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德州仪器 具备定位功能的 ZigBee® SoC

今日相容于 IEEE 802.15.4且适用于 ZigBee 的无线射频收发器、微控制器及系统单芯片 (SoC) 半导体装置已相当普及。高度整合的多功能 SoC 解决方案是促成 ZigBee 无线网络得以广泛运用在众多应用中的重要因素,包括工业监控、家庭及建筑自动化传感器网络,乃至于无线医疗解决方案。在以上解决方案中增添无线射频装置的定位功能使得这些网络的价值得以大幅提升。

定位功能


定位数据在许多应用中可以显著提升所交换信息的价值。对于病患监控、资产追踪、库存控制、保全、仓储、制造物流以及对于定位高度敏感的服务与计费等相关应用而言,定位功能可说是驱动了无线传感器网络的发展。节点或传感器位置信息也有助于无线网络的传递及调整。例如,无线节点可以使用全球定位系统 (GPS) 之类的现有系统取得位置信息。然而,GPS 型系统可能相当昂贵,而且对于低成本且大范围的简易网络应用而言,也可能过于耗电且复杂。此外,GPS 可以在室外环境有效又精确地发挥定位功能,但在室内则未必如此。

在许多无线个人局域网络 (WPAN) 应用中,针对具备定位功能的网络来说,其吸引力在于低成本的传感器装置,以及以低功耗自动运作达到较长的设备使用寿命。由于 ZigBee 传感器网络具有多样性,而且预期未来会相当普遍,因此区域定位很可能成为这类无线系统中最令人兴奋的特色之一。其中的概念是,透过简易且符合成本效益的方式,在大量的 ZigBee 网络加入定位功能。这是将定位功能加入传感器节点硅芯片装置中,这只会稍微提高复杂程度和成本。若将此类位置模块整合于芯片,并且运用无线讯号处理过程中既有的讯号指示器估计位置,例如接收讯号强度指针 (RSSI),即可将增加的尺寸大小与功耗以及位置估计工作的复杂程度降至最低。无线射频定位是相当繁复的过程。透过分布式方法 (算法),可以将整个过程分成多个可管理的工作项目,这不仅能够使节点所需的资源量相对减轻,且相较于集中式的方法也能够明显减少位置相关的网络流量。

内建定位引擎的 ZigBee SoC


对于大多数 ZigBee 型无线应用而言,若要使应用系统的成本及设计复杂程度降低,却又不减损 IEEE802.15.4/Zigbee 技术的功能,具备最佳设计的系统单芯片装置是重要关键。真正实行系统单芯片解决方案,也就是将无线射频收发器、数据处理单元、内存及使用者应用功能等所有的运作功能,整合于一个硅芯片,即可达到高效能、低成本及快速上市等优点。低功耗之所以能够发挥高效能,是因为芯片内建专门功能紧密交互作用,使得耗用的资源大幅降低。透过最低程度的系统物料清单 (BOM)、较小的体积尺寸与较少的组件、较简易的组装与测试,以及简单且可靠的设计,其制造成本得以降低并能加速上市时程。

图1是市售硅芯片解决方案中具有代表性的 CC2431,这是一款真正的系统单芯片 CMOS 装置,不仅能够发挥高效能,而且能够满足以 2.4 GHz ISM 频带运作的 IEEE 802.15.4/ZigBee 无线应用对于低成本及低功耗的需求。由于2.4 GHz ISM 频带具备最大频宽且全球通用,能够促进全球市场的发展及应用设计的弹性,IEEE 802.15.4 标准的 2.4 GHz PHY 因而具有相当大的潜力。CC2431 将高效能 2.4 GHz 直接序列展频 (DSSS) 无线射频收发器结合广受业界肯定的精巧型高效率 8051 微控制器、8 KB RAM、128 KB 嵌入式闪存,以及其它实用的支持功能。其中一项是强大的 RSSI 定位引擎,适用于低功耗 ZigBee 无线传感器网络应用,例如资产追踪、病患监控、库存控制、保全及试行网络。芯片内建定位引擎的其中一项主要功能是分布算法,例如在各个节点进行位置计算。由于过程中只传输计算的位置,而非进行计算所使用的数据,因此在节点进行位置计算能够减少集中式运算法会出现的网络流量及通讯延迟。



图 1. 具备定位功能的 ZigBee SoC 装置

分布式定位功能 (Distributed Localization)


CC2431 的定位引擎是数字硬件区块,能够使无线节点在 IEEE 802.15.4 或 ZigBee 网络中以迅速有效的方式决定自身的平面位置坐标。利用相同引擎的多个参照节点或其它动态邻近节点所接收到的讯号值,可以统计、演算与估计最可能的位置,以完成无线节点的定位。

定位引擎模块的设计使其便于使用及与芯片内建的微控制器接合。这个独立模块的功耗相当低并且运作快速,因此能够持续使用,完全不会耗用装置的运算资源。

在网络中,已知位置的节点称为参照节点,位置未知而需要计算的节点则称为待测节点 (blind node)。根据距离最近的参照节点所收到的信息,CC2431 能够运用分布式定位功能得知待测节点的位置。

其中的网络流量仅局限于 (待测) 节点的通讯范围内所涵盖的节点,而不会扩及到可能相距甚远的中央节点。此分布式方法能够处理相同网络的大量待测节点,而集中式方法的网络流量则会因为待测节点过多而急遽增加。在参照节点与待测节点间交换的必要信息为参照节点的 X 与 Y 坐标。参照节点接收到的讯息中内含所测得的 RSSI 值,定位引擎会根据参照 (X,Y) 坐标以及此 RSSI 值,计算出自身的 (X,Y) 坐标。

两个无线射频之间的 RSSI 值深受环境(变化)的影响,为了补足这个变动,CC2431 的定位引擎会收集 3 到 16 个参照节点的数据,以用于计算位置。如果接收到的数据来自 16 个以上的节点,则会将接收的参照节点位置加以排序,并使用其中 16 个最强的参照 RSSI 值。

ZigBee 网络使用 CC2431 进行的实际室内测量如图 2 所示。



图 2:CC2431 的分布式定位

结论

低功耗无线网络的应用除了具备可观的商机,还能够提升日常生活的安全性、舒适性及效率。采用高稳定 IEEE 802.15.4 标准的 ZigBee 具有技术质量与业界支持,能够促进无线传感器解决方案的普及。

整合于 CC2431 的定位引擎能够运用既有的 ZigBee 基础架构来发挥定位功能,并且能够以 ZigBee 网络中传感器节点的「室内智慧」精确度进行分布式位置估计,不仅相当节能,而且能大幅降低通讯所需的经费。重要的位置信息可用于对位置相当敏感的服务、追踪与监控,以及导航用途。

以下是具有 8 个参照节点 (黄色) 与 4 个待测节点 (红色) 的办公室环境:



以下是具有 14 个参照节点 (黄色及蓝色) 与 4 个待测节点 (红色) 的办公室环境:



参考


想了解更多有关于Zigbee Alliance公司请访问: www.zigbee.org.
想下载有关CC2431数据表或其他技术信息请访:www.ti.com/sc/device/cc2431.

关于作者


Khanh Tuan Le 为德州仪器策略营销及系统工程师,负责的工作项目是低功耗无线应用的无线射频收发器及系统单芯片装置。Khanh 的电子信箱为 ti_khanhle@list.ti.com。


(责任编辑:ioter)

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