如何選擇正確的無(wú)線(xiàn)協(xié)議：802.15.4、zigbee以及專(zhuān)有網(wǎng)絡(luò )對比

　　許多設計人員都聽(tīng)說(shuō)過(guò) zigbee 與 IEEE 802.15.4 標準，但不清楚到底應該選擇zigbee，還是 802.15.4，抑或是開(kāi)發(fā)自己的專(zhuān)有網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。本文將以專(zhuān)有協(xié)議為例，介紹各種協(xié)議的優(yōu)勢，并在性能和應用領(lǐng)域方面進(jìn)行對比區分。討論不同的網(wǎng)絡(luò )拓撲、資源要求以及靈活特性，從而幫助利益相關(guān)方（interested party）選擇最適合自己應用需求的開(kāi)發(fā)協(xié)議。

　　本文分三部分講述低功耗網(wǎng)絡(luò )及在他們之間如何選擇的問(wèn)題。第一部分論述網(wǎng)絡(luò )基礎知識以及低功耗網(wǎng)絡(luò )選擇標準；第二部分繼續探討選擇標準，并介紹802.15.4 協(xié)議；第三部分介紹 zigbee 和專(zhuān)有網(wǎng)絡(luò )協(xié)議 SimpliciTI，并根據上述選擇標準衡量這些協(xié)議。

　　第一部分

　　電子市場(chǎng)中的最主要趨勢之一就是越來(lái)越多的產(chǎn)品都開(kāi)始添加無(wú)線(xiàn)連接功能。水電氣表、家庭安全系統、電視遙控或健身設備等各種產(chǎn)品都添加了無(wú)線(xiàn)連接功能，這一方面是為了方便用戶(hù)使用，用戶(hù)可通過(guò)無(wú)線(xiàn)遙控在房間任意位置操控，不像紅外線(xiàn)遙控非要瞄準設備才能工作；另一方面，這種無(wú)線(xiàn)操控也是為了減少房間重新布線(xiàn)的昂貴成本例如不用重新布線(xiàn)就能安裝家庭安全系統等。此外，自動(dòng)抄表系統 （AMR） 或高級電表架構 （AMI） 等設備也越來(lái)越依賴(lài)低功耗協(xié)議使設備的電池使用壽命能夠長(cháng)達數年之久。

　　本文將概括介紹無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，不過(guò)將重點(diǎn)介紹 zigbee 與 802.15.4 協(xié)議，并將其與專(zhuān)有網(wǎng)絡(luò )協(xié)議進(jìn)行對比，這些協(xié)議根據設計都能滿(mǎn)足低功耗應用的要求。盡管許多工程師對這些網(wǎng)絡(luò )協(xié)議都已經(jīng)比較熟悉了，但可能還沒(méi)有仔細對其加以評估。即便有人曾經(jīng)評估過(guò)這些協(xié)議，但在特定應用時(shí)可能仍不清楚到底哪種協(xié)議最合適。本文分三部分。第一部分，我們將介紹網(wǎng)絡(luò )基礎知識，其中包括常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò )術(shù)語(yǔ)、開(kāi)放系統互連 （OSI） 網(wǎng)絡(luò )模型等，并探討在為特定應用選擇網(wǎng)絡(luò )時(shí)應考慮的因素；第二部分，我們將給出一系列網(wǎng)絡(luò )選擇標準，根據這些標準對三種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議加以對比；第三部分，我們將詳細介紹 802.15.4、zigbee 以及 SimpliciTI 專(zhuān)有網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，并給出具體實(shí)例，說(shuō)明如何根據選擇標準確定適合特定應用的最佳網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。

　　目前，推出的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議種類(lèi)繁多。下面我們僅列出部分網(wǎng)絡(luò )協(xié)議：

　　WiFi（802.11b）、藍牙、zigbee、zigbee Pro、802.15.4、RFID 以及 Wireless USB 等標準化協(xié)議。

　　芯片廠(chǎng)商、第三方等推出的專(zhuān)有協(xié)議，本文稱(chēng)之為“DIY”網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，僅用于推出該協(xié)議的公司自己生產(chǎn)的產(chǎn)品中。

　　圖 1 顯示了多種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議及其重點(diǎn)應用領(lǐng)域和典型資源要求等。我們在比較低功耗協(xié)議（如 zigbee/802.15.4 與其它協(xié)議）時(shí)，應重點(diǎn)關(guān)注低功耗無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )區別于其它網(wǎng)絡(luò )的一些關(guān)鍵特性，比如數據速率低、連接距離短、幀開(kāi)銷(xiāo)低、復雜性低等，還有就是協(xié)議本身的電源管理要求。上述各項設計因素都是為了最終實(shí)現降低網(wǎng)絡(luò )單位節點(diǎn)功耗的目的。如圖 1 所示，zigbee/802.15.4 協(xié)議理想適用于環(huán)境監控市場(chǎng)領(lǐng)域中的相關(guān)應用，不僅可確保電池供電設備能長(cháng)時(shí)間最佳工作，而且相對于支持更大型復雜化協(xié)議的硬件來(lái)說(shuō)還能有效降低成本。

　　低功耗網(wǎng)絡(luò )主要設計用于為電池供電設備（電池使用壽命達數月或數年之久）間提供無(wú)線(xiàn)連接。大多數低功耗無(wú)線(xiàn)系統中，以無(wú)線(xiàn)電發(fā)送和接收數據最為耗電。因此，我們應盡可能降低無(wú)線(xiàn)電的功耗，這對延長(cháng)電池使用壽命至關(guān)重要。由于信號發(fā)送和接收之間的距離與天線(xiàn)的功率輸入成正比，因此不同節點(diǎn)間的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍一般有限。無(wú)線(xiàn)協(xié)議還應降低自身的復雜性，以降低計算開(kāi)銷(xiāo)，避免使用大容量存儲器，從而降低成本。

　　網(wǎng)絡(luò )基礎知識

　　圖 2 顯示了典型低功耗網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的結構圖。通常，節點(diǎn)中有一個(gè)或多個(gè)傳感器負責收集數據或狀態(tài)和/或向系統提供用戶(hù)接口。微控制器連接于傳感器并控制無(wú)線(xiàn)電（本例中為 CC1100 或 CC2500），而無(wú)線(xiàn)電則負責傳輸和接收狀態(tài)。

　　圖 2 — 典型低功耗網(wǎng)絡(luò )結構圖（本例顯示的是自動(dòng)抄表系統應用）

　　不管是有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )還是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，我們在概念上都可將網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)通信視為如圖 3 所示的網(wǎng)絡(luò )開(kāi)放系統互連 （OSI） 基本參考模型。這一模型于上世紀 70 年代末由國際標準化組織 （ISO） 制定，該模型將網(wǎng)絡(luò )協(xié)議實(shí)施組件（component）分為不同的軟件層。在不同設備上的兩個(gè)應用要想通信，消息必須穿過(guò)應用層，經(jīng)過(guò)物理層到達另一側。每一層都只能與其相鄰層通信。

　　怎么理解分層軟件架構呢？我們可以設想一下寄信的過(guò)程。信件本身就相當于應用數據。我們把信投在信箱里，等著(zhù)郵遞員取出，再拿到郵局。郵局根據收信人地址將所有信件分類(lèi)，再通過(guò)航空、海運或陸路方式將信件寄到最終目的地。信件要想達到收信人的手中，在收信人一方的郵局也必須經(jīng)過(guò)相反的一套程序，先是寄到收信人所在的郵局，按目的地分類(lèi)，再發(fā)送到收信人的郵箱，最終達到收信人手里。寄信過(guò)程實(shí)際反映了一個(gè)四層通信協(xié)議。寫(xiě)信是第一層，當地郵局的收發(fā)是第二層，郵局對信件分類(lèi)是第三層，而信件運輸方式則是第四層。每一層都有自身的任務(wù)，也只同相鄰層有關(guān)。信件只有從整個(gè)環(huán)節的一端傳送到另一端，信件的內容（或應用數據）才能在雙方之間得到成功交流。

　　OSI 模型涉及 7 個(gè)不同的軟件層。應用層是直接針對用戶(hù)的界面。表示層將消息格式化為進(jìn)出網(wǎng)絡(luò )的格式，通常體現為消息加密和/或編碼。會(huì )話(huà)層創(chuàng )建并管理網(wǎng)絡(luò )上任何兩個(gè)設備間的邏輯鏈接。傳輸層負責提供可靠的端對端通信功能。如果傳輸層的故障過(guò)于頻繁，那么通道噪聲可能過(guò)大，或鏈接本身質(zhì)量不佳，這時(shí)就要通知會(huì )話(huà)層在發(fā)生故障的節點(diǎn)間建立新的鏈接。網(wǎng)絡(luò )層負責網(wǎng)絡(luò )路由機制，而不同設備間的消息傳輸則由數據鏈路層負責。數據鏈路層確保消息點(diǎn)對點(diǎn)交付，但消息在物理介質(zhì)上的實(shí)際傳輸則由物理層負責。這樣，消息就能從 OSI 模型的一端傳輸至另一端。

　　設計人員可以選擇實(shí)施不同數量層的協(xié)議，并能根據應用需要選擇定制其它層。目前大多數網(wǎng)絡(luò )實(shí)施方案實(shí)際上都不能完全實(shí)施所有的層，需要根據協(xié)議要求將某些層的功能加以混合。事實(shí)上，OSI 模型是我們理解協(xié)議架構復雜性和不同功能的最佳框架。設計人員應當明白自己的解決放案要實(shí)施哪些功能，哪些功能可不予以考慮。

　　為了明確到底在 zigbee、802.15.4 和專(zhuān)有網(wǎng)絡(luò )之中選擇何種無(wú)線(xiàn)協(xié)議，我們列出一些選擇標準：

　　應用考慮事項

　　穩健性與可靠性

　　簡(jiǎn)便易用性

　　硬件及 RF 考慮事項

　　下面我們將詳細討論上述各標準。

　　應用考慮事項

　　網(wǎng)絡(luò )設計的初始步驟與其它任何系統設計工作一樣，都是定義應用的高級要求。下面我們列出一些最重要的網(wǎng)絡(luò )參數，這是在確定任何無(wú)線(xiàn)協(xié)議作為最終解決方案之前都應加以明確定義的。我們隨后在本文中將根據這些標準來(lái)介紹可能的實(shí)施方案，而這些選擇標準和協(xié)議本身都將得到進(jìn)一步詳細說(shuō)明。

　　網(wǎng)絡(luò )拓撲

　　應用需要多少個(gè)節點(diǎn)？節點(diǎn)采取什么樣的基本組織形式？

　　通信可靠性

　　網(wǎng)絡(luò )對每個(gè)數據包的接收有多重要？

　　網(wǎng)絡(luò )安全性

　　數據是否需要確保安全？如果需要的話(huà)，網(wǎng)絡(luò )數據傳輸的絕對安全性到底有多重要？

　　定制和設計的靈活性

　　網(wǎng)絡(luò )協(xié)議解決方案需要進(jìn)行多大程度的定制化以滿(mǎn)足應用需求，協(xié)議是否提供無(wú)約束設計？

　　開(kāi)發(fā)時(shí)間及協(xié)議復雜性

　　這一條與第 4 項密切相關(guān)，有關(guān)協(xié)議本身的復雜性有多高？

　　互操作性

　　與其他廠(chǎng)商技術(shù)的互操作性是否能使最終產(chǎn)品受益？最終產(chǎn)品是否會(huì )成為完全專(zhuān)有解決方案？

　　圖4給出了四種最常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )拓撲實(shí)施方案。

　　點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )拓撲支持網(wǎng)絡(luò )上不同節點(diǎn)間的單向或雙向鏈接。只有節點(diǎn)處在連接范圍以?xún)葧r(shí)才會(huì )相互通信，因為保持直接的物理鏈接是其通信的必要條件；唯一的例外是廣播消息，其可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )重復廣播傳播。樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )拓撲中，每個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)都與其父節點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，網(wǎng)絡(luò )尋址也會(huì )反映出這種節點(diǎn)關(guān)系，這與 IP 因特網(wǎng)地址非常類(lèi)似。這樣，我們就能實(shí)施更加有效的路由算法，因為更多的節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )地址位數可以反映出某個(gè)節點(diǎn)相對于其對等節點(diǎn)的關(guān)系。星形網(wǎng)絡(luò )可將單個(gè)節點(diǎn)視為網(wǎng)絡(luò )協(xié)調點(diǎn)，負責各種可能的網(wǎng)絡(luò )管理控制工作，如節點(diǎn)關(guān)聯(lián)、節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )加入與鏈接許可、消息轉發(fā)以及安全交換等。星形網(wǎng)絡(luò )依靠協(xié)調點(diǎn)來(lái)保持網(wǎng)絡(luò )通信，如果協(xié)調節點(diǎn)出了問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò )通信也會(huì )受到影響。

　　從最基本的意義上說(shuō)，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )是指每個(gè)節點(diǎn)至少要有兩條連接路徑的網(wǎng)絡(luò )。而全網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )是指每個(gè)節點(diǎn)都有到其它節點(diǎn)的直接連接的網(wǎng)絡(luò )。全網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )在許多情況下是不合理的，因為這很快就會(huì )將網(wǎng)絡(luò )規模限制在連接能力最弱的設備所覆蓋的最小網(wǎng)絡(luò )范圍內，而網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的要求又過(guò)于嚴格。然而，人們會(huì )在兩種情況之間找到某種折中，通過(guò)某個(gè)中央節點(diǎn)發(fā)起網(wǎng)絡(luò )，用樹(shù)狀尋址技術(shù)來(lái)定位節點(diǎn)并管理節點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。范圍擴展器也稱(chēng)路由節點(diǎn)，可在網(wǎng)絡(luò )中發(fā)送消息，如果一個(gè)節點(diǎn)或協(xié)調節點(diǎn)出了問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò )仍能繼續正常工作，只是會(huì )在一定程度上影響操作性。自愈路由發(fā)現以及路由過(guò)期 （route expiraTIon）等其它優(yōu)異特性可提高路由算法的可靠性與效率。

　　需要考慮的另一個(gè)重要因素是使用某協(xié)議所涉及的財務(wù)成本。使用某組織提供的專(zhuān)有網(wǎng)絡(luò )協(xié)議一般要支付會(huì )員費或專(zhuān)利使用費。不過(guò)使用 zigbee 無(wú)需支付專(zhuān)利使用費，但要求加入該聯(lián)盟并每年交納象征性的會(huì )員費的。此外，驗證過(guò)程也需要投入大量的時(shí)間和金錢(qián)。芯片廠(chǎng)商的專(zhuān)有協(xié)議通常要求其產(chǎn)品只許在其特許場(chǎng)所使用。

　　穩健性與可靠性

　　低功耗網(wǎng)絡(luò )協(xié)議實(shí)施的穩健性與可靠性可歸結為三點(diǎn)：消息交付、物理層考慮事項以及消息發(fā)送協(xié)議。消息交付取決于路由技術(shù)來(lái)確保數據包的成功傳輸以及網(wǎng)絡(luò )交易的安全性。物理層考慮事項涉及工作通道內的噪聲或其它傳輸信號的干擾問(wèn)題。消息發(fā)送協(xié)議則定義了通道的分區，確保所有設備都能使用物理介質(zhì)，而不會(huì )在傳輸過(guò)程中導致數據包沖突。上述三點(diǎn)均有助于提高網(wǎng)絡(luò )服務(wù)質(zhì)量 （QOS），是一系列用以測量數據包通信效率、傳輸速率及故障率的網(wǎng)絡(luò )標準。

　　通道掃描即偵聽(tīng)通道中傳輸量或噪聲大小的能力，屬于物理層考慮事項。網(wǎng)絡(luò )協(xié)議通過(guò)通道掃描來(lái)查找特定工作頻帶內最不可能干擾節點(diǎn)間通信的通道。頻率捷變性是指網(wǎng)絡(luò )改變網(wǎng)絡(luò )上所有節點(diǎn)的工作通道的能力，這樣即便某條通道遭到干擾，網(wǎng)絡(luò )仍能繼續工作。我們還能通過(guò)確認機制來(lái)改善消息交付能力，即讓接收節點(diǎn)在成功接收數據包后向最初的發(fā)送節點(diǎn)反饋一個(gè) ACK 確認信息。點(diǎn)對點(diǎn)確認機制配合消息重試次數定義有助于大幅降低數據包丟失的可能性。而端對端確認機制將提供另一層安全性，確保數據包不會(huì )丟失，這在采用復雜路由算法的大型多跳轉網(wǎng)絡(luò )中尤其重要。

　　消息發(fā)送協(xié)議定義了網(wǎng)絡(luò )帶寬是如何獲得并進(jìn)行分區的。不同的無(wú)線(xiàn)協(xié)議可定義不同的帶寬分區，其可能包括頻分、空分、時(shí)分或碼分等。頻分可理解為一屋子的人用高低不同的聲音談話(huà)；空分可理解成一屋子的人在不同方向上談話(huà)；時(shí)分可理解成一屋子的人都競爭說(shuō)話(huà)權，但只要有一個(gè)人搶先發(fā)言，其他人就不再說(shuō)話(huà)了；碼分則可理解為一屋子的人用高低不同的聲音講不同的語(yǔ)言。在本文涉及的協(xié)議中只討論時(shí)分，也就是時(shí)分多址協(xié)議，這種協(xié)議有同步和異步通信兩種可能的實(shí)施方案。

　　協(xié)調節點(diǎn)廣播周期性網(wǎng)絡(luò )信標并將不同信標間的時(shí)間間隔劃分為相同的時(shí)隙，從而實(shí)現同步通信。單個(gè)網(wǎng)絡(luò )信標以及出現在下一信標之前的各時(shí)隙均稱(chēng)作超幀。超幀的時(shí)隙可進(jìn)一步分為活動(dòng)和非活動(dòng)通信期，這樣協(xié)調節點(diǎn)在非活動(dòng)期的低功耗模式下就能進(jìn)入休眠狀態(tài)。我們可通過(guò)通道偵聽(tīng)多址（CSMA）技術(shù)或通信前偵聽(tīng)算法來(lái)確?；蜃尭鞣綘幱脮r(shí)隙。

　　CSMA 算法定義了多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)嘗試通信時(shí)判優(yōu)RF 通道使用的協(xié)議。最常見(jiàn)的實(shí)施方案是采用 CSMA/CA 算法，這里的 CA是指防碰撞系統，因為發(fā)送節點(diǎn)一旦偵聽(tīng)到通道繁忙將取消發(fā)送消息。CSMA 算法還有其它的實(shí)施，如 CSMA/CD（碰撞檢測）和CSMA/CR（碰撞解決）等，但這些在 RF 協(xié)議實(shí)施中并不常見(jiàn)，也不在本文討論的范圍之內。

　　安全性是影響無(wú)線(xiàn)通信穩健性的另一個(gè)重要因素，同時(shí)也是網(wǎng)絡(luò )的主要功能。例如，家庭安全網(wǎng)絡(luò )可能包含一個(gè)車(chē)庫門(mén)開(kāi)啟器，用它來(lái)開(kāi)關(guān)車(chē)庫門(mén)鎖。這種系統需具有高度的安全性，防止偷聽(tīng)或出現安全漏洞，確保隱私。我們可通過(guò)采用不同級別的安全密鑰和加密機制、進(jìn)行消息驗證與完整性保護、使用安全信任中心（trust center）等方式來(lái)確保安全性，也就是說(shuō)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )上的單個(gè)節點(diǎn)（通常是網(wǎng)絡(luò )協(xié)調節點(diǎn)）而不是采用分布式安全機制來(lái)解決所有安全問(wèn)題。如果采用分布式安全機制，在創(chuàng )建不同鏈接時(shí)會(huì )分別交換對稱(chēng)密鑰，某個(gè)攻擊節點(diǎn)會(huì )繞開(kāi)管理節點(diǎn)的直接驗證，很容易進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )。

　　第二部分

　　在本文第一部分，我們討論了包括開(kāi)放系統互連（OSI）網(wǎng)絡(luò )模型在內的網(wǎng)絡(luò )基礎知識，并介紹了低功耗網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)以及包括應用考慮事項和穩健性與可靠性等在內的相關(guān)選擇標準。在第二部分中，我們將探討更多選擇標準，介紹802.15.4協(xié)議并將其與上述選擇標準進(jìn)行了比較。

　　簡(jiǎn)便易用性

　　簡(jiǎn)便易用性反映為對協(xié)議可用性的主觀(guān)分析。包括代碼可讀性、支持文檔、直接工程設計支持和簡(jiǎn)化的 API 等在內的多種因素都有助于簡(jiǎn)化對哪怕是最復雜軟件系統的學(xué)習進(jìn)程；不過(guò)，本文所說(shuō)的簡(jiǎn)便易用性是從協(xié)議的復雜程度角度來(lái)說(shuō)的。根據不同應用要求，設計人員可能認為須采用高度復雜的協(xié)議，但我們應認識到，軟件實(shí)施方案越復雜，特性集也就越豐富。802.15.4、zigbee 和 SimpliciTI 等低功耗無(wú)線(xiàn)協(xié)議正好實(shí)現了復雜性與簡(jiǎn)便易用性的最佳平衡，其提供的完整協(xié)議架構，便于設計人員理解并發(fā)揮特性集的全部?jì)?yōu)勢。如實(shí)施方案過(guò)于復雜，即便經(jīng)驗豐富的嵌入式開(kāi)發(fā)人員都可能感到頭疼。因此，協(xié)議特性與簡(jiǎn)便易用性相平衡是我們要考慮的一個(gè)重要選擇標準。

　　硬件與 RF 考慮事項

　　我們應考慮的一些硬件和應用問(wèn)題，其中包括系統的物理規模、傳輸距離、成本預算、功耗預算，以及應用特性（如要求語(yǔ)音識別或用戶(hù)接口）等。只有回答了這些問(wèn)題，我們才能確定采用何種無(wú)線(xiàn)協(xié)議，才能明確支持何種微控制器特性。在超低功耗協(xié)議設計中應考慮的關(guān)鍵硬件選擇標準如圖 5所示。

　　上述選擇標準適用于本文所討論的有關(guān)協(xié)議，也是在實(shí)施最終解決方案評估硬件時(shí)可借鑒的重要依據。我們還應處理一些系統級問(wèn)題，如硬件的物理尺寸，因為這會(huì )限制MCU和/或無(wú)線(xiàn)電的選擇。在某些情況下，在單個(gè)器件上集成了MCU和無(wú)線(xiàn)電的片上系統（SOC）是一款具有最佳尺寸與特性的解決方案。而在其它情況下，尺寸的限制意味著(zhù)支持集成模擬功能的 ADC 等會(huì )決定 MCU 的選擇。此外，硬件的選擇還會(huì )受到協(xié)議本身對存儲器和 MCU 資源要求的影響。如果協(xié)議實(shí)施的資源要求對MCU的應用性能有一定局限，那么設計人員就可選擇專(zhuān)門(mén)用來(lái)支持實(shí)施方案的無(wú)線(xiàn)應用處理器，如zigbee 協(xié)議棧處理器，這樣就能讓“應用”MCU來(lái)實(shí)施定制應用功能。

　　在詳細討論協(xié)議之前，圖 6 以 MSP4304618 MCU 和 CC2420 無(wú)線(xiàn)電廣播為例顯示了協(xié)議的范例編制，使讀者對實(shí)際實(shí)施中的內存占用情況有個(gè)一般性的了解。

　　802.15.4

　　802.15.4 標準是由 IEEE 802.15第4任務(wù)組 （IEEE 802.15 Task Group 4） 開(kāi)發(fā)的低功耗無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準。原始標準于 2003 年發(fā)布，后經(jīng)修改由 2006 年版取代。隨著(zhù)越來(lái)越多的電子設計人員要求一種適用于低復雜性、低數據速率以及（大多數情況下）電池供電應用的實(shí)施方案，該標準應運而生。具休而言，開(kāi)發(fā)該標準旨在面向家庭自動(dòng)化、工業(yè)控制、農業(yè)以及安全監控等領(lǐng)域的應用。包括 zigbee和 zigbee Pro 等在內的若干種其它協(xié)議也采用 802.15.4 作為物理層和數據鏈路層。

　　也有人將 802.15.4 標準稱(chēng)為 MAC，即媒體接入控制 （Medium Access Control） 標準，因為其可定義網(wǎng)絡(luò )中任意兩個(gè)對等設備的通信協(xié)議。從概念上講，我們能夠以全功能設備 （FFD） 或簡(jiǎn)約功能設備 （RFD） 的方式實(shí)施802.15.4 個(gè)人局域網(wǎng) （PAN） 中的設備。FFD 節點(diǎn)具備網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器的能力，一般由主電源供電。不過(guò)由于每個(gè)星型配置的 PAN 只能有一個(gè) FFD 節點(diǎn)，所以 FFD 一般不會(huì )始終用作網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器。FFD 可用作通用節點(diǎn)。RFD 節點(diǎn)在設計上相對簡(jiǎn)單，因而不能充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器的全部功能，只能與 FFD 節點(diǎn)通信。RFD 節點(diǎn)對于應用的實(shí)施要求很低，從而可降低 IC 的成本，有可能作為應用中啟用傳感器或制動(dòng)器的節點(diǎn)，而且由于運行占空比極低，也比較有可能適合采用電池供電。如錯誤！未找到引用源。 所示，若 FFD 協(xié)調器向子節點(diǎn)之一（也必須為 FFD）分配新的 PAN 標識 （PAN ID） 后就能夠對 802.15.4 網(wǎng)絡(luò )的星型拓樸進(jìn)行擴展，從而創(chuàng )建僅有協(xié)調器節點(diǎn)才可以交換信息的 PAN 群集。注意該標準不直接支持路由。

　　通過(guò)定義兩個(gè)節點(diǎn)之間的通信，如網(wǎng)絡(luò )管理基礎，802.15.4 標準可為開(kāi)發(fā) zigbee 等更高級別的網(wǎng)絡(luò )實(shí)施提供靈活的基礎。

　　雖然 802.15.4 標準是開(kāi)發(fā)更高級別網(wǎng)絡(luò )的良好基礎，但其存在一定的復雜性，這在適當的應用考慮條件下，可以直接當作一種可靠的通信方式進(jìn)行部署。一般來(lái)說(shuō)，如果要滿(mǎn)足下列要求，設計人員應考慮采用802.15.4 標準：

　　要求采用業(yè)界標準化的物理層與較低層協(xié)議

　　可自由設計自己的較高層協(xié)議

　　能夠靈活選擇各種硬件與較低層軟件廠(chǎng)商

　　具備物理層與較低協(xié)議層的互操作性

　　實(shí)現較低的設計與開(kāi)發(fā)成本

　　由第三方廠(chǎng)商/供應商提供支持與維護

　　且愿意接受下列劣勢：

　　需要設計與開(kāi)發(fā)較高層協(xié)議和應用

　　根據標準會(huì )存在無(wú)線(xiàn)電廣播通道限制

　　為便于理解這些應用級考慮事項符合 802.15.4 標準的原因，對協(xié)議本身的穩健性、可靠性以及總體實(shí)施進(jìn)行分析非常重要。圖 8 是該協(xié)議層的概念組織結構與先前討論的 OSI 模型的比較。

　　實(shí)際上，“媒體接入控制”僅指 802.15.4 標準的數據鏈路層。物理層，也稱(chēng)為 PHY 層，能夠定義無(wú)線(xiàn)電廣播設備間在歐洲（868 MHz）、美國（915 MHz）以及世界范圍（2.4 GHz）工業(yè)、科學(xué)以及醫療（ISM）頻帶上工作的物理鏈接。PHY 層可通過(guò) DSSS RF 調制方案最終提供節點(diǎn)之間的數據傳輸服務(wù)，并設定 868/915MHz 通道的數據速率為 20 kbps 或 40kbps，2.4 GHz 通道的工作數據速率為 250kbps。此外，PHY 層還可規定網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的特性要求，如接收機功率檢測、鏈接質(zhì)量指示、無(wú)干擾通道評估以及尋址方案（包含 64 位 IEEE 尋址和 16 位網(wǎng)絡(luò )地址，可在網(wǎng)絡(luò )中設定 64，000 個(gè)節點(diǎn)）。

　　協(xié)議的 MAC 層提供的特性能夠實(shí)現可靠的對等通信，如數據包幀管理、節點(diǎn)關(guān)聯(lián)、對等確認等。802.15.4網(wǎng)絡(luò )可實(shí)現同步或異步通信。同步通信由 16 個(gè)時(shí)隙構成的超幀定義，可以選擇其中的 7 個(gè)時(shí)隙提供擔保，或者所有時(shí)隙都可以使用 CSMA/CA 協(xié)議。完全按照 CSMA/CA 協(xié)議處理異步通信，如果通道繁忙會(huì )引起對傳送節點(diǎn)的隨機的指數時(shí)長(cháng)的退避，直到下一次嘗試傳輸數據包。在任一情況下，在發(fā)送與接收節點(diǎn)之間都可實(shí)施確認方案，以最大限度地降低數據包事務(wù)交易的丟包可能性。如果發(fā)送方接收到 NACK，就意味著(zhù)該數據包未被成功接收。在這種情況下，基于超時(shí)的重發(fā)方案與用戶(hù)定義的重試次數將最有可能確保數據包的成功交付。為實(shí)現異步通信，802.15.4 網(wǎng)絡(luò )中的 FFD 節點(diǎn)也會(huì )實(shí)施存儲并轉發(fā)功能。

　　802.15.4 沒(méi)有指定加密方式。不過(guò)，符合標準的軟件平臺可以實(shí)施某些功能，以使用戶(hù)能夠輕松地在較高層實(shí)施中添加對稱(chēng)加密方法。這樣，用戶(hù)就可對其應用采用的安全方式進(jìn)行優(yōu)化。

　　802.15.4 協(xié)議的相對易用性與功能性的平衡使得現有的軟件實(shí)施具有良好的易用性。由于協(xié)議提供的高可靠性，一般來(lái)說(shuō)如果結合采用某種低級別任務(wù)調度程序，則工程設計小組從上手到充分利用現有解決方案只需要很少時(shí)間。參見(jiàn)圖 6，協(xié)議對內存占用、資源要求以及協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)等也沒(méi)有限制性要求。

　　第三部分

　　本文第一部分和第二部分討論了網(wǎng)絡(luò )的基本知識，其中包括開(kāi)放系統互連 （OSI） 網(wǎng)絡(luò )模式、低功耗網(wǎng)絡(luò )和802.15.4的特點(diǎn)與選用標準（如應用層問(wèn)題、穩健性/可靠性）以及如何根據這些選擇標準進(jìn)行比較判斷。第三部分將討論 zigbee 和 SimpliciTI，并將提供如何選擇協(xié)議的相應例子。

　　zigbee

　　zigbee 采用 802.15.4 標準作為其對等通信的基礎。該標準由 zigbee 聯(lián)盟 （zigbee Alliance） 開(kāi)發(fā)并管理。zigbee Alliance 是一家投資于該標準并在無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域進(jìn)行推廣的聯(lián)合組織，并且日益為業(yè)界所關(guān)注。不過(guò)zigbee 擁有自己獨特的應用功能，用戶(hù)應對此進(jìn)行充分了解，而不是倉促地將其應用于所有的低功耗無(wú)線(xiàn)應用領(lǐng)域。

　　zigbee 最常用作異步通信標準，其具備 CSMA/CA 通道接入能力，并擁有 802.15.4 章節所述的所有功能。針對相同市場(chǎng)領(lǐng)域的情況下，相比之下 zigbee 可為尋求準擔保信息交付、大規模輕松網(wǎng)絡(luò )集成以及設備間互操作性的開(kāi)發(fā)人員提供眾多優(yōu)勢，同時(shí)還提供眾多 802.15.4 標準不能直接解決的較高級別網(wǎng)絡(luò )問(wèn)題的解決方案。

　　zigbee 網(wǎng)絡(luò )的實(shí)施有三種拓撲，如圖 9 所示。與 802.15.4 類(lèi)似，zigbee 支持對等通信與星型配置。zigbee 在 802.15.4 規范之上添加了路由協(xié)議與層級網(wǎng)絡(luò )尋址方案，可實(shí)現群集樹(shù)拓撲結構（具有相同PAN ID）以及多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )拓撲。

　　這些拓撲結構均由可實(shí)現三種邏輯抽象功能之一的 802.15.4 FFD 和 RFD 節點(diǎn)提供支持。必須為 FFD 的zigbee 協(xié)調器將啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò )和管理網(wǎng)絡(luò )連接與安全密鑰等大多數網(wǎng)絡(luò )參數，是路由消息不可分割的組成部分。zigbee 路由器也必須為 FFD，負責轉發(fā)往返于其他網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的消息，并實(shí)現 zigbee 網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)狀網(wǎng)特性，同時(shí)擴展網(wǎng)絡(luò )的總體覆蓋范圍。zigbee 協(xié)調器與路由器一般由主電源供電，因為它們應能夠在任何時(shí)間接收和傳輸消息。如果預計應用的數據傳輸是周期性的，則 zigbee 也可以采用 802.15.4 同步網(wǎng)絡(luò )的TDMA 消息傳輸協(xié)議。zigbee 終端設備以 RFD 方式實(shí)施，可以最大限度地減少其占空比和資源要求，從而實(shí)現采用電池供電并長(cháng)期工作的目的。

　　zigbee 理想適用于具有下列要求的應用：

　　采用標準化的物理層與較低層協(xié)議 （IEEE 802.15.4）

　　標準化的較高層協(xié)議（比如網(wǎng)狀網(wǎng)拓撲，多跳等）

　　全面互操作性，甚至達到應用層級別（公共配置文件）

　　設計與開(kāi)發(fā)要求低（僅限于應用）

　　技術(shù)支持與維護廠(chǎng)商/供應商之間競爭激烈

　　zigbee 可接受下列劣勢：

　　zigbee Alliance 成員費用

　　認證費用（如果不專(zhuān)門(mén)針對符合 zigbee 或者 zigbee 認證的產(chǎn)品則無(wú)需此費用）

　　代碼量（功能性的開(kāi)銷(xiāo)可能大到難以使用）

　　無(wú)線(xiàn)電廣播通道限制（限于在 IEEE 802.15.4 中指定的通道）

　　上述所列各項表明需要對許多項目進(jìn)一步澄清，因此首先對標準化的較高層協(xié)議進(jìn)行描述。與 802.15.4 相比，如圖 10 所示，zigbee 可向上實(shí)施至 OSI 無(wú)線(xiàn)應用網(wǎng)絡(luò )模型的傳輸層，甚至能夠達到部分會(huì )話(huà)層。

　　對 802.15.4 協(xié)議最突出的三項新特性是網(wǎng)狀網(wǎng)路由算法，一個(gè)功能強大的安全實(shí)施，以及應用級抽象以在目標市場(chǎng)領(lǐng)域中實(shí)現設備與可互操作“應用配置文件”的強大關(guān)聯(lián)性。

　　zigbee 網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)狀網(wǎng)路由算法使其成為網(wǎng)絡(luò )上終端設備之間數據交付的極可靠方式。除了能夠在網(wǎng)絡(luò )中確保分組交付的可選端到端確認，zigbee 還定義了能夠圍繞故障節點(diǎn)進(jìn)行通信的路由發(fā)現算法，這也稱(chēng)為zigbee 的通信自愈能力。路由發(fā)現是一種可由任何路由器設備啟動(dòng)并始終針對特定目的地執行的最短路徑算法。計算的原理是由于每個(gè)節點(diǎn)都一直保留著(zhù)至所有相鄰設備的“鏈接成本”記錄，其中鏈接成本是測量所接收信號的信號強度。累加沿路由所有鏈接的鏈接成本就可得出“路由成本”，并可計算網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)路由的路由成本。

　　節點(diǎn)可以通過(guò)向其相鄰設備廣播針對特定目的地的路由請求 （RREQ） 數據包來(lái)請求路由發(fā)現。每當某節點(diǎn)接收 RREQ 時(shí)，其就會(huì )向路由成本累加其鏈接成本，然后再相應廣播 RREQ。這種情況將反復進(jìn)行，直至所有 RREQ 均到達目的地設備。然后目的地設備將選擇路由成本最低的 RREQ 數據包，并廣播路由回復 （Route Reply）。當 RREP 數據包返回至源地，所有中間節點(diǎn)將更新它們的路由表，指示通往目的地的路由。這樣，節點(diǎn)可丟失至下一跳的連接，并向網(wǎng)絡(luò )發(fā)送路由錯誤 （RERR） 數據包，以便在下一次有人試圖向其發(fā)送消息時(shí)，就會(huì )啟動(dòng)新的路由發(fā)現。

　　zigbee 可實(shí)施廣泛的安全措施。zigbee 采用三種安全性密鑰，即用于長(cháng)期安全性的主密鑰、加入網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )密鑰，以及用于對等通信的加密密鑰。采用 AES-128 位加密標準執行加密。在檢驗消息的完整性方面，zigbee 采用 MIC-128，即消息完整性代碼。此外，通過(guò)使用協(xié)調器作為信任中心從單個(gè)節點(diǎn)管理所有安全性，網(wǎng)絡(luò )還能夠定期選擇對對稱(chēng)加密密鑰進(jìn)行更新，從而實(shí)現安全通信的無(wú)限管理。

　　不過(guò)，應用級抽象可能是 zigbee 最具有競爭力的特性?？梢詫γ總€(gè)節點(diǎn)進(jìn)行匯編以容納多達 270 個(gè)“端點(diǎn)”或者應用。舉例來(lái)說(shuō)，每個(gè)端點(diǎn)都可以代表一個(gè)電燈開(kāi)關(guān)或者一個(gè)燈泡（燈泡 01、燈泡 02 等）。每個(gè)端點(diǎn)可以接受任意類(lèi)型的數據，也可以發(fā)送任意類(lèi)型的數據。從某端點(diǎn)輸出到另一端點(diǎn)的輸入數據有單個(gè)描述符，一般稱(chēng)為群集 （Cluster）。為繼續使用燈泡作為例子，假定被命名為“light_status_on_off”的燈泡開(kāi)關(guān)狀態(tài)是這些稱(chēng)為群集的數據描述符之一。然后，每個(gè)端點(diǎn)就可以根據端點(diǎn) ID （1-270） 及其群集列表（接收或者傳輸的數據類(lèi)型）進(jìn)行描述。在群集匹配的情況下，就可以進(jìn)行一對一或者一對多端點(diǎn)的邏輯綁定。在該例中，某一燈泡開(kāi)關(guān)可以與任一或者所有被描述為支持“light_status_on_off”群集的燈泡邏輯綁定。這種應用級的一對一或者一對多綁定是 zigbee 協(xié)議功能強大的特性。

　　如果 zigbee Alliance 當時(shí)定義了群集列表和解釋端點(diǎn)間群集流的方法，就可以為特定應用（如電燈開(kāi)關(guān)/電燈泡等）指定標準，且無(wú)需擔心用于實(shí)施應用的具體硬件。zigbee Alliance 正好已經(jīng)完成了這項任務(wù)，將這些標準稱(chēng)為應用配置文件，從而不僅使來(lái)自不同廠(chǎng)商的應用能夠完全實(shí)現互操作性，而且還加強了zigbee 低功耗無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )目標市場(chǎng)領(lǐng)域的整體競爭性。

　　如果互操作性不是設計人員的主要意圖，zigbee Alliance 還可以讓設計人員定義不共享的企業(yè)專(zhuān)用型應用配置文件。為簡(jiǎn)明扼要，我們就不對 zigbee 實(shí)施的其他特性進(jìn)行詳細討論了，這些特性包括群組尋址、頻率捷變、會(huì )話(huà)故障的自動(dòng)重加入和協(xié)議最新版本 zigbee 2007（也稱(chēng)為 zigbee PRO）提供的系列附加特性。zigbee PRO 基本上仍屬于 zigbee 標準范疇，但在編輯時(shí)增加了用于優(yōu)化支持超大網(wǎng)絡(luò )集成的特性。如欲了解更多詳情，敬請訪(fǎng)問(wèn) zigbee Alliance 網(wǎng)站：www.zigbee.org。

　　采用 zigbee 協(xié)議進(jìn)行產(chǎn)品設計的劣勢包括與開(kāi)發(fā) zigbee 產(chǎn)品相關(guān)的成本：按年支付給 zigbee Alliance的成員費用、認證產(chǎn)品是否符合 zigbee 的費用以及協(xié)議本身的存儲器占用。zigbee 協(xié)議加載的特性很難在每項應用中都得到充分利用，從而在定制解決方案的情況下需要設計額外的存儲器資源。在某些情況下，對存儲器與資源的要求甚至可以限制到最終應用級。因此，部分企業(yè)推出了具備集成 MCU、預加載了 zigbee 軟件協(xié)議棧的無(wú)線(xiàn)電廣播組件，其運行則由少量 API 對另一個(gè)以應用為中心的 MCU 的調用來(lái)控制。通過(guò)采用 SPI 通信來(lái)更新zigbee芯片的配置，應用 MCU 可以免受協(xié)議對存儲器與資源要求的限制，可以有效地處理其他應用任務(wù)。

　　SimpliciTI

　　SimpliciTI 是現有低級別協(xié)議實(shí)施的范例，設計人員在開(kāi)發(fā)時(shí)間有限、網(wǎng)絡(luò )拓撲簡(jiǎn)單的應用時(shí)可以用來(lái)實(shí)施。實(shí)際上，不符合現有低功耗無(wú)線(xiàn)標準的專(zhuān)有網(wǎng)絡(luò )非常多，不僅跨多個(gè)應用空間而且還具有各種不同的實(shí)施復雜性。之所以將 SimpliciTI 選作范例協(xié)議，是因為其與 802.15.4 和 zigbee 相比具有更小的尺寸以及更低的復雜度。不過(guò)還有眾多其他實(shí)施方案也值得納入考慮范圍，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)有 Ant、Blue Robin、MiWi或者 SunSpot 等。SimpliciTI 擁有眾多優(yōu)異的關(guān)鍵特性，如內存占用少、方便易用、復雜度低等。

　　SimpliciTI 專(zhuān)注于支持簡(jiǎn)單星型網(wǎng)絡(luò )的對等拓撲，即指最大化地利用稱(chēng)為接入點(diǎn) （Access Point） 的單個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器。圖 12是一個(gè)家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )的范例，其中 SimpliciTI 網(wǎng)絡(luò )還定義了范圍擴展器 （Range Extender） 與終端設備 （End Device） 抽象概念?？蓪⒃摼W(wǎng)絡(luò )擴展至包括多達四個(gè)范圍擴展器。

　　SimpliciTI 提供簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò )管理功能，包括可實(shí)現終端設備休眠功能的存儲并轉發(fā)緩存、網(wǎng)絡(luò )初始化、基本鏈接管理以及網(wǎng)絡(luò )探索。圖 13 顯示的該協(xié)議架構很難直接與 OSI 模型并行，因為其在物理層、數據鏈路層以及網(wǎng)絡(luò )層中實(shí)施的功能都有所簡(jiǎn)化，難以充分滿(mǎn)足各層全面實(shí)施的要求。

　　SimpliciTI 采用能夠與提供管理功能的網(wǎng)絡(luò )層通信、非常類(lèi)似于 TCP/IP 協(xié)議的端口架構，并可維護最少的電路板支持數據包層，即 BSP 層來(lái)與無(wú)線(xiàn)廣播和MCU進(jìn)行接口相連。SimpliciTI 沒(méi)有正式的物理層描述，因此也沒(méi)有對頻率、數據速率或者調制提供要求，從而為設計人員提供了廣闊的硬件級設計空間。

　　此外，需要重點(diǎn)指出的是，SimpliciTI 協(xié)議也沒(méi)有定義路由、確認或者確?？煽啃缘钠渌椒?。用戶(hù)必須處理如消息超過(guò)最大應用有效負荷、數據丟失以及數據冗余等眾多問(wèn)題。但這不是一種局限，因為低功耗應用往往對數據數率和要求都相當低，這里或者那里丟失一個(gè)數據包不是什么問(wèn)題。以自動(dòng)調溫器為例，丟失一個(gè)包的數據對應用來(lái)說(shuō)并不構成重大問(wèn)題。如果通信的可靠性對應用非常重要，用戶(hù)也可在應用級實(shí)施可靠性協(xié)議。比如，可重復多次發(fā)送數據，可實(shí)施對等層確認，或實(shí)施可通知接收設備是否丟包的事務(wù)交易計數器。

　　SimpliciTI 與多數其他現有的低級別實(shí)施適用于具有如下要求的應用：

　　可自由設計自己的較高層協(xié)議

　　與純粹的專(zhuān)有解決方案相比設計和開(kāi)發(fā)成本更低

　　采用可用的較低層協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)單方便的即用型實(shí)施

　　且愿意接受如下劣勢：

　　需要設計與開(kāi)發(fā)較高層協(xié)議和應用

　　可能對芯片廠(chǎng)商有硬件要求

　　可能需要向推廣標準的公司組織繳納專(zhuān)利費或成員費

　　免費提供 SimpliciTI 的完整源碼，且免專(zhuān)利費，但僅限于使用協(xié)議設計方德州儀器 （TI） 所推出硬件的情況。更多詳情，敬請訪(fǎng)問(wèn) www.ti.com/simpliciti。

　　協(xié)議選擇范例

　　本節將探討如何應用上面闡述的選擇標準根據假定設計要求來(lái)進(jìn)行選用的一些范例。

　　數據日志器

　　第一個(gè)例子是每隔五分鐘就記錄濕度與氣壓數據的制造監控系統。在此情況下，根據相關(guān)標準要求，數據必須保存至少五年，但如果每隔幾個(gè)小時(shí)可能丟失某次采樣數據，也不是什么大問(wèn)題。數據應該保密。安裝該系統后，將取代原有的機械監控方法，而且在此情況下有線(xiàn)系統并不適用。工廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)長(cháng)度不一，但最長(cháng)可達到 27 米，而且相關(guān)規則要求每 7 米設一個(gè)感測站。設計進(jìn)度安排非常緊，系統需要在 6 個(gè)月內就完成推出。

　　從上述要求來(lái)看，該設計標準如下：

　　應用方面的考慮事項

　　系統可用于每隔五分鐘捕獲一次濕度與氣壓數據

　　最多 5 個(gè)感測站

　　基站必須向 PC 網(wǎng)絡(luò )傳輸數據

　　系統用于工廠(chǎng)改造，以取代原有的機械記錄方法

　　穩健性與可靠性

　　工廠(chǎng)數據應保密

　　在工廠(chǎng)生產(chǎn)期間將數據記錄下來(lái)，而且根據規則要求必須保留五年，但偶有缺失并不造成關(guān)鍵問(wèn)題

　　易用性

　　系統應在 6 個(gè)月內投放市場(chǎng)

　　硬件與 RF的考慮事項

　　用電池供電，電池工作時(shí)間最少為兩年

　　在本例中建議采用 SimpliciTI，這主要是由于設計進(jìn)度安排比較緊，而且系統本身并不復雜。

　　家庭安全網(wǎng)絡(luò )

　　第二與第三個(gè)例子將顯示出，如果要求略有變動(dòng)就會(huì )導致選擇不同的協(xié)議。本系統是一個(gè)在已裝修好的家居環(huán)境中安裝的家庭安全網(wǎng)絡(luò )，因此重新布線(xiàn)會(huì )花銷(xiāo)太大。我們可選配安裝幾種不同的傳感器，如煙霧傳感器、玻璃破損傳感器、運動(dòng)傳感器以及門(mén)禁控制感測 （access control） 等。每個(gè)傳感器都與基站通信，然后基站再與家庭安全監控公司通信。該系統應能夠與其它傳感器實(shí)現互操作性，舉例來(lái)說(shuō)，從一家公司采購的煙霧檢測器可以配合另一家公司生產(chǎn)的運動(dòng)檢測器。該網(wǎng)絡(luò )必須具有高度安全性，以防竊聽(tīng)或篡改。設計進(jìn)度安排能允許工程師有一定的學(xué)習時(shí)間，以加快網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的設計工作。

　　應用方面的考慮事項

　　家庭安全網(wǎng)絡(luò )

　　煙霧檢測、玻璃破損、運動(dòng)檢測以及占用檢測等

　　用戶(hù)界面必須直觀(guān)易懂

　　需要遵循業(yè)界標準

　　應能夠從不同廠(chǎng)商技術(shù)之間的互操作性及其相關(guān)支持方面受益***

　　穩健性與可靠性

　　關(guān)鍵的設計標準

　　系統必須具有高度的安全性，以防篡改、竊聽(tīng)

　　易用性

　　需要標準化的實(shí)施方案實(shí)現可靠性與安全性***

　　計劃在總體的家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )中集成家庭安全性應用

　　愿意花時(shí)間學(xué)習與充分利用更復雜的 API

　　硬件與 RF的考慮事項

　　大多數網(wǎng)絡(luò )設備都采用電池供電

　　本例中的最終結果應選擇使用 zigbee，因為不僅需要與不同廠(chǎng)商提供的設備互操作，還要確保滿(mǎn)足標準化的可靠性與安全性要求。

　　結論

　　低功耗無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )對改進(jìn)使用體驗、提高功能性有著(zhù)巨大的潛力。本文概括性地介紹了基本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )架構及相關(guān)術(shù)語(yǔ)，此外還探討了如何通過(guò)相關(guān)標準并在一定框架基礎上選用何種低功耗無(wú)線(xiàn)協(xié)議，而且專(zhuān)門(mén)講解了 802.15.4、zigbee 以及低層專(zhuān)有特性集的范例。我們首先重點(diǎn)討論了高級別應用的考慮事項，隨后再深入討論包括穩健性、可靠性、易用性以及硬件等在內的各項具體標準，以幫助設計人員應用框架來(lái)為其應用選擇正確的協(xié)議，從而為更多產(chǎn)品提供低功耗的無(wú)線(xiàn)連接能力。