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白皮书如何构建低成本无线网络及nRF与Zigbee对比1、低成本，低电流，低活动率的网络在工业和国内的仪器仪表控制等领域，人们对智能开发，自我形成的数据网络方面的兴趣与日俱增。对于这样的网络最基本的应用是数据采集，如抄表，参数显示，温度，压力，运动等。而一些控制元件也包含在所设想的功能内。这并不是一个新的想法，事实上，这种应用程序已经存在。对于这种类型科技大规模应用的真正阻碍历来就是电流消耗和单位成本。Nordic半导体公司已经发布的“E”系列智能收发器对于这些挑战提供了无与伦比的解决方案。2、挑战——小规模的独立智能方案今日的主要挑战是什么？利用无线方案解决的应用是典型的低传输活动率设备，例如温度控制器，报警和其他基于合理的偶发事件或轮询系统的触发信息交换的单位。因此，要发展一个能实现这些功能的系统，独立的智能技术在所有网络节点中都是必需的。然而，有一个权衡利弊的行为要在这里得到解决。以蓝牙技术为例，由于它固有的设计，存在延迟以及电流消耗过多等问题。单位成本实际上也从来没有下降到“神奇的”5.00美元。这也有效排除了蓝牙技术作为这些应用的解决方案。Zigbee的TM是另一个推荐的解决方案，但截至2005年5月，尚未一个被批准的标准。该系统已经要求一个主节点要有32K到128K的堆栈大小，而这一数字也是只增不减。Nordic半导体开发的“E”系列设备目前可谓一个完美的在性能和成本方面适合的专有网络。其包括一个收发器系统，该系统结合MAC层地址和CRC纠错。此外，单独的该设备还存放4K的8051微控制器和一个9通道，10位ADC和一个脉冲宽度调制。这对于开发简单的星形或树形网络以及实施应用程序的功能来说已经足够了。经济上可行产品的关键是要获得足以实现可靠的无线功能的复杂度和简洁性之间的平衡，同时还要保证目标成本和电流消耗降至最低。3、ZigBeeTM和IEEE802.15.4Zigbee是一种近年来才兴起的无线网络通信技术标准。它出现的时间较短，2004年底才由Zigbee联盟发布了1.0版本规范，尚未进入大规模的商业化生产和应用;但是，它的上升势头十分明显，已有Chipcon、Freescale、CompXs、Ember四家公司在今年4月通过了Zigbee联盟对其产品所作的测试和兼容性验证。预计从2006年开始，基于Zigbee的无线通信产品和应用会迅速得到普及和高速发展。Zigbee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的。可以说是一种小的动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通。人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术，亦包含寓意。IEEE802.15.4网络是指在一个POS内使用相同无线信道并通过IEEE802.15.4标准相互通信的一组设备的集合，又名LR-WPAN网络。在这个网络中，根据设备所具有的通信能力，可以分为全功能设备和精简功能设备。FFD设备之间以及FFD设备与RFD设备之间都可以通信。RFD设备之间不能直接通信，只能与FFD设备通信，或者通过一个FFD设备向外转发数据。这个与RFD相关联的FFD设备称为该RFD的协调器。IEEE802.15.4是ZigBee,WirelessHART,和MiWi规范的基础。目前有待引进进入市场的ZigBee设备以及与他相关的IEEE802.15.4标准有些混乱。将ZigBeeTM和IEEE802.15.4区别开来则显得非常重要。IEEE802.15.4标准针对的是处于2.4GHz,868MHz以及915MHz的射频物理层和MAC（介质访问）层。ZigBee已经这个标准作为它自身通信标准的基础，然而他们并不是同一个，而是单独出现的硬件和软件方面的实体。因此，要理清当前情形，以IEEE802.15.4为标准的收发器被生产出来进行操作。另外，一个ZigBeeTM栈通常由外部微控制器或处理器的独立厂商来实施。4、互操作性问题目前有统一标准的趋势，而这个标准可以保证整个行业不同供应商产品之间的无缝操作性。蓝牙技术正是为这以目标实现而努力的成果，如今蓝牙已被认为是一个成熟的技术，但其操作性问题仍然没有完全解决。蓝牙的制定标准有严格的资格审查程序，而这能确保应用的互操作性实现，而ZigBee目前没有这样的要求。现实的挑战是如何确保你的家用温度控制器能够使用同一种第三方机器语言。确实会有兼容性问题出现，而且产品存在着有违规装置的风险。总之，没有资格的标准会为奸商打开生产便宜、兼容性差、不合格产品的方便大门。许多开发人员会更喜欢有自己的专有系统，并且融入供应商的理念，这样能创造出更多消费者愿意购买的产品。让客户选择其他竞争对手的产品会损害制造商的利益。像ZigBee那样坚持保障群体的利益是一种法律责任更为自己创造了更好的机会。在开发人员设计过程中，标准可以限制和减少提供给应用程序的自由度。产品制造商将不得不考虑竞争对手所有可能的设备，这些设备可能与他们自己的系统相连接。如果由其他供应商的接口是无效的，那将会降低整体通信系统的效率。5、带宽效率IEEE802.15.4标准是基于直接序列扩频（DSSS）技术。直接序列扩频技术具有良好的抗干扰能力强的特点，但这并不是免费的。扩频编码的方式，是以每更多比特传输数据的带宽消耗为代价来提高抗干扰能力。对于2.4GHznRF24xx设备来说，1MBS通道占用宽度为1MHz，带宽效率为1位/Hz。对于IEEE802.15.4标准设备来说，比特率为250kbs，超过0.083比特/赫兹的3MHz带宽。因此nRF24x1设备支持支持83个防冲撞独立频道，而不是根据计划提供的16个独立通道。同样，在欧洲业务的868MHZ频段，IEEE802.15.4提供最大数据速率在20kbs的信道。相比之下，nRF905的可以支持7个速率为50kbs的独立信道。这两个信道分配和相关速率等数据如图图1a和图1b所示。图1a–NordicNRFTM和ZigBeeTM为2.4GHz的信道分配图1b–NordicNRFTM和ZigBeeTM为868MHZ的信道分配nRF24xx和nRF9xx系列已经发展到可以使用MAC层协议来处理芯片。与此同时，它也保持尽可能轻巧，以确保在空中运行的最少时间。通过比较一个IEEE802.15.4设备的传输包和一个典型的低数据速率NRF数据包可以说明这一点。举个例子，如果使用32位的有效载荷组成一个16位温度读数，还包括控制字节的有效载荷信息。要封装到一个包，需要有一个额外8位的前序编码，以及32位寻址码和8位CRC校验码，这样数据包所需的数据总共是72位。而同样的信息根据IEEE802.15.4标准传输则需要152位。Nordic半导体NRFTM设备的包组装部件为：8位前序编码32位地址ID32位数据净负载8位CRC校验码在IEEE802.15.4标准下，使用同一个包功能的兼容设备需要包括以下部分：32位前序编码8位限制帧8位帧长16位控制帧32位地址认证32位数据净负载16位校验帧该例子列出了典型的通信包，该包以低数据速率和低活动率（网络数据的有效载荷为32位）进行传输。对于一个典型的短距离设备，nRFTM数据速率也比IEEE802.15.4兼容设备高出4倍。因此，在这种情况下，NRFTM设备将消耗仅为一个IEEE802.15.4设备所需电池量的12.5％。同样重要的是，NRFTM设备在空中的时间也仅为IEEE802.15.4设备的12.5％，这将反过来减少碰撞发生的概率。图2显示了作为一个数据包大小为nRF24xx和ZigBeeTM替代品功能的通信效率。这个例子没有考虑到一个与IEEE802.15.4兼容的微控制收发器导致的更大的电流消耗。图2–通信效率：nRFTM与ZigBeeTM设备对比（一个通信包有效载荷的百分比）6、系统在设计方面的紧凑性nRFTM“E”系列设备无可比拟的紧凑高集成度成为必需的关键应用。整个系统可以由一个钮扣电池来供电并且实现数据应用，而这是典型的ZigBeeTM的目标。一个如图3所示具有完整功能的系统可用不小于20mm×15mm的印痕来完成设计。所有“E”系列器件芯片上具有ADC的功能，以及与外界相接的用来提供充足数据的数字化接口，无论是模拟数据或是数字数据。因此我们可以看到，整个系统由射频物理层到应用软件可以由一个简单的单一设备单位来完成。图3——一个单一系统设备的逻辑布局（Nordic半导体“E”系列）另外，当前ZigBee解决方案是在一个设备中使用物理层和MAC层，同时处理和应用程序的功能在一个独立的中等规模的单片机中完成。而这有更大的电流需求，同时印迹也会超过Nordic半导体的nrftm“E”系列设备。图4——典型的ZigBeeTM系统7、通信的可靠性具有独立节点的无线网络将不可避免地遇到因试图在同一时间重叠通信沟通的节点包而造成的碰撞。碰撞的概率是由网络中的独立节点的数目，轮询/报告频率，传输数据速率和实际大小/格式来决定的。在相同频段下的其他无线设备的工作也将增加碰撞的概率，并可能造成破坏性的干扰。IEEE802.15.4设备和nRFTM设备有不同的方法在有碰撞环境下实现可靠的通信。IEEE802.15.4标准是基于公差带内噪声的DSSS拓扑技术。这意味着，这种装置可以处理一定量的没有数据丢失的同一信道的干扰。DSSS收发器在噪声下运行的性能依赖于干扰器的功率和噪声特性以及DSSS收发器的处理增益。另外，收发器前端的质量影响着整体的性能。应当指出的是，DSSS收发器经常能够免受噪声的干扰是一种误解，因为它绝不能免疫带内噪声。在欧洲868MHz频段的频率限制使得IEEE802.15.4标准在处理增益方面有一定的局限性，这导致其与传统的DSSS系统相比有更低的噪声容限。在这方面最突出的是具有较低数据速率DSSS，由于持续时间较长的数据包，而具有更好的整体性。因此，这也导致了更多的电流消耗。另一个问题是在868MHZ的单通道带的网络系统处理高峰周期的能力下降。nRFTM设备则是基于一个完全不同的方式。它的理念是在尽可能高的数据速率带宽高效调制途径下传输数据。其结果是更快的数据传输速率导致更少的无线媒介占用，同时也允许更多的替代传输通道的数量以防止干扰和高峰周期的出现，代价则是对窄带干扰的承受能力更差。但是，应该指出的是，占用带宽很窄是由于GFSK的调制。由于数据速率的提高，数据碰撞的概率也相应减少。碰撞如果能被提前发现，数据则可以即时或稍后通过其他途径进行转移。由于较短的传输时间，电池功耗也会降至最小。8、总结本文尝试着从功能上总结一下IEEE802.15.4标准和ZigBeeTM协议栈之间的区别。一个明显的典型的事实是，IEEE802.15.4是在硬件上收发器的基础上实现的，然而ZigBeetm是在上述提到的由中等规模微控制器控制收发器的基础上实现的。抛开这个区别不说，对于基于IEEE802.15.4的可兼容的收发器和Nordic半导体nRF24xx以及nRF9x5“E”设备之间的其它差别来说，Nordic半导体的设备将收发器和带有10位模数转换器的小型微控制器合并在一起。我们所设想的具有低数据速率，低活动性的传感器网络的功能是提供可靠通信的前提，而为它提供能量的电池的耐久力则是以年而不是月来计算的。已经被证明的是，典型的NRFTM系列设备可以同时拥有仅仅相当于IEEE802.15.4兼容设备12％的电流消耗和无线广播的时间周期。对于nRFTM'E'设备来说，一个重要的因素是其操作电源电压已经可以下降到1.8V的水平。这说明其允许容忍的压降为一个典型的2×AAA电池组的1.2V，而一个标准的操作电压为2.7V的设备无法承受只有0.3V的压降。这一事实也将在为实现以年计的电池寿命而努力的过程中扮演关键的角色。IEEE802.15.4设备和nRFTM设备有不同的方法来实现可靠通信，而在这样通信环境中的碰撞和干扰是可以预料到的。IEEE802.15.4标准的设备是基于较高的干扰容限，而NRFTM设备则是基于持续时间较短的数