最適合的選擇——ZigBee SoC解決方案

　　在開發2.4 GHz ZigBee?無線網絡應用時，設計工程師通常會面臨系統分割的選擇：對ZigBee的連接性及網絡處理解決方案而言，最佳的整合層級為何？從效能、功耗及成本的角度來看，何者是最適合的選擇——是將2.4 GHz無線收發器及處理核心整合為單芯片解決方案的ZigBee系統單芯片（SoC）比較好？還是具有獨立收發器及主處理器的離散式方案較佳？

　　在解決這些問題之前，先讓我們仔細分析ZigBee技術。根據IEEE針對低功率無線網絡所推出的802.15.4 MAC/PHY規格，ZigBee憑借增加網狀網絡協議及應用文件檔案來擴展IEEE 802.15.4，讓各裝置之間能夠完全互相操作。ZigBee使用高可靠、可擴充的網狀網絡協議，可支持數千個節點。ZigBee應用文件檔案則針對家庭/商業自動化、智慧能源、健康醫療及零售設備定義共通語言。ZigBee也提供設備的測試及認證，以確保從射頻到應用層的互相操作性。

　　針對傳感及控制網絡，ZigBee已被設計為高度可靠、低成本、低功率的無線網絡解決方案。系統分區的選擇最終將對ZigBee解決方案的網絡效能、功耗及成本造成極大的影響。

　　系統分區

　　圖1顯示三種基本的系統分區選擇：ZigBee系統單芯片、ZigBee網絡協同處理器（NCP）加上主處理器，以及ZigBee收發器加上主處理器。

　　在系統單芯片的設計中，IEEE 802.15.4的標準，射頻是嵌入式處理器的一個外設，所有的封包處理及應用處理都在單芯片內執行。系統單芯片一般會包括微處理器的硬件外設 ，以支持運算負荷繁重的功能，例如AES（高級加密標準）的加密。

　　在網絡協同處理器（NCP）的設計中，ZigBee協議棧是在射頻及網絡處理器芯片上運作，然后運用其SPI或UART接口連接至主處理器。主處理器僅處理那些被設備應用傳送或接收的封包。至于那些路由封包的處理，包括安全處理，則是在網絡處理器上進行，毋需中斷主處理器。因此，SPI或UART處理時間的影響僅會發生在封包的來源或目的地。

　　一個ZigBee收發器僅包含RF收發器及關鍵時序的MAC/PHY功能，主處理器則支持MAC的上層、網絡協議及應用編碼。所有的封包都必須傳送至主處理器進行處理。僅進行路由的那些封包則會被傳送至主處理器后再返回至射頻端，以進行再次傳輸，基本上是通過UART或SPI接口進行。通常AES加密的運作是在收發器芯片上執行；因此需要額外的UART或SPI傳輸來支持安全處理?！　?/p>

圖1：ZigBee系統分區選擇

　　網絡性能

　　系統設計必須考慮吞吐量（throughput）及延遲（latency），以確保網絡可符合產品的設計目標。吞吐量是用來測量網絡可支持多少的數據傳輸量，這是非常關鍵的指標，用來測定網絡的擴充性。延遲則是測量節點間的訊息傳輸速度，這也是非常關鍵的指標，用來測定網絡的響應能力。吞吐量及延遲都與組件分割有關，系統架構必須納入考慮。

　　ZigBee是一種復合式的網狀網絡協議，包括保持在啟動狀態的路由器中樞，以及一般是在睡眠狀態中的終端裝置。路由器負責在終端裝置間；或是從終端裝置至中央控制器傳遞訊息。ZigBee網絡的吞吐量及延遲會與路由器處理數據封包及將它們傳送至適當目的地的速度有關。

　　本文選自電子發燒友網6月《智能工業特刊》Change The World欄目，轉載請注明出處。