方案的清晰選擇。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員可以生成一些信息，做出一個能夠更好地把增值無線聯(lián) 網(wǎng)功能融入其最終產(chǎn)品的合理決策。在矩陣分析開發(fā)方面所做的積極努力將通過減少開始時的挫折和錯誤機會，節(jié)約大量的設(shè)計時間和費用。該矩陣將幫助您選擇最 佳的無線解決方案 ，為工程設(shè)計管理層提供設(shè)計決策演進方面的可視模式。參考設(shè)計解決方案由最富有經(jīng)驗的無線和有線半導(dǎo)體供應(yīng)商提供。

　　積極的、富有邏輯的、組織嚴(yán)密的設(shè)計評估與可靠的參考設(shè)計的結(jié)合有助于簡化WPAN 設(shè)計和開發(fā)，實現(xiàn)最快的產(chǎn)品上市和銷售。

支持信息

　　飛思卡爾半導(dǎo)體的傳感、監(jiān)視和控制應(yīng)用無線聯(lián)網(wǎng)解決方案

　　飛思卡爾半導(dǎo)體為那些希望在最終產(chǎn)品中樹立全新典范的嵌入式工程師提供了一套完整解決方案。飛思卡爾半導(dǎo)體主板系列滿足了上面提到的低成本無線聯(lián)網(wǎng)實施所必需的設(shè)計要求，它們包括：

　　RF調(diào)制解調(diào)器或收發(fā)器解決方案 (簡單MAC、802.15.4 MAC和ZigBee)，它們可以與各種MCU產(chǎn)品結(jié)合使用(與HCS08 和ColdFire MCU系列結(jié)合使用的MC1320x 收發(fā)器系列)

　　集成收發(fā)器解決方案(簡單MAC、802.15.4 MAC和 ZigBee)，內(nèi)置MCU、統(tǒng)封裝(SiP)(MC1321xSiP系列)

模擬組件　　感器組件

　　為了實現(xiàn)ZigBee及其他低成本、低功率無線網(wǎng)絡(luò)的輕松實施，您可以從如下鏈接中找到參考設(shè)計、應(yīng)用說明、硬件開發(fā)工具、軟件設(shè)計工具和更為詳細(xì)產(chǎn)品信息資源：http://www.freescale.com/zigbee。