网状网络的智能家居无线设计解决方案

网状网络是家庭理想的设计解决方案，但在设计和实施时需要考虑一些因素。创建网状网络允许轻松添加新设备，因为新设备连接到最近的邻居并且可以轻松扩展网络的整体覆盖范围。然而，这需要更复杂的认证过程，该过程必须在整个网络而不是在中央集线器中实现。虽然添加新设备可扩展范围，但它也会减少每个节点可用的带宽。这是因为数据必须与来自相邻节点的数据一起从一个节点跳到下一个节点。如果许多节点同时处于活动状态，则带宽可能会急剧下降。这对于高带宽应用来说可能是一个问题，例如用于无线安全的流式视频或监控智能家居中的摄像头，但对于无线传感器和执行器，它没有明显的影响。

IEEE802.15.4协议可能是家庭中网状网络最成熟的开放标准，ZigBee实现在全球数百万个节点中用于未经许可的2.4 GHz频段。使用最新版本，它已经更新，包括每个节点的IPv6寻址，并通过从环境中获取能量来支持超低功耗操作。

ZigBee PRO网络使用多种不同类型的设备构建。 ZigBee协调器控制网状网络的形成和安全性，而路由器扩展网状网的范围并连接到智能家庭中特定传感器或控制器的终端设备。这些功能可以很容易地组合在一个设备中，例如控制灯具的设备，也可以将消息路由到网络的其余部分。但是，这也允许端节点尽可能简单且成本低。

图1：智能家居中典型的ZigBee网状网络包含许多可以集成到单个设备中的不同功能。

图1所示的示例ZigBee拓扑包括一个协调器，五个路由设备，两个创建控制网络的终端设备和一个可选的组合协调器/gateway提供对Internet的访问。例如，在智能家居中，协调器可以是家庭影院控制系统，其具有用于房屋周围的照明和安全的附加智能支持。

Atmel的ATmega2564RFR2是一款低功耗8位微控制器，结合高数据速率2.4 GHz收发器，可用于在智能家居中构建经济高效的ZigBee端点。该控制器采用AVR Harvard架构，允许指令在单个时钟周期内执行，并实现接近1 MIPS/MHz的吞吐量。这使系统设计人员能够平衡功耗（例如基于电池的节点）与性能的对比。

无线电收发器提供250 kbit/s至2 Mbit/s的数据速率，通过帧处理，可以在网格中使用，以提供250 kbit/s的最小网络数据速率。该收发器提供晶体稳定的小数N分频合成器，支持完整的直接序列扩频信号（DSSS）处理，具有扩展和解扩，完全兼容IEEE802.15.4-2011/2006/2003协议和ZigBee标准坐在上面。 -100 dBm的接收器灵敏度和-17 dBm至+3.5 dBm的可编程发射输出功率使设计人员可以在整个智能家居中进行长达100米或更低功率操作的长距离链路。

图2：ATmega2564中的无线收发器直接连接到AVR控制器内核，以简化节点设计。

单芯片系统包括简化节点设计的所有元件，从内部电压调节到电源管理以及直接连接到AVR内核。它有32个通用8位寄存器，它们直接连接到算术逻辑单元（ALU）。这允许使用在一个时钟周期内执行的单个指令来访问两个独立的寄存器。这提供了非常有效的代码来保持RAM内存低，同时仍然实现比传统CISC微控制器快十倍的吞吐量。

ZigBee节点设计的一个关键要素是与外围设备（如传感器或控制器）的连接。这是通过图3所示的双线串行接口（TWI）处理的，它允许系统设计人员使用两条简单的双向总线互连多达128个不同的器件，一条用于时钟（SCL），另一条用于数据（SDA） ）。实现总线所需的唯一外部硬件是每个TWI总线的单个上拉电阻。连接到总线的所有设备都有单独的地址，这简化了数据传输，任何总线争用的解决方案都直接在TWI协议中处理。

图3：双线接口（TWI）简化了ZigBee网状节点中外设的连接。

TWI上的地址包长9位，有7个地址位，1个READ/WRITE控制位和1个应答位。如果READ/WRITE位置1，则执行读操作，否则应执行写操作，这样可避免任何总线争用。

另一个关键因素是功耗。这是通过一系列不同的电源管理模式在芯片中解决的。空闲模式会停止CPU，同时允许SRAM，定时器/计数器，TWI端口和中断子系统继续工作，以便外部传感器仍然可以向设备提供数据。掉电模式保存寄存器内容但冻结振荡器，禁用所有其他芯片功能，直到下一次中断或硬件复位。在待机模式下，RC振荡器正在运行，而设备的其余部分处于休眠状态，这样可以实现快速启动。

ZigBee网络支持多达64,000个独立设备，对于智能家居而言太过分了。蓝牙现在正在研究如何通过软件升级使用现有的蓝牙接收器来提供类似于ZigBee的网状功能。这将允许通过连接到一个设备的智能手机访问家庭周围的蓝牙网络，然后通过网格连接到所有其他节点。

德州仪器（TI）的CC2564独立蓝牙收发器针对传统蓝牙链路和最新的蓝牙低功耗（BLE）4.1协议。为了简化节点设计，免版税的软件蓝牙堆栈已经与TI的MSP430，ARMCortex-M3和Cortex-M4微控制器集成，后者连接到收发器。这种架构允许第三方开发人员在智能家居连接的BLE堆栈之上添加自己的网格功能。

图4：来自德克萨斯州的CC2564仪器连接到外部微控制器，可用于实现网状网络协议。

为了进一步简化智能家居中蓝牙节点的设计，Silicon Labs的BGM111蓝牙智能模块将收发器和控制器集中在一个模块中，该模块还可以承载最终用户应用程序。这意味着无需外部微控制器，从而使无线节点更小，更便宜。它还具有灵活的硬件接口，可轻松连接到不同的外围设备或传感器。

该模块可使用标准的3 V纽扣电池供电，但也可提供高达+8 dBm的发射功率节点设计者需要权衡范围和功耗。通常，模块具有严格定义的I/O引脚组，这可以限制设计与外部传感器接口的选项。使用BGM111模块，可将25个引脚组织成每个最多16个引脚的端口，这些引脚可单独配置为输出或输入引脚，也可用于漏极开路，开源或故障滤波配置。

图5：BGM111模块中的外围反射系统是一个内部交叉开关，允许高度灵活的I/O结构。蓝牙网络节点。

这是一个内部信号交叉开关，称为外围反射系统，如图5所示。该交叉开关允许将各种外设功能自由分配给任何GPIO焊盘，简化了应用板布局。这意味着同一模块可以轻松用于网状网络中的各种节点，GPIO线路经过重新配置，可支持不同应用中不同的电路板布局。

结论

网状网络作为一种以合理的成本通过家庭提供智能网络的方式正变得越来越流行。虽然ZigBee设备不断创新并在现有的网络控制器和经过良好测试的网状软件基础上进行构建，但蓝牙现在也通过专用收发器和模块进入该领域。这为设计人员提供了更多机会，可以为网状应用修改和优化蓝牙堆栈，或者使用灵活的集成模块。所有这些都有助于为家庭带来更多智能无线功能。