通过多协议蓝牙和Zigbee连接扩展设备功能

多协议连接提供了一种独特的方法来添加消费者和企业所要求的功能。为了在家庭或楼宇自动化场景中提供必要的可扩展性和稳健性,网状网络上的设备到设备通信是理想的实现。同时,能够直接从智能手机设置,控制或监视单个设备或一组设备是要求简化消费者体验并向技术人员提供更直接的诊断信息以进行安装的特征。

增值服务,例如在零售环境中提供基于邻近度的广告,为技术人员传输系统健康信息以及跟踪仓库中的资产,可以通过诸如灯之类的连接设备来提供。与此同时,人们希望参与多个生态系统,无论是Alexa,Apple HomeKit还是Google Home,每个生态系统都有自己的协议或集成要求。通过在单个设备上支持多种协议,我们能够满足我们刚才讨论的一些需求。

 

提供多种无线协议的新体验

让我们来看看如何使用支持多种协议的设备改善家庭自动化方案的体验。Zigbee通过其网状功能提供整个家庭覆盖,并可通过网关从家庭外提供控制。但是,通过多协议支持,我们可以进一步扩展用例,将具有蓝牙低功耗的电话包括在本地控制和位置感知服务中。此视频演示了智能手机应用如何通过蓝牙连接到智能门锁以解锁它。

通过支持蓝牙和Zigbee连接,门锁在接收蓝牙通信后解锁,同时能够发送Zigbee消息以打开客厅灯。

 
 
 
 
 
 
 
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当智能手机进入卧室时,使用诸如蓝牙信标之类的接近感知服务,灯可以发送蓝牙信标消息以允许消费者打开房间中的全部或部分灯。

在零售或商业环境中,希望利用诸如蓝牙信标之类的技术来提供基于位置的广告,跟踪资产并且还开发步行交通的热图。广泛采用的挑战之一是需要专用的信标设备。对于设备生命周期管理,连接范围也会对更新设备的后勤产生影响。

通过将蓝牙信标集成到其他连接的基础设施(如照明)中,我们可以构建大规模和密集的信标覆盖区域。连接的灯或灯具也可以用作蓝牙信标,而不必同时部署连接灯和信标。与部署单独的专用信标设备相比,这可以提供更具成本效益的方式来提高信标密度,其另外的优点是不需要必须监视和维护的电池供电的信标设备。

使用多功能灯改善信标密度

 

多协议也可以使其他用例成为可能。例如,无线更新在网状网络上花费很长时间,但是蓝牙的更高吞吐量可以提供更快的传输更新图像而不消耗网状网络的带宽。

 

寻找支持多种协议的经济有效方法

在支持多种协议的情况下提供这些改进体验所面临的挑战之一是需要具有多个芯片或SoC,每个协议一个。利用多协议芯片,设备现在可以灵活地运行不同的协议。下表描述了多协议设备的一些常见示例

多协议类型 描述
可编程的 设备被编程为在制造中或通过现场或无线更新运行多种协议中的一种。
交换的 当设备已在现场部署时,设备通过引导加载新固件映像来更改正在使用的无线协议。
动态 设备在一个芯片上同时运行多个无线协议,使用时间分片机制共享无线电
多模 设备实现多个协议的专用操作,而无需与多个无线电进行任何折衷

单芯片解决方案结合了Silicon Labs等公司的软件和硬件技术,使设备能够支持Zigbee和蓝牙,以解决目前讨论的用例。通过使用一个SoC无线子系统,通过消除两个无线电,BoM成本可降低40%,并且通过消除设计中两个无线电之间可能存在的干扰的需要,简化了PCB设计。

 

在单个无线电上同时执行多个协议

让我们更详细地了解动态多协议调度如何通过单个无线电支持多种协议。Zigbee路由器在不发送时始终将其无线电设备置于接收模式。这样,网络中的其他设备始终可以向其发送数据包或通过它进行路由。由于Zigbee流量的低占空比和Zigbee网络堆栈中的重试机制,Zigbee路由器有可能在短时间内将其无线电更改为另一个协议,而不会在应用程序级别丢弃任何消息。这使我们能够在同一芯片上对Zigbee和蓝牙通信进行时间分片。除了Zigbee路由,Silicon Labs动态多协议技术还支持蓝牙连接和蓝牙信标。

 
 
 
 
 
 
 
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协议连接间隔可配置以匹配应用程序要求。对于蓝牙信标,无线电仅需要大约1ms来发送信标,并且信标之间的连接间隔通常不短于100ms。对于高速OTA固件更新,可能需要将设备配置为支持更长的蓝牙连接周期。这些例子位于频谱的两端; 但是,凭借可配置的连接间隔,Silicon Labs的多协议解决方案提供了灵活的框架,以满足不同应用的独特需求。为了实现有效的多协议通信,Silicon Labs在软件和硬件方面进行了大量投资。Silicon Labs的无线协议栈经过精心设计,可共享相同的低级无线电驱动程序和库(RAIL)。

此外,无线电调度器管理来自协议的请求以访问无线电,而Micirum OS内核管理堆栈之间的资源共享。Silicon Labs的多协议调度将计划的协议考虑在内,并使用基于优先级的调度方法。蓝牙需要一个固定的连接间隔才能有效运行,而Zigbee的MAC重试方法则更为宽容。因此,对于Zigbee和蓝牙多协议操作,蓝牙以更高的优先级运行。由于使用RAIL,无线电调度器和Micirum OS的无线堆栈的统一架构,系统能够使用基于优先级的调度方法来平衡Zigbee和蓝牙操作。

 

单个无线电Zigbee和蓝牙操作的调度要求

可能需要许多调度方案来使用单个无线电能够正确操作Zigbee和蓝牙。调度器可以被配置为使得任一协议在无线电接入方面具有更高的优先级。但是,最可能的配置是使蓝牙连接和信标具有更高的优先级,并且
在不执行任何其他操作时将无线电设备保持在Zigbee 接收模式。

图1:具有优先级的蓝牙LE的Zigbee背景接收

 

在图1中,我们可以看到低优先级Zigbee接收是默认接收,但是当需要Zigbee传输时,它会中断该过程。这是Zigbee设备的正常行为。当安排蓝牙LE连接时,这是先例,并且调度器及时切换出Zigbee接收模式以用于蓝牙连接。如果调度器具有超过在下一个蓝牙连接或信标之前无线电上可用时间的Zigbee传输的请求,则调度器将重新调度Zigbee传输以在蓝牙活动完成之后发生。

如果Zigbee数据包的传输时间超出预期,可能是由于退避或明确的信道评估,调度程序可以中断该传输并切换到蓝牙。对于Zigbee堆栈,这看起来像是失败的尝试,因此它重试传输,这次它成功,如图2所示。

图2:蓝牙连接中断Zigbee传输

 

类似地,如果一个远程的Zigbee节点尝试将数据包发送到所述装置,而它在蓝牙连接或信标的中间,该装置不能接收分组,但发送设备将重试(IEEE 802.15.4 MAC重试),并在第二次尝试时收到数据包。此外,如果该设备处于接收紫蜂包的中间时蓝牙连接或信标是由于,调度器可以中断分组接收,发送设备将不接收确认。结果,它将重试传输并在第二次尝试时成功。图3显示了这两种情况。

无线电调度器必须处理各种场景以管理无线协议之间的冲突,但是各个协议栈彼此之间没有任何意识,只是它们必须请求访问无线电以及它们的发送或接收是否成功。

有关其他无线电调度示例,请参阅“ 动态多协议用户指南”

评估动态多协议性能

为了了解运行多个协议时的设备行为,在多个配置下测量和比较性能非常重要。对于在相同SoC和单个无线电上运行的Zigbee和蓝牙的情况,场景可能包括:

  • Zigbee吞吐量与蓝牙连接和/或广告间隔
  • Zigbee延迟与蓝牙连接和/或广告间隔
  • 与不同的蓝牙数据包类型和大小相比,Zigbee吞吐量或延迟
  • Zigbee针对不同的蓝牙连接和/或广告重试和网络行为

图4:动态多协议测试设置

 

使用图4中概述的测试设置,使用辐射测试设置在Silicon Labs Wireless Gecko STK板上执行的样本测试给出以下结果:

对于显示的结果,启用了802.15.4 MAC和Zigbee NWK层重试,而Zigbee APS层重试则没有。该设备被配置为在一跳上传输70字节的有效载荷,而蓝牙连接在所述连接间隔保持有保持活动。随着蓝牙连接间隔的减少,蓝牙连接事件的数量增加,并且由于Zigbee网络上的无线电时间减少,Zigbee吞吐量降低。请注意,实现了100%的端到端消息可靠性,尽管由于更长的数据传输导致吞吐量降低,但没有丢失Zigbee应用程序消息。

为了验证广告间隔的影响,设备被配置为以不同的间隔发送蓝牙广告,而不是维持蓝牙连接。由于蓝牙广告数据包大于蓝牙连接保持活动,因此它们在相同时间间隔内对Zigbee吞吐量的影响略高。短至0.5秒的广告间隔对Zigbee吞吐量几乎没有影响,应该满足大多数用例的需求。

设计具有多协议连接的系统

利用动态多协议硬件和软件,现在可以在单个SoC上以经济有效的方式将多个协议的优势结合起来。家庭自动化,资产跟踪和零售广告可以通过在设备上组合Zigbee和蓝牙连接而受益。

每个设备和应用程序都有独特的需求,需要软件可配置的项目,如蓝牙连接间隔。在开始开发之前,确保底层软件和硬件架构设计用于无线电的有效资源共享并实现高级调度方案非常重要。此外,应根据具体应用和系统用例来定义测试和性能基准,以确保在现场正常运行。


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