具備定位功能的ZigBee? SoC設計

今日相容于IEEE 802.15.4且適用于ZigBee的無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)器、微控制器及系統單芯片(SoC)半導體裝置已相當普及。高度整合的多功能SoC解決方案是促成ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )得以廣泛運用在眾多應用中的重要因素，包括工業(yè)監控、家庭及建筑自動(dòng)化、傳感器網(wǎng)絡(luò )，乃至于無(wú)線(xiàn)醫療解決方案。在以上解決方案中增添無(wú)線(xiàn)射頻裝置的定位功能使得這些網(wǎng)絡(luò )的價(jià)值得以大幅提升。
　　
定位功能
定位數據在許多應用中可以顯著(zhù)提升所交換信息的價(jià)值。對于病患監控、資產(chǎn)追蹤、庫存控制、保全、倉儲、制造物流以及對于高度敏感的服務(wù)與計費等相關(guān)應用而言，定位功能可以說(shuō)是驅動(dòng)了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展。節點(diǎn)或傳感器位置信息也有助于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的傳遞及調整。例如，無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)可以使用全球定位系統(GPS)之類(lèi)的現有系統取得位置信息。然而，GPS型系統可能相當昂貴，而且對于低成本且大范圍的簡(jiǎn)易網(wǎng)絡(luò )應用而言，也可能過(guò)于耗電且復雜。此外，GPS可以在室外環(huán)境有效又精確地發(fā)揮定位功能，但在室內則未必如此。

在許多無(wú)線(xiàn)個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò )(WPAN)應用中，針對具備定位功能的網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，其吸引力在于低成本的傳感器裝置，以及以低功耗自動(dòng)運作達到較長(cháng)的設備使用壽命。由于ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò )具有多樣性，而且預期未來(lái)會(huì )相當普遍，因此區域定位很可能成為這類(lèi)無(wú)線(xiàn)系統中最令人興奮的特色之一。其中的概念是，透過(guò)簡(jiǎn)易且符合成本效益的方式，在大量的 ZigBee網(wǎng)絡(luò )加入定位功能，即將定位功能加入傳感器節點(diǎn)硅芯片裝置中，這只會(huì )稍微提高復雜程度和成本。若將此類(lèi)位置模塊整合于芯片，并且運用無(wú)線(xiàn)信號處理過(guò)程中既有的信號指示器估計位置，例如接收信號強度指針(RSSI)，即可將增加的尺寸大小與功耗以及位置估計工作的復雜程度降至最低。無(wú)線(xiàn)射頻定位是相當繁復的過(guò)程。透過(guò)分布式方法(算法)，可以將整個(gè)過(guò)程分成多個(gè)可管理的工作項目，這不僅能夠使節點(diǎn)所需的資源量相對減輕，且相較于集中式的方法也能夠明顯減少位置相關(guān)的網(wǎng)絡(luò )流量。

內建定位引擎的ZigBee SoC
對于大多數ZigBee型無(wú)線(xiàn)應用而言，若要使應用系統的成本及設計復雜程度降低，卻又不減損 IEEE 802.15.4/Zigbee技術(shù)的功能，具備最優(yōu)設計的系統單芯片裝置是重要關(guān)鍵。真正實(shí)行系統單芯片解決方案，也就是將無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)器、數據處理單元、內存及使用者應用功能等所有的運作功能，整合于一個(gè)硅芯片，即可達到高效能、低成本及快速上市等優(yōu)點(diǎn)。低功耗之所以能夠發(fā)揮高效能，是因為芯片內建專(zhuān)門(mén)功能緊密交互作用，使得耗用的資源大幅降低。透過(guò)最低程度的系統物料清單 (BOM)、較小的體積尺寸與較少的組件、較簡(jiǎn)易的組裝與測試，以及簡(jiǎn)單且可靠的設計，其制造成本得以降低并能加速上市時(shí)程。

圖1是市售硅芯片解決方案中具有代表性的CC2431，這是一款真正的系統單芯片CMOS器件，不僅能夠發(fā)揮高效能，而且能夠滿(mǎn)足以2.4GHz ISM頻帶運作的IEEE 802.15.4/ZigBee無(wú)線(xiàn)標準對于低成本及低功耗的需求。由于2.4GHz ISM頻帶具備最大頻寬且全球通用，能夠促進(jìn)全球市場(chǎng)的發(fā)展及應用設計的彈性，IEEE 802.15.4標準的2.4GHz PHY因而具有相當大的潛力。CC2431將高效能2.4GHz直接序列展頻(DSSS)無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)器結合廣受業(yè)界肯定的精巧型高效率8051微控制器、8KB RAM、128KB嵌入式閃存，以及其他實(shí)用的支持功能。其中一項是強大的RSSI定位引擎，適用于低功耗ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用，例如，資產(chǎn)追蹤、病患監控、庫存控制、保全及試行網(wǎng)絡(luò )。芯片內建定位引擎的一項主要功能是分布算法，例如，在各個(gè)節點(diǎn)進(jìn)行位置計算。由于過(guò)程中只傳輸計算的位置，而非進(jìn)行計算所使用的數據，因此在節點(diǎn)進(jìn)行位置計算能夠減少集中式運算法會(huì )出現的網(wǎng)絡(luò )流量及通信延遲。

圖1 具備定位功能的ZigBee SoC裝置

分布式定位功能(Distributed Localization)
CC2431的定位引擎是數字硬件區塊，能夠使無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)在IEEE 802.15.4或ZigBee網(wǎng)絡(luò )中以迅速有效的方式?jīng)Q定自身的平面位置坐標。利用相同引擎的多個(gè)參照節點(diǎn)或其他動(dòng)態(tài)鄰近節點(diǎn)所接收到的信號值，可以統計、演算與估計最可能的位置，以完成無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)的定位。

定位引擎模塊的設計使其便于使用及與芯片內建的微控制器接合。這個(gè)獨立模塊的功耗相當低并且運作快速，因此能夠持續使用，完全不會(huì )耗用裝置的運算資源。

在網(wǎng)絡(luò )中，已知位置的節點(diǎn)稱(chēng)為參照節點(diǎn)，位置未知而需要計算的節點(diǎn)則稱(chēng)為待測節點(diǎn)(blind node)。根據距離最近的參照節點(diǎn)所收到的信息，CC2431能夠運用分布式定位功能得知待測節點(diǎn)的位置。

其中的網(wǎng)絡(luò )流量?jì)H局限于(待測)節點(diǎn)的通信范圍內所涵蓋的節點(diǎn)，而不會(huì )擴及到可能相距甚遠的中央節點(diǎn)。此分布式方法能夠處理相同網(wǎng)絡(luò )的大量待測節點(diǎn)，而集中式方法的網(wǎng)絡(luò )流量則會(huì )因為待測節點(diǎn)過(guò)多而急遽增加。在參照節點(diǎn)與待測節點(diǎn)間交換的必要信息為參照節點(diǎn)的X與Y坐標。參照節點(diǎn)接收到的信息中內含所測得的RSSI值，定位引擎會(huì )根據參照(X，Y)坐標以及此RSSI值，計算出自身的(X，Y)坐標。

兩個(gè)無(wú)線(xiàn)射頻之間的RSSI值深受環(huán)境(變化)的影響，為了補足這個(gè)變動(dòng)，CC2431的定位引擎會(huì )收集3～16個(gè)參照節點(diǎn)的數據，以用于計算位置。如果接收到的數據來(lái)自16個(gè)以上的節點(diǎn)，則會(huì )將接收的參照節點(diǎn)位置加以排序，并使用其中16個(gè)最強的參照RSSI值。

ZigBee網(wǎng)絡(luò )使用CC2431進(jìn)行的實(shí)際室內測量如圖2所示。

圖2 CC2431的分布式定位

結論
低功耗無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的應用除了具備可觀(guān)的商機，還能夠提升日常生活的安全性、舒適性及效率。采用高穩定IEEE 802.15.4標準的ZigBee具有技術(shù)質(zhì)量與業(yè)界支持，能夠促進(jìn)無(wú)線(xiàn)傳感器解決方案的普及。

整合于CC2431的定位引擎能夠運用既有的ZigBee基礎架構來(lái)發(fā)揮定位功能，并且能夠以ZigBee網(wǎng)絡(luò )中傳感器節點(diǎn)的‘室內智慧’精確度進(jìn)行分布式位置估計，不僅相當節能，而且能大幅降低通信所需的經(jīng)費。重要的位置信息可用于對位置相當敏感的服務(wù)、追蹤與監控，以及導航用途。