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在ZigBee标准发布不久,人们就怀疑ZigBee的发展前景。不过如今,ZigBee已经在无线市场中占据了重要的部分。ZigBee产品提供商逐步增加,并且有越来越多的产品种类涌现出来。

但随着激烈竞争的日益加剧,越来越多的提供商更加关注ZigBee的优点:即低成本和低功耗。因此,他们采用具有尽可能低的成本和功耗的微控制器作为ZigBee产品的控制器,并且发布了单芯片解决方案(即将无线收发器和控制器集成到一个芯片上)。用户乐意接受单芯片方案,因为它能够大大降低成本,缩短研发周期,加速上市时间,从而对促进ZigBee的应用起到积极的作用。但是,对这种追求低成本的方法来说,在面对ZigBee的多样化的应用时面临着一些限制。

存在问题

在ZigBee网络中包含三种设备类型(见图1):即ZigBee网络协调器,ZigBee路由器以及ZigBee端设备。ZigBee网络协调器是整个网络的中心,它负责的功能包括建立,维持和管理网络,分配网络地址等。因此,可以将ZigBee网络协调器称作为ZigBee网络的“大脑”。由于这个“大脑”担负了许多任务,负责管理这个“大脑”的控制器的性能必须高于网络中其他类型的设备。对于简单的网络和应用,ZigBee网络中的三种设备可以使用同样的控制器。但随着网络的扩展和应用复杂度的增加,网络协调器的负担加重,将渐渐超过单芯片的能力,从而在很大程度上限制了ZigBee应用的扩展。因此,ZigBee网络协调器应该使用与其他设备不同的控制器,并且对具有高性能控制器的需求日益提升。因此,ZigBee网络中各类设备所用的控制器各式各样:ZigBee端设备因其功能相对简单,故将使用低成本和低功耗的控制器;ZigBee路由器将使用低成本的控制器;而对于ZigBee网络协调器所用的控制器,除了功耗和成本之外,还要着重考虑性能。

选择控制器时的考虑因素

今天,市场上有各式各样的控制器,可以为ZigBee用户提供许多选择。但是,同时也带来了困难。如何在控制器产品的汪洋大海中为ZigBee网络协调器选择一个合适的控制器对于ZigBee应用来说变成了一个必须认真对待的难题。ZigBee网络协调器的选择与整个项目的研发有关。在为ZigBee网络协调器选择控制器时,工程师应该考虑如下因素:

1. 高性能

为了网络协调器的正常操作和网络管理,必须选用高性能的控制器。这里所指的高性能是相对于ZigBee网络中的端设备和路由器所用的控制器而言的。网络协调器的控制器必须具备较高的性能以及强大的运算和处理能力。可以选择32位的MCU,而以前用的是8位和16位的MCU。尽管目前8位和16位的MCU的性能和主频速度在不断增加,但内部总线宽度仍然限制了它们的运算和处理能力。ZigBee网络中的网络地址分配、路由表维护和管理等都需要大量的运算,无疑在这方面32位MCU具有较大的优势。

此外,32位MCU在实现ZigBee网络与其他网络(如以太网)之间的连接方面也具有较大的优势。无疑,高处理能力将导致功耗和成本的增加。但是,通常网络协调器用的是交流电源,而非ZigBee网络中的电池,因此有关功耗方面的要求较低。而就成本来说,32位MCU的价格在逐渐降低,某些32位的MCU的价格甚至低于16位的MCU。再说,真正应该考虑的成本应该是整个ZigBee网络的总成本。ZigBee端设备和路由器是ZigBee网络的主要设备,也是成本非常低的设备。而ZigBee协调器在整个ZigBee网络中的比重比较低。因此,在选择网络协调器的控制器时,相对于功耗和成本,性能应该是优先考虑因素。

图1:ZigBee网络中的设备类型。

2. 片上资源

就控制器的片上资源来说,首先要考虑外设模块是否满足基本的应用需求。例如,应该有足够的用来控制收发器的无线收发器接口,应该有不同的应用开发所需的模块等。但并非是越多越好,而是应该接近应用需求。过多的用不上的外设模块不仅增加成本,而且还影响功耗。

对于控制器的片上资源来说,另一个需要考虑的因素是嵌入式存储器的空间。由于ZigBee网络协调器是网络的中心节点,网络协调器所用的协议栈软件占用很大的存储空间。对于现有的典型ZigBee软件,网络协调器所用的协议栈软件将需要40KB的闪存和2KB的RAM。如果嵌入式闪存和RAM容量太小,为用户应用所留的空间将会很小,将会迫使用户花费很大力气来缩短或优化代码。于是对于有很多应用代码的应用或需要闪存来存储用户数据的应用,因为存储空间不够用户将不得不放弃。因此,网络协调器应该使用内嵌存储器较大的控制器,以便为用户留足空间来书写应用程序。进一步说,保持一定的存储裕量对产品的维护和升级也是有帮助的。

3. 开发工具

尽管网络协调器利用与其它网络设备不同的控制器,网络协调器所用的开发工具应该与其他设备所用的一样。如果使用不同的开发工具,将会带来各种损失。首先,开发成本将会上升,这是因为一方面,购买两种开发工具将会花费更多的钱,另一方面,需要更多的工程师学习和使用不同的工具。其次,工作量将会增加。工程师需要花费大量的时间和精力来学习两种产品和开发工具。最后,研发周期还会加长,从而因为工作量的增加将会放慢上市和推广速度。于是,用于控制器的开发工具是一个重要的考虑因素。否则,无论是从成本还是项目研发的角度出发都将是不合理的。

4. 兼容性和可升级性

如今的市场正在快速变革,产品的生命周期变得越来越短。在产品的研发阶段,就应该考虑产品的未来维护和升级。因此,在选择控制器的初始阶段就要考虑兼容性和可升级性。否则,如果产品不具备升级能力,开发商就必须花费大量的资金来进行升级。通常,在研发的关键阶段,所选的控制器应该处于中等水平。当研发结束时,在经过验证后控制器将被取代。如果此时控制器的性能还有很大裕量,则可以选用低端产品。随着时间的进展,例如,如果需要将ZigBee网络连接到以太网时,现用的控制器可以被升级到高端产品。一句话,为网络协调器所选的控制器应该比较灵活,可以提供对低端产品的兼容能力以及升级到高端应用的可升级能力。

5. 供应商

最后一点,也是最容易被忽略的一点是供应商,这在选择控制器时也应考虑。要选择产品经过验证的并具有稳定供货能力的供应商。通常,这些供应商具有完整的和种类齐全、成熟的和稳定的控制器产品可供选择,还有优秀的技术支持团队,具有竞争力的价格,以及稳定的产品供货。这些因素对用户非常重要。经过验证的产品将具有高性能和高质量,有利于帮助提升用户产品的质量并缩短测试周期。控制器的种类齐全可为用户提供选择的灵活性,使得用户可以选择接近其需求的产品并简化了产品的兼容性和可升级问题。一个优秀的技术支持团队将会帮助用户进行故障排查并加快开发进度。具有竞争力的价格和连续稳定的供货能力能够确保所供产品以及用户的产品可以在几十年后还能延续工作。因此,选择一个好的供应商将会事半功倍。

本文小结

ZigBee网络协调器是整个网络的中心,它将直接影响到ZigBee网络的工作。因此,ZigBee网络协调器的控制器的选择将会关联到整个项目。上面所提到的5点是工程师在为网络协调器选择控制器时应该考虑的一些因素。由于它们是彼此关联的,故在实际执行时要通盘和综合考虑(见图2),并且在选择过程中应该平衡每一点因素,以便得到最佳结果。

图2:为网络协调器选择合适控制器的考虑因素。




本文来源:Freescale公司 作者:Freescale公司 MCU应用工程师 Patrick Yang

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