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Saturday, May 31, 2008

如何开发更具鲁棒性的ZigBee解决方案

如何开发更具鲁棒性的ZigBee解决方案

[日期:2008-5-30]
来源:电子工程专辑  作者:Damon Stewart MaxStream公司
ZigBee 在无线传感器网络领域中受到了人们的密切关注,主要是由于ZigBee承诺能为可靠、高性价比和低功率的无线通信提供全球性统一规范。并且在目前的无线设备市场中,ZigBee联盟经过不懈地努力已经将ZigBee的地位提升了一大步。仅仅用了几年的时间,该联盟就发展了200多家联盟成员。ZigBee 芯片组和协议栈已经可以很容易地从许多供货商那里得到。去年市场上已经出现第一套ZigBee终端产品。

通过精心地定义ZigBee规范中的网络和应用层,ZigBee联盟希望独立的设备制造商能够开发出可以互操作的优秀终端产品。成员们对ZigBee芯片组给予了很高的期望,希望能够帮助OEM制造商进一步降低成本,从而为系统集成商和终端用户提供低成本的终端产品。

随着市场需求的增长以及大量的志愿者投入研究ZigBee规范,现在已经到了将一个低成本、低功率的无线网络的可行性方案提供给人们的时候了。本文将讨论设计和集成一个ZigBee方案时应该考虑的一些重要因素。文中的许多内容来自MaxStream公司在研发其首套ZigBee认证产品 ——XBee OEM无线模块过程中所获取的经验。

ZigBee一览

1. ZigBee网络

ZigBee定义了三种节点类型:协调器、路由器和终端设备。协调器可以通过选择网络的工作信道和个域网识别标志(PAN ID)来启动一个ZigBee网络。一旦网络启动,路由器和终端设备就能加入网络。协调器和路由器都能通过网络发射和路由数据,并且允许其它的路由器和终端设备加入。终端设备不能参与路由数据,因此在不发射和接收数据时可以休眠。当设备加入ZigBee PAN时,设备间的父子关系即形成,加入的设备为子,允许加入的设备为父。一个简单的ZigBee网络如图1所示。

2. ZigBee寻址

ZigBee设备支持两种地址类型:一种是64位IEEE地址,另一种是16位网址。64位地址在所有ZigBee设备之中是唯一,其中包含一个由IEEE分配、也是全球唯一的24位制造商特定组织识别符(OUI)。

当设备加入ZigBee个域网时,它可以从允许其加入的父设备上获取16位网址。该网址在个域网内被规定为唯一。该网址用于数据传输和数据包路由。用于路由数据包的路由表存放着各个目标设备和下一跳设备的网络地址。因此个域网的各设备都必须有明确且唯一的网络地址,以保证数据能到达正确的设备。


图1:简单的ZigBee网络。

然而,在有些条件下一个设备的地址可能会改变,或者是多个节点可能接收到同一个地址。例如,如果终端设备被移除或失去与父设备的联系,它就必须重新连接网络,这可能导致它接收到一个新的地址。另外,如果协调器被一台新设备所替换,新协调器会不知道哪些地址是之前的协调器分发的。新协调器分发给设备的地址很容易与已有的网址重叠。

ZigBee联盟正在加紧研究解决这些地址问题的对策,并将解决方案整合到ZigBee规范中去。但是,一些协议栈和模块提供者,譬如MaxStream公司已经研发出解决这些问题的方法。

3. ZigBee路由

ZigBee包括一个用于AODV网状路由的基本框架。如果一个设备需要向其它设备发送数据,它首先需要发现一条可能要经过多台路由器才能到达目标设备的路由。网状路由允许动态地建立、修改或替换传输路径,从而保持设备间有一条可靠的路径。

然而,除网状路由之外,ZigBee规范还经常依赖树状路由。在树状路由中,数据将在源设备和目标设备之间的“树”状路由上严格地按照从父到子或从子到父的路径传输。


图2:树状路由(左)和网状路由(右)的演示。

当节点移动或删除时路由可能出现问题。这时如果单个节点无法从一条路由中隔离开来,那么整个树状路由就无法定位故障点。而网状网络就能在现有路由发生故障时发现一条新路由。

ZigBee协议栈按照规范采用树状和网状路由的ZigBee 1.0标准而建立。两种路由之间的交互是相当复杂的,而且协议栈之间的交互也是不断变化的。但是,增强型ZigBee规范(2006)增加了一个 nwkUseTreeRouting功能,该功能可以使整个树状路由彻底断开,再由(NLME)路由发现请求(route-discovery- request)原语根据需要强制进行路由发现。这些功能可以解决与树状路由相关的问题,并且允许开发商充分发挥网状路由的优势。


图3:当所建通道上的一个节点失效时树状路由(左)和网状路由(右)的性能。

4. ZigBee互操作性

ZigBee规范包括一些可以用来定义各种网络的配置功能。开发商可以很容易地配置以下参数:目标系统中的路由器和/或终端设备数量;安全级别;路由表和邻居表规模;网络最大深度(从协调器到最远派生设备的连接深度);协调器/父路由器允许的子路由器和终端设备的最大数量。

ZigBee联盟研发出了为这些不同协议栈建立通用设置的公共框架-可配置参数表。为了完成框架(如家庭控制协议栈框架就定义了开灯、关灯、或切换一个灯光的簇ID)内的共同任务,该框架还定义了一些称作簇ID的接口。

终端设备必须围绕可互操作的同一框架来设计。因此,应用开发商必须设置他们的协议栈参数以匹配公共框架所规定的参数值,从而确保与采用同一框架的其它解决方案的互操作性。另外,开发商也可以为了满足其设计而通过采用专用(定制)的框架来自由修改协议栈参数。不过,在专用框架中所定义的簇ID 不具备与基于公共框架的设备互操作的能力。

由于开发商具有选择框架的灵活性,从而并非所有的ZigBee设备都能互操作。虽然这种灵活性一开始会在市场上引起一些混乱,但允许开发商决定其产品是否要与其他供应商的设备进行互操作。在不需要互操作性的场合,功能强大的ZigBee可以围绕一个专用框架进行开发,并剪裁协议栈参数来满足特殊应用需求。

5. ZigBee认证

经认证的ZigBee硬件平台(芯片组和模块)和软件层(PHY层、MAC层和网络层)必须做ZigBee验证平台(ZCP)测试。通过ZCP认证的硬件平台和软件协议栈表明适用于ZigBee终端产品的研发。

在ZigBee兼容平台上开发的终端产品可以直接做产品认证测试。终端产品认证允许产品出现在ZigBee认证产品列表中,并打上ZigBee标识。ZigBee联盟已经开发了相关测试标准来认证基于公共和专用框架的终端产品是否是合格的ZCP产品。

尚未解决的ZigBee问题

ZigBee规范正在继续改进并将提供更多的功能,但同时ZigBee联盟也认识到该规范还存在一些问题:

1. 更改网络地址

如前所述,在ZigBee PAN中分配给节点的网络地址可以改变,甚至在某些条件下会重名。这就使得网络必须解决不可靠的寻址机制,以确保将数据发送到正确的设备中。

ZigBee联盟正在考虑改变寻址机制,以提供更具鲁棒性的寻址机制。同时,包括MaxStream在内的一些模块提供商研发出了基于唯一性64位地址的解决方案,能确保可靠的数据传输。

2. 固定工作信道

由于ZigBee采用802.15.4 MAC/PHY规范中所规定的直序扩频(DSSS)调制,因此可以工作在固定信道。在通过能量扫描筛选出具有较高能量的信道后选出工作信道。但是,一旦初始能量扫描完成后,在所选的信道质量变坏时ZigBee网络无法重置新的信道。因为有许多设备(包括蜂窝电话、微波和802.11网络)占用2.4GHz 频段,因此这可能是一个大问题。目前,终端设备开发商必须在其设计中解决干扰问题。ZigBee联盟也在研究此问题的解决方案。ZigBee规范的新版本可能会解决此问题。

3. 容量限制

ZigBee刚开始打算用64K闪存。但是,对于需要可靠的数据传输、网状组网、更高安全等级、低功率的终端设备等高级应用而言,这一空间将很难满足802.15.4 MAC/PHY、ZigBee网络层以及其它所期望的应用功能要求。随着ZigBee的持续发展,先进的应用似乎需要迁移至带有更多闪存的微控制器。

ZigBee实现方案

随着市场需求的增长和ZigBee自身要素的改善,部署一个经认证的ZigBee方案将具有极高的价值。随着ZigBee规范的最新进展,可以采用现有的ZigBee架构开发出可靠的ZigBee解决方案。开发商必须在从零开始研发自己的软硬件还是集成已经验证过的ZigBee模块解决方案之间作出慎重选择。

为了开发一个鲁棒的ZigBee解决方案,MaxStream公司在ZigBee规范方面付出了大量的时间和精力。以下一些建议都来自于我们的实际经验,对那些打算采用ZigBee解决方案的开发商将有所裨益。

1. 硬件选择

在开发ZigBee解决方案时,首先是要确定硬件平台。通常,硬件平台由一个芯片组或模块组成。如前所述,ZigBee联盟定义了一个用于平台验证的ZigBee ZCP,可用来验证平台是否支持ZigBee方案。如果ZigBee终端产品想携带ZigBee标识并作为ZigBee认证产品上市,所用的硬件平台和 ZigBee软件协议栈必须被ZigBee联盟认证为ZigBee兼容平台。

2. 采用模块

模块提供了比芯片组更多的优点。选用模块可以为开发商节省成本,省去痛苦的RF前端设计、样机设计、产品测试和EMC测试。模块提供商已经通过了严格的应用测试和网络协议栈测试,并且已经加入简化ZigBee接口的一些功能。特别是MaxStream XBee模块还提供了固件,这些固件提供了鲁棒性的网状组网、可靠寻址甚至信道迁移策略,为的是解决尚未解决的ZigBee问题。

如果模块固件不能满足某个特定应用的需求,某些模块提供商还提供了一个灵活的选择。某些情况下(包括MaxStream XBee模块),设计师能够在模块硬件上开发自己的应用,并定制满足其需求的ZigBee应用。这样的方案虽然需要一些固件开发,但仍然节省了与RF设计、样机设计和EMC测试相关的时间和成本。

3. 采用芯片组

如果采用芯片组,设计师必须准备支持无线设计所需的大量设计、测试和生产要求。在定制板上使用芯片组要求支持硬件生产工艺,包括板级测试、调试和返工。如果选用此方案,必须从IEEE获得一个24位的OUI,以便为每个设备分配一个唯一的64位地址。

当定制板采用芯片组时,设计师还必须选用一个ZigBee网络层协议栈。设计师必须将协议栈连接到他们的硬件上,细心地测试ZigBee应用,并评估网络性能。上述未解决的许多问题甚至所有的ZigBee问题都必须在应用中解决,这将大大地增加研发时间方面的开销。

4. 设备开发

如果必须在芯片组或模块平台上开发定制固件,下面的步骤将会有用。

5. 选择框架类型

在着手开发ZigBee设备前,设计师必须确定是公共框架还是专用框架更能满足需求。设备是需要与与其它普通的ZigBee产品兼容,还是只适合特定的应用?协议栈参数是否需要调整到最佳性能?如果专用框架更合适,就需要向ZigBee联盟申请一个专用框架。

6. 确定路由策略

开发商应该清楚是否允许使用树状路由。对于简单的静态网络,树状路由将足够。如果某些节点有可能去掉,或者需要可靠的数据传输,树状路由就显得不足了。此时,就需要花些时间对协议栈何时调用路由发现进行评估。

如果所选的ZigBee协议栈符合增强型ZigBee规范,应用层就可以利用路由发现请求原语和nwkUseTreeRouting属性来控制路由发现和去除树状路由。如果采用的是网状路由,开发商应该考虑当所有的路由表入口都被占用的情况下系统将如何执行。因为ZigBee规范并不对老化路由和过期路由表条目进行监管,因此一些ZigBee协议栈实现不会去除旧的路由表条目。一旦所有的路由表条目被占用,设备将不能再参与路由发现。如果协议栈无法老化或取代过期条目,应用层就应该加入自己的监管措施来实现。

7. 考虑固定信道操作

对于许多应用,即便是存在突发干扰,ZigBee网络也可以可靠地工作在固定信道上。但是,对于那些必须与其它系统共同工作在同一频段的系统,或者无法允许数据包偶然丢失的系统,则有必要支持信道的迁移。因为目前的ZigBee规范还没有定义信道迁移机制,应用开发商可以自行决定将网络迁移到一个新信道的条件,并开发相应的实现方案。

8. 克服寻址限制

在许多应用中,目前的网络地址分配机制是足够的。但是,为了防止地址重复的可能,更具鲁棒性的ZigBee解决方案应具有复位网络地址的能力(如协调器被替换时)。

由于设备的网络地址不可靠而且会变化(例如,一个加电周期或复位后设备无法找到其父设备),应用层可能也需要一个能够唯一识别每个节点的解决方案。

为了确保将数据发送到正确的设备上,包括MaxStream XBee在内的一些ZigBee解决方案依赖于唯一的64位地址。如果采用这样的方案,应用层中就必须有相应的配置功能,以便在传送数据之前将64位地址转换成16位的网络地址。

9. 测试

测试应该包括验证系统如何对本文所述的应用场景反应。当路由器关掉时系统有什么反应?在工作信道上出现干扰时系统将如何执行?如果设备接收到一个新的网络地址,该新地址如何被发现?需要重申的是,一些模块和协议栈开发商已经开发出了解决这些问题的配置方案,从而大大减轻了应用开发商的开发负担。

本文小结

虽然ZigBee在前进道路上面临一些重要的问题,但ZigBee联盟具有坚强的毅力、伟大的领导力,还有大批为标准升级积极贡献的优秀设计师。即使是初级阶段,能够为设计师提供强大的网络层功能和应用层灵活性的ZigBee规范的重要基础工作也已经完成。

由于在嵌入式设备领域中有着强大的领导联盟,ZigBee正成为嵌入式设备市场上的重要角色。目前ZigBee联盟正在讨论配置问题以便增加ZigBee价值,并试图解决ZigBee规范中尚未解决的许多遗留问题。经过ZigBee认证的模块和网络协议栈正在开始面市,他们提供强大的网状解决方案,并有效地解决了目前ZigBee规范中存在的许多(即便不是全部)限制。现在正是开始开发可靠的、低功率和更高性价比的ZigBee解决方案的时候了。

link: http://www.21ic.com/news/html/69/show27294.htm

业内重要厂商建立HomeGrid论坛

业内重要厂商建立HomeGrid论坛,致力于打造新一代家庭有线互联统一标准

上网时间 : 2008年05月05日

芯片及电子产品制造商英特尔、英飞凌、德州仪器以及松下公司业已组建了一个联盟HomeGrid论坛(HomeGrid Forum),来促进使用家居电路传输电影、音乐及图片的家庭媒体网络的发展。该组织希望尽快制定一种统一的标准,使采用该标准的芯片能以超过Gbps的速率在同轴电缆、电话线或电力线上传输数据。它们希望首批使用该新标准的产品将于一年后推向市场。

HomeGrid论坛成员希望制定统一的互联方案,以此来替代诸如同轴电缆多媒体联盟(Multimedia over Coax Alliance)、家庭电话线联网联盟(HomePNA Alliance)和家庭电力线联盟(HomePlug Powerline Alliance)的所作的工作。

消费电子产品及计算机制造商一直在探讨数字家庭的发展前景。但是由于这些设备制造商之间缺乏统一的互联标准,从而阻碍了数字家庭的发展。目前,业界已经开发了使用Wi-Fi把各种家庭设备连接在一起的通用无线标准,Wi-Fi联盟也在致力于推广其802.11n标准。不过,有线网络具有很大的优势,稳定性和性能都优于无线网络,并且目前大多数家庭都拥有必须的基础设施构件。

这个新成立的HomeGrid论坛总裁、英特尔的 Matt Theall表示:“目前的标准的确是太多,而大多数厂商希望得到一个统一的标准。”这四家HomeGrid论坛主要成员公司称,它们将与国际电信联盟合作,促进、测试和致力于发展国际电信联盟正在开发的ITU-T G.hn标准。据悉,目前HomeGrid论坛的三大工作目标,便是强化ITU-T G.hn标准的技术內容、具体落实ITU-T G.hn标准的商用化、并且支持ITU-T G.hn标准的产品互通性更加完善。

“ITU非常强大,这对制定一个统一的标准十分有利。”ITU G.hn标准组的主席,同时也是英飞凌高级标准经理Les Brown表示。

支持者也看到ITU制定的标准通常都是非常具有争议的,比如说DSL标准。“这非常具有挑战性,不过只有ITU才配做这样的事情。”G.hn标准组高级系统工程师,来自Intel的Barry O'Mahony表示。

Theall表示,目前已经有35家公司参与G.hn标准工作,包括支持电力线的DS2、Intellon和Panasonic,还有设计HPNA芯片的CopperGate公司。

HomeGrid论坛创始成员共有11家公司,另外7家成员公司分别是Aware、DS2、Pulse Link、Ikanos、Sigma Designs、Westell、Gigle半导体公司。

英特尔、英飞凌、德州仪器和松下将组建该论坛的董事会,它们表示正在芯片制造商、服务提供商以及消费电子产品及个人电脑制造商中发展新成员。

link: http://www.eetchina.com/ART_8800520718_640279_NT_9614b15f.HTM?clickfrom=eeNewsAlert

怎样建立实用的低功耗、高可靠性无线传感器网络

 

怎样建立实用的低功耗、高可靠性无线传感器网络

来源:电子系统设计  作者:Brian Macdonald Dynastream公司

毋庸置疑无线技术的革命已经开始:CDMA与GSM用于远程语音和数据的传输,Wi-Fi用于无线局域网(WLAN),蓝牙用于消费导向的个人局域网(PAN),所有这些应用都正在蓬勃发展。尽管是已经获得商业化成功的技术,但由于距离、带宽、和功耗的要求,它们被局限于特定的应用领域。要令未来发生巨大的无线技术革命,需要一种真正普适的网络技术,由它搭建起的网络应能容纳上百节点。这些节点还要能够在任何时间都可相互通讯且不会受其它射频源的干扰。由这些节点构成的网络具有经济、超低功耗无线收发、适度的带宽(可以每秒发送数次小量的传感器数据)等特点,而且一般工作于全球开放的2.4GHz ISM(工业、科学和医学)频段。

这里有一些主要的设计约束条件:如果一个网络将包括众多节点,那么每个节点的成本必须很低(目前大约要低于5美元,将来会更低),而且事实上要免维护。由于有些节点很可能会位于难以接近的位置,因此能够由廉价的钮扣电池供电工作几个月甚至几年也变得非常关键。现在已有技术能够满足以上的条件。由ZigBee联盟所倡导的基于IEEE802.1.4标准的技术解决方案就是其中之一。还有很多专有技术也已被多方采用,其中包括 Dynastream公司的技术,即ANT。

实现无线传感器网络必须解决的技术难题包括:怎样避免节点间和来自其它射频源的干扰;网络的扩展升级问题;可以承载的节点数目;节点是否可以按需随时(ad hoc)地加入网络而不需对网络的其他部分进行再配置;所需带宽;怎样尽量减小功耗;所需的微处理器资源。

图:(a) 该种网络常被称作星状网(Star Network),形象地表示出一个中心节点与它周围节点的通讯关系;(b) 星状网可与其它星状网连接从而形成更复杂的系统,常被称作树状网或集群网。

图:(a) 该种网络常被称作星状网(Star Network),形象地表示出一个中心节点与它周围节点的通讯关系;(b) 星状网可与其它星状网连接从而形成更复杂的系统,常被称作树状网或集群网。

实际上,所有的实用网络问题都可以由较简单的预先确定好的网络结构来解决。其中最简单的结构就是点对点网络,即一个节点与另一个节点通讯。而复杂一些的网络将包括许多发送信息的外围节点和一个接收信息的接收节点。在健身和保健领域,这类网络得到了主要应用和验证。如图1(a)所示,一位骑车者佩带着运动手表(节点1),而节点2是GPS定位器,节点3是速度计,节点4时心率监测器。节点2、3和4同时通过各自专有的信道A、B和C与运动手表保持通讯。这种类型的网络常被称作星状网(Star Network),形象地表示出一个中心节点与它周围节点的通讯关系。星状网可与其它星状网连接从而形成更复杂的系统,常被称作树状网(Tree Network)或集群网(Cluster Network)(如图1b所示)。这一类型的无线网络不仅被用于体育和运动领域,还可被用在其它许多领域,譬如新兴的医疗检测设备,家庭自动化和工业控制等。这些例子表明绝大多数实际中的网络,在节点功能等同的条件下,不必要求每个节点都与其相邻的节点通讯。

实用的无线网络必须低成本,抗干扰(来自其它射频源,包括临近节点),性能可靠并且低功耗。每个网络节点都需要硬件来驱动。这个硬件作为网络的物理层(PHY)由一个无线收发芯片和与之相配的微处理器构成。物理层支持一个协议栈和一个应用层,构成了一套特殊指令集用于网络的应用。

通讯协议可能是保证实际无线网络如愿运行的最关键因素。它通过建立共存、数据表述、信令、鉴权和纠错等标准规则,来决定节点间的无线互联通讯。

要选择无线通信协议,有一种方法就是比较它们的功效,即数据包的开销(与特定节点建立通讯并决定数据怎样可靠传递所需的信息)和有效载荷 (真正有用的数据)的比率。除此之外,还有另外几点需要考虑。其中的关键包括无线收发部分本身的带宽和硬件效率,再加上通讯管理,即通讯时的物理层效率。在给定数据量的前提下,无线收发部分的带宽广义上与发射机需要保持在高能耗信息发射状态的时间长短相关。理论上,越宽的带宽,发射数据的速度越快,而无线发射部分必须在休眠状态以外的时间就越短。在实际应用中,增加带宽要消耗功率。一般认为最佳的折衷点在1Mbps,超过这个带宽,所得的收益反而不敷所增加的功率损耗了。

但是所有无线收发硬件效率所带来的功率节省却很容易被一个效率低下的物理层所拖累。无线收发部分在“开”的状态所消耗的电能比“关”的状态高几个数量级,所以“开”状态对整个功率消耗会产生最大的影响,所以真正的挑战是如何让无线收发部分尽量处在最低功耗的关机状态。

确定一个好的无线收发芯片和高效的协议只是设计实用无线网络的工作的一部分。无论你的网络包含两个、十个甚至上百个节点,最大的挑战还是怎样把这些节点连成可靠并可扩展升级的网络。

要实现这样的目标,关键是选择这样一种技术,其所有网络节点在物理连接层上具有等同的功能,从而在实际无线网络中既能作为“从”节点又能作为“主”节点,而且可在任何时间改变角色。换句话说,这些节点应该有能力作为发射方、接收方或发射接收方来建立通向其它节点的通路。在此基础上,每个节点还应该有能力跟据相邻节点的行为来确定发送信息的最佳时间。上述这些性能结合起来,意味着对于任何拓扑结构的网络,按需随时地加进一个节点是容易做到的。

建设一个执行实际功能的网络不仅仅要求节点互通,节点还要经过配置来执行具体的功能,选择适当的技术,这种功能配置会是相当的容易。设置、测试和调试都通过电脑图形用户界面来进行,就连不是专家的人也可在几小时而不是几天内完成。

超低功耗是实用无线网络的基本要求。为了最大限度的减少维护,供电的钮扣电池(例如CR2032,标称容量220mAh,峰值电流 25mA)需要能够维持网络节点正常运转几个月,最好几年。例如由Dynastream公司开发的ANT技术,它运转在Nordic半导体公司生产的 2.4GHz无线收发芯片上。对于一个每天工作一小时,每秒发送8字节数据的应用(例如位于足部的速度距离监测器与运动手表间的通讯),发射端与接收端的电池寿命分别是6.4年和5.6年。这个结果大大优于目前商用化的ZigBee解决方案。

与当代其它使用2.4GHz的无线技术一样,无线传感器网络也工作在这个日益拥挤的频段。其网络节点要送达信息,就必须与Wi-Fi、蓝牙、无绳电话以及其它网络节点来竞争,干扰规避策略是至关重要的。在2.4GHz频段,目前有三种公认的技术用来尽量减少设备受干扰的影响。一个是时隙分配方案。一个是直接序列扩频(DSSS),例如ZigBee所采用的技术。再有就是跳频扩频(FHSS),例如蓝牙所采用的技术。

使用DSSS和FHSS技术能达到目的,但是要求接收和发射端同步工作。在FHSS技术中,这样才能确保设备同时调整到相同的一段窄带频谱上。而在DSSS技术中,同步确保频带压缩使用与频带扩展相同的伪随机序列。同步的要求增加了网络的复杂性以及功耗。虽然在不需通讯时可以关掉同步部分以节省电能,但重新获得同步却要花费几秒时间并消耗更多的能量。

ANT的专有技术使用了一种自适应等时网络方案。它利用了设备中无线收发部分只用极短时间发送信息(每条信息小于150μs)这一特点,使得一个单一信道可被分隔成许多时隙。信息发送周期决定了到底划分几个时隙。在实际运转中,发射端以正常的间隔发送信息。但当在这个特别的时隙检测到相邻节点的干扰时,发射端会进行调整直到找到一个没有干扰的时隙。假如射频环境更加拥挤,ANT系统具有的频率捷变能力使得应用微处理器能够控制发射频率跳变到另外一个属于2.4GHz的1MHz频段上。

http://www.21ic.com/news/html/69/show26751.htm

TI发布2.4GHz ZigBee无线网络处理器,简化ZigBee设计并加速产品上市进程

Apr. 28, 2008 EETChina

ps: 终于看到了想要的一点东西,不过,TI并没有像243X那样,直接把RF功能和MSP430系列结合起来,看来还是有很多技术工作要做啊!

德州仪器(TI)宣布推出最新Z-Accel系列2.4 GHz ZigBee认证网络处理器中的首款产品——CC2480。该器件为工程师提供了完整的ZigBee功能,而无需全面了解繁琐的全功能ZigBee协议栈,从而尽可能减少了开发工作量,并简化了ZigBee功能与各种应用的集成工作,如家庭与楼宇自动化,以及工业监控等。此外,该器件还为客户提供了可与各种主机MCU协同工作的高灵活性。

TI发布2.4GHz ZigBee无线网络处理器,简化ZigBee设计并加速产品上市进程

TI发布2.4GHz ZigBee无线网络处理器,简化ZigBee设计并加速产品上市进程

CC2480 ZigBee处理器不仅显著简化了新型低功耗无线产品的设计工作,还使客户能够方便地在现有产品中添加无线功能,帮助他们在无需编写应用代码的情况下完成系统网络组件的设计工作。TI不断推出创新产品、软件与支持,帮助客户以更短开发时间与更低成本设计高级低功耗无线系统。

Z- Accel是一套全面的解决方案,TI的Z-Stack软件ZigBee-2006协议栈可在ZigBee处理器上运行,而应用程序则能在外部MCU上运行。CC2480能够处理所有时序关键型与处理密集型ZigBee协议任务,而将应用MCU的资源占用空间释放出来用于满足其他应用要求。CC2480不仅能够通过SPI 或UART接口与各种MCU通信,还能与TI的MPS430超低功耗MCU等器件相结合。

CC2480 广泛适用于各种环境下的ZigBee无线网络系统,其中包括家庭与楼宇自动化、工业监控、资产跟踪、低功耗无线传感器网络、机顶盒、远程控制、自动读表以及医疗应用等。

该器件支持SimpleAPI,只需掌握10个API调用即可,其无线电性能出色,而且功耗很低,还能在空闲期间自动进入低功耗模式。

供货情况与封装:

CC2480现已开始供货,可通过TI及其授权分销商进行定购,该器件采用7毫米x7毫米48引脚QFN封装。

利用全面的演示套件立即开始设计工作。eZ430-RF2480是一种基于USB的无线演示工具,提供了评估CC2480网络处理器与MSP430 MCU必需的所有软硬件。

低功耗RF开发商网络

TI低功耗RF开发商网络能帮助客户找到最佳的合作伙伴,以协助提供所需要的硬件设计、模块、嵌入式软件、网关、调试工具等。低功耗RF开发商网络包括TI推荐的公司、RF顾问以及独立设计机构,能提供丰富的硬件模块产品与设计服务。

link: eetchina

基于超低功RF收发器的植入式医疗设备通信系统设计

基于超低功RF收发器的植入式医疗设备通信系统设计

[日期:2008-5-30]
来源:电子系统设计  作者:Zarlink Semiconductor公司


Zarlink Semiconductor公司针对起搏器、神经刺激器、药泵以及其他此类植入式应用医疗设备的一款超低功率RF收发器芯片,其数据传输率高、功耗低,具有独特的唤醒电路。本文讨论了如何采用这款RF收发器实现体内通信系统的设计。

集成电路(IC)和医疗设备的开发在过去30年同时得到了发展。电路技术的发展促使了日益复杂、高度集成和小型化医疗器械的发展。同时,保健成本的不断增长和人们生活的更加富裕,身体的更肥胖以及寿命的延长,已经产生对依靠与基站无线连接的植入式医疗设备的新应用和治疗的需求。

传统上,植入式医疗设备的通信系统采用极短距离磁耦合,这就要求在编程器和医疗设备之间进行紧耦合,通常数据传输率低于50kbps。

为了克服距离的限制,402MHz ~ 405MHz医疗植入通信服务(MICS)频带在1999年启用,随后欧洲也出现类似标准。该频带支持较长距离 (通常2m)、相对高速的无线链接。由于信号在人体内的传输特性、与该频带内在业用户工作的兼容(如气象气球等辅助气象设备)及其全球可用性, 402MHz ~ 405MHz频带非常适合这种服务。

基于超低功RF收发器的植入式医疗设备通信系统设计

用于植入式医疗应用的电子系统的低功率设计难度巨大。例如,绝大多数植入式起搏器寿命要求长于7年,最大漏电流在10uA~ 20uA量级。由于需要支持起搏治疗而对电流消耗的要求,通信系统的电流设计量在设备寿命范围内总平均电流不超过总电流设计量的15%,即2uA~ 3uA。可植入式医疗系统的收发器必须定期“查看”或者监控外部通信设备,在不查看时,保持在很低的功率状态以储存能量。

设计考虑

为了能使用MICS频带,植入式医疗设备需要使用超低功率、高性能收发器。植入式设备收发器设计面临众多挑战,包括:

(1)400MHz通讯中为低功率。植入电池功率有限,并且植入电池的阻抗相对较高,这就限制了从电池吸入的电流。
(2)在通讯阶段,对大多数可植入设备,应将电流限制在小于6mA。
(3)处于休眠和定期“查看”以唤醒信号时,处于低功率。
(4)外部元件最少且物理体积最小。可植入级元件的价格昂贵,高集成度可以降低成本并增加系统整体可靠性。
(5)数据传输率合理。目前,起搏器应用要求数据传输率大于20 kbps,将来设计数据传输率要高得多。
(6)系统和数据传输的可靠性要高。
(7)选择性和干扰抑制能力,特别是欧洲TETRA无线电标准所要求的。
(8)距离一般要超过两米。距离越长则需要的灵敏度要越好,因为小天线和体损失影响链路预算和允许距离。天线、匹配、衰减和体损失的变化都很大,损失可能高达40dB~45dB。

基于超低功RF收发器的植入式医疗设备通信系统设计

ZL70101 MICS收发器在高数据传输率的情况下具有非常出色的低功耗特性。在高达800kbps的数据率下工作时,发射和接收电流都小于5 mA。电路具有独特的工作在2.45 GHz的超低功率唤醒系统,平均休眠/监控电流小于250nA。系统集成度高,只需要3个外部元件(晶振和两个去耦电容)和一个匹配网络。

医疗设备可以划分为使用内部非可再充电电池(如起搏器)类和感应耦合功率类(如人工耳蜗)。前者极力挖掘系统占空比潜力,目的是节省功率。收发器大部分时间都处于关闭状态,因此,关闭状态电流和周期性查找通讯设备需要的电流必须特别低(<1-2uA)。同时,两种情况下的发射和接收功率都要低(电流<6mA)。

在2.1V~ 3.5V电源电压下工作时, ZL70101的峰值接收/发射电流损耗<5mA,这个包括基本射频收发器和MAC电流。MAC确保用户能接收到高完整性数据,自动完成所需的大部分链路维护工作。此外,MAC协议提供有一个节省功率的定时器,传输一个数据包之后,该定时器将植入设备的接收器关闭一段编程好的时间。

要使以焦耳/位为单位定义的总功耗最小,在满足应用接收灵敏度要求的情况下,建议可植入收发器使用尽可能高的数据率。需要低数据传输率(甚至达到低kHz范围)的系统应该对数据进行缓冲,工作在尽可能高的数据率下,降低占空比以降低平均电流损耗。以短脉冲发送数据能节省功率,降低产生干扰的时间窗。此外,对高电池阻抗系统,由于从电容放电的脉冲更短,电源对去耦的要求可能更低。

收发器允许用户随接收器灵敏度的不同,从多种数据率(200 kbps, 400 kbps, 800 kbps)中进行选择。为便于实现这一灵活性,系统采用2 FSK或4 FSK调制,每秒200或400千字符,频率偏差可变(见表1)。通过采用片外数字滤波,可以达到更低的数据传输率和相应更高的接收器灵敏度。收发器具有一个MAC旁路工作模式,在该模式下射频完全可用。在这种配置下,用户可以开发定制协议和数据传输率。

总体系统架构

ZL70101工作于植入设备和外部基站(见图2)。基站包括发射2.45 GHz唤醒信号的附加电路。系统一旦通过2.45 GHz唤醒信号启动,就通过402MHz到405MHz MICS频带收发器交换数据。

ZL70101 MICS芯片(见图3)包含3个主要的子系统:一个400MHz收发器,一个2.45 GHz唤醒接收器及一个媒体存取控制器(MAC)。根据输入引脚的状态确定芯片用作植入医疗设备,或者基站编程器的收发器。

收发器采用一种中频(IF)低的带镜像抑制混频器的超外差架构。低的中频可使滤波器和调制器功耗最小,没有与高数据率、零中频架构相关的闪烁噪声和直流偏移问题。FSK调制方案降低了发射放大器线性要求,因而降低了功耗,并可以使用更简单的限制接收器。

如图3中标为半双工RF发射器的400MHz发射子系统,包含有一个中频调制器、一混频器和一功率放大器。IF调制器将一个一位(两个 FSK)或两位(4个FSK)异步数字输入数据流转换为中频。上变频混频器将中频转换成RF频率。注意,发射和接收模式的本振频率相同,这样就使接收和发射数据包之间的死区时间最短。

基于超低功RF收发器的植入式医疗设备通信系统设计

基于超低功RF收发器的植入式医疗设备通信系统设计

可通过寄存器自-4.5dBm~-17dBm(500 Ω负载),以小于3dB的步长编程发射功放的输出功率。所有RF输入的内部天线匹配电容组都可以细调匹配网络,对给定的功率设置,实现输出功率最大,接收器噪声指数最佳。天线调谐为自动刻度,其中采用了一种与ADC耦合的峰值检测器,同时带一校准控制状态机。

400MHz接收器子系统将MICS频带信号放大,将载波频率下变换到中频。低噪声放大器(LNA)增益为9dB~35dB可编程。对植入医疗设备收发器,建议采用更高的增益设置,而相对低一些的增益设置可以用于选择采用外部LNA的基站收发器。LNA和混频器偏置电流的可编程性使优化为理想的线性(IIP3)、功耗和噪声指数的灵活性进一步提高。

采用多相IF滤波器抑制镜像频率和邻近信道干扰,限制噪声带宽。多相滤波器之后接限制器和一接收器信号强度指示器(RSSI)模块。 RSSI测量由一个5位ADC转换,可以通过工业标准SPI接口读取。这对MICS无干扰信道评估程序有利。注意,首先必须通过MICS标准定义的一种无干扰信道评估程序,用一外部仪器确定一个合适的可用信道。

基于超低功RF收发器的植入式医疗设备通信系统设计

为此,还开发了一种为高可靠性医疗应用定制的专用协议由MAC处理,包括下列主要特征:

(1)采用Reed-Solomon前向误差校正(FEC)和周期冗余码(CRC)误差检测技术进行误差校正和检测。假设原无线电BER为10-3,则FEC和CRC之后的有效BER优于1.5×10-10
(2)故障情况下数据块能够自动再传输,并实现了流程控制以避免缓冲溢出。
(3)能够发送MICS紧急命令和高优先级信息。
(4)能处理链路看门狗,确保在通信没有成功5秒之后断开链路。
(5)提供链路质量诊断和自动校准控制。

基于超低功RF收发器的植入式医疗设备通信系统设计

超低功率唤醒接收器

由于储存电池能量最重要,所以大多数植入应用都很少使用MICS RF链路。在极低功率应用中,大部分时间内,收发器处于一种电流极低的休眠状态。除了在发送紧急命令外,采用MICS频带的系统必须在无干扰信道评估程序之后,等待基站启动通讯。植入收发器应该周期性查询基站是否要进行通讯。

唤醒系统采用一种工作在2.45GHz SRD频带的超低功率RF接收器,检测并解码一种专用数据包,该数据包由基站发射,然后接通芯片其余电源。芯片也可以由引脚控制直接启动,如基站启动、植入设备发送紧急命令或者采用选择性唤醒系统的植入设备就需要这种方式。

本文小结

超低功率无线技术对许多植入医疗设备很关键,包括起搏器、除颤器、神经刺激器、药物灌注系统、诊断传感器和迅速增长的植入式糖尿病监测器。然而,随着植入通讯系统发展为支持高级诊断和治疗,无线性能对植入医疗设备的电池寿命不产生影响很关键。

link: http://www.21ic.com/news/html/69/show27278.htm

Friday, May 02, 2008

Saving Energy in Data Centers

Saving Energy in Data Centers

A  group at Microsoft Research attacks the problem on two fronts.

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Monitoring the conditions: This sensor, a prototype developed by the Networked Embedded Computing group at Microsoft Research, is sensitive to heat and humidity. The group envisions using sensors like these to monitor servers in data centers, enabling significant energy savings. The sensors could also be used in homes to manage the energy use of appliances.
Credit: Microsoft Research

ps: 算是WSN的一个小应用吧

Data centers are an increasingly significant source of energy consumption. A recent EPA report to Congress estimated that U.S. servers and data centers used about 61 billion kilowatt-hours of electricity in 2006, or 1.5 percent of the total electricity used in the country that year. (See also "Data Centers' Growing Power Demands.") Concern about the amount of energy eaten up by data centers has led to a slew of research in the area, including new work from Microsoft Research's Networked Embedded Computing group, which was showcased last week in Redmond, WA, at Microsoft's TechFest 2008. The work attacks the energy-consumption problem in two ways: new algorithms make it possible to free up servers and put them into sleep mode, and sensors identify which servers would be best to shut down based on the environmental conditions in different parts of the server room. By eliminating hot spots and minimizing the number of active servers, Microsoft researchers say that the system could produce as much as 30 percent in energy savings in data centers.

The sensors, says Feng Zhao, principal researcher and manager of the group, are sensitive to both heat and humidity. They're Web-enabled and can be networked and made compatible with Web services. Zhao says that he envisions the sensors, which are still in prototype form, as "a new kind of scientific instrument" that could be used in a variety of projects. In a data center, the idiosyncrasies of a building and individual servers can have a big effect on how the cooling system functions, and therefore on energy consumption. Cooling, Zhao notes, accounts for about half the energy used in data centers. (He believes that the sensors, which he says could sell for $5 to $10 apiece, could be used in homes as well as in data centers, where they could work in tandem with a Web-based energy-savings application.)

Another aspect of the research, explains Lin Xiao, a researcher with the group, is new algorithms designed to manage loads on the servers in a more energy-efficient way. Traditionally, load-balancing algorithms are used to keep traffic evenly distributed over a set of servers. The Microsoft system, in contrast, distributes the load to free up servers during off-peak times so that those servers can be put into sleep mode. The algorithms are currently designed for connection servers, which are employed with services for which users may log in for sessions of several hours, such as IM services or massively multiplayer online games. Because long sessions are common, shifting loads requires complex planning in order to avoid disconnecting users and other problems with quality of service. Xiao says that the group has developed two types of algorithms: load-forecasting algorithms, which predict a few hours ahead of time how many servers will need to be working, and load-skewing algorithms, which distribute traffic according to the predictions and power down relatively empty servers.

The beauty of the system, Xiao says, comes when the two systems work in tandem. The sensors monitor the servers to make sure they're not being overcooled (a common problem in data centers, he says, since people often set the cooling system conservatively, to protect the equipment). In addition, the sensor system watches for hot spots, which can make the air-conditioning system work inefficiently. This information is then used by the load-skewing algorithms. Knowing that you want to shut down 400 servers is one thing. The sensor helps determine which ones to shut down.

Jonathan Koomey, a staff scientist at Lawrence Berkeley National Laboratory and the author of several reports on data-center energy consumption, says that he sees this type of research as one step toward a big-picture vision for data centers. "There's a focus by the big players in the data-center area to try to get to a point where they can shift computing loads around, dependent on not just electricity prices, but also weather and other variations." Ultimately, Koomey says, this could mean shifting loads not only within a data center, but also from region to region.

The group ran simulations using data from the IM service Windows Live Messenger and found that the system could produce about 30 percent in energy savings, depending on the physical structure of the data center and on how the system is configured. Zhao says that the savings produced by the group's system does depend on how the user chooses to deal with some inherent trade-offs. For example, he says, Microsoft is working on several areas of research that will help in modeling the unexpected, such as load spikes. However, a user might choose to keep more servers than is strictly necessary powered on as a reserve in case of a spike, at a corresponding loss in energy savings. "Our research shows the trade-off between energy saving and performance hit, and lets users choose the right balance," Zhao says.

Other researchers are working on developing techniques for shutting down servers at optimal times. Xiao says that the Microsoft group's work is distinguished by its focus on connection servers and the problems that come with shifting loads when users typically stay logged in for many hours.

"Servers are only being used [about] 15 percent of their maximum computing ability, on average," Koomey says, "so that means a lot of capital sitting around." He expects companies to be very motivated to implement the research that they do in this area, since "they want to make better use of their capital," he says. Wasting energy and computing power doesn't make good business sense.

link: http://www.technologyreview.com/Biztech/20388/page1/

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