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ZigBee方案评估要则

    要选择一个合用的ZigBee芯片,必须考虑极多的条件,包括收发器的支持频段、接受灵敏度、微控器的运算力及硬件资源,协定堆叠的完善与否,是否已通过平台认证,是否有辅助开发工具等… 

    现阶段(2008年)想挑选1个适当的ZigBee芯片方案,来开发自有的无线传感器网络(Wireless Sensor Network;WSN)应用,其抉择的困难度比蓝牙(Bluetooth)大上太多。

    为何如此说?主要是可选择的芯片业者比蓝牙多,蓝牙市场经过数年的竞争后,几乎仅剩4家左右的业者,其中英国CSR(Cambridge Silicon Radio)就有将近一半的市占率。反踆igBee,ZigBee目前以美国TI(Texas Instruments,德州仪器,简称:德仪)为第一(附注1),但之后至少也有8、9家业者积极抢攻ZigBee市场。

    这些业者包括美国Ember、日本Oki Semiconductor(冲电气半导体)、美国Atmel(艾特梅)、台湾UBEC(达盛电子)、德国ZMD(Zentrum Mikroelektronik Dresden,泽恩帝)、韩国RadioPulse、美国Freescale Semiconductor(飞思卡尔半导体)、美国Integration Associates、英国Jennic…等等。

    事实上,蓝牙在初期市场时也有十余家芯片业者积极投入,但之后仅数家业者能出线,而现在的ZigBee芯片也正在初期市场中,所以可选择的芯片业者众多,如此就造选择上的困难。

    家数多,仅是困难之一,还有其它的困难,蓝牙多半是消费性用途,但ZigBee则多半属于环境监督、控制应用,因此非常讲究耐抗性、稳定性,如此增加评估选择难度,这也是为何ZigBee标准出现后,仍有许多业者提出自有的WSN专属技术,因为WSN应用的适用性、稳定性等重要性,不见得低落于标准化,有些应用,甚至对稳定性要求胜于标准化需求。

进一步的,现阶段ZigBee的协定堆叠程序尚未很成熟,协定程序的好坏对运作的表现影响极大;再加上ZigBee 1.0、1.1、Pro等3个版本的标准,相互间不全然兼容,也使协定堆叠开发更加困难;此外ZigBee Alliance现有完成制定的应用型态(Application Profile)(附注2)仍偏少;以及认证、测试验证…等也刚起步,这些都增加了选择、评估上的困难。

    虽然有如此多的困难,但应用设计者依然要从诸多方案中选择一种来起步,如此避免错误的评估选择将很重要,反过来说即是如何用最少的心力找寻到最合用的ZigBee技术方案,以下本文将对此进行讨论。

独立封装、系统式封装、单芯片 
    首先,先从最底层的硬件开始评估,现阶段由于业者投入力道与研发脚步不同,因此有3种型态的芯片可供选择,第1是独立封装的产品,即是1颗独立封装的IEEE 802.15.4无线收发器,搭配上1颗典型的微控制器;第2是使用系统式封装(System-in-Package;SiP),将收发器芯片的裸晶与控制器的裸晶共同封装在一起;第3是芯片设计之初,就将收发器、控制器2者整合,然后一体化生产、封装,也就是所谓的系统单芯片(System-on-a-Chip;SoC)。

    3种型态,对应用开发者有何影响?如果开发者所设计的节点装置需要很省电,或节点装置必须很娇小时,就必须采SoC产品为优先考虑,次之为SiP,最后才是各自独立封装。

    不过,SoC的价格通常比较高,内建的硬件资源也较有限,虽然最省电的特性,使其最适合用于末端装置节点上,但较贵的价格也不适合大量的节点布建,不过随着半导体工艺技术成熟,SoC的价格会逐渐低廉,用量也会增多,预计成为未来ZigBee方案芯片的主流。

    那么何时使用SiP呢?SiP较耗电,但也通常拥有较多的硬件资源及运算能力,适合用在路由节点上,至于独立封装的作法则适用于不在意用电与体积的节点,通常会是重要的几个路由节点或协调节点上。

    由此看来,SoC型的芯片会逐渐成为主流,但在没有严苛用电与体积…等限制下,另2种作法依然会持续适用,但会逐渐减少使用。

支持频段、灵敏度、发送功率
    接着讨论收发器部分,收发器为类比/混讯属性的芯片,攸关实体层表现优劣,而ZigBee/IEEE 802.15.4支持868MHz、915MHz、以及2.4GHz等3个频段,不过并非所有收发器都支持这3个频段,许多仅支持最普及运用的2.4GHz,有的则同时支持2.4GHz与915MHz,这些必须在选用前就加以了解。

    另外接收灵敏度也很重要,有的为-90dBm、有的为-94dBm、有的为101dBm,灵敏度愈高愈好,如此在运作时将有较好的接收性。而发送功率方面,依据标准规定是不能超过0dBm(即1mW),许多芯片也遵循此一标准,不过部分业者提供了弹性作法,允许应用工程师自行决定发波功率的多寡,可以比1mW更低或更高,好更适合各种特有应用场合的需求。

控制器运算力、程序存储器容量
    前面已概略提到,硬件资源的多寡决定该ZigBee芯片适合用来做何种节点,而硬件资源又可概分成2者:运算力与储存容量。

    先谈论运算力,如果是用于末端装置节点,该节点只负责环境感测、回传感测数据、或简易的控制等,如此只要用一般的8位微控器即可,但若是要做为路由节点,由于路由节点必须负责传递其它节点的信息,可谓是整个ZigBee网络中的交通枢纽、要冲,所以需要较大的运算力,对此不排除使用16位、32位的微控器。

    同样的,程序存储器方面也是如此,由于末端装置节点的工作较单纯,所以协定堆叠的程序占量也较少,可放置于32KB、64KB的程序存储器内(存储器内除了协定堆叠,也包含应用程序与若干算法)执行,反之若做为路由节点,就需要较大的程序存储器,一般需要64KB、128KB以上的容量才行。

硬件化加速设计
    在ZigBee系统中,IEEE 802.15.4收发器,通常只负责实体层(PHY)工作,而媒控层(MAC)的工作,有部分是由微控器再搭配上软件程序来实现,但也因此增加微控器的运算负荷,因此开始有业者提出将媒控层工作,进一步硬件化设计的方案,如此就可减轻微控器的运算负荷,多出来的运算力,将可以用在更复杂的网络层(NWK)运算、应用层(APP)运算上。

    不过,将媒控层的工作用硬件电路方式来实现,并不表示一定将整个媒控层的工作,都用硬件方式实现,碍于开发时间或芯片电路成本等考虑,依然只将部分的工作用电路方式呈现,还是有部分的工作,依然要倚赖微控器的程序运算来达成,但即便如此,依然可达到负荷减轻目的。

    至于网络层,有可能也以硬件方式实现吗?这问题的答案在于ZigBee标准成熟度,当ZigBee标准愈来愈成熟普及,兼容问题愈来愈少,错误修订愈来愈少,芯片业者会开始逐渐将网络层的基础机制,改用硬件方式实现,如此也可以再次降低微控器的运算负荷,但眼前似乎还不可能,仍是以软件方式来实现才经济,也较具弹性、并减少投资风险。

    类似的,ZigBee在网络层以上,有制定出1套安全(加密)的规范,不过安全功效,属于选用功能,并非所有的WSN应用都需要加密传递。

    也因为是选用功能,有些芯片业者认为,不用急切地用硬件方式实现ZigBee的安全机制,而用软件方式实现即可,然而对于真的有传输加密需求的设计者,若其加密传输资料量大、密集,此时还是建议选择已内建硬件加解密引擎的ZigBee芯片,否则AES(Advanced Encryption Standard)演算,若没有使用硬件AES加解密引擎来加速运算,而是用微控器搭配软件来运算,则运算负荷将大程度增加。

平台验证与产品验证
    根据ZigBee Alliance对标准测试验证的设计,ZigBee收发器、控制器、以及协定堆叠等3者合称1个平台,芯片业者必须同时提供此3者进行受测,受测无误后即表示获得ZCP(ZigBee Compliant Platform)验证。 [Page]

    接着应用设计者以ZCP为基础,进行自有的应用发展,开发完成后也拿去ZigBee Alliance进行验证,若受测无误,表示通过ZCP(ZigBee Certified Product)验证。所以第1阶段是平台认证,第2阶段是产品认证。所以,设计者一开始在选择ZigBee芯片方案时,最好能选择已经通过平台认证的产品,倘若尚未通过平台认证,则可能要连过2关。

    另外要注意的,ZigBee芯片业者通常不会只有1款收发器或1款单芯片,通常会有多款,且多款都会送测,目前已经使十多家业者送测,并有三十多款平台获得验证通过,所以每家几乎都有1款以上的平台,不过选择时依然要选择确实通过认证的平台,倘若某业者有2款平台送测,但只有1款通过,然另1款依然可能在市场上销售。

    或许有人认为,自己进行平台与产品的认证并无大碍,但其实在产品认证上,比平台认证更为复杂,如果设计者开发的应用是ZigBee现有标准中没有定义的应用型态,则验证的重点只在于运作互扰性,让ZigBee的运作不会与相同频段的其它无线应用(如Wi-Fi、Bluetooth)等相互干扰即可。

    但如果开发的产品,是现有ZigBee标准中已有的应用型态,那除了互扰测试外,还需要进行互通性测试,即是与其它同样已通过平台认证、同样为ZigBee标准中已有的应用型态产品,进行共同运作的相关测试,至此将进行极多的比对测试、交叉测试,如此测试验证将相当复杂,因此还是建议直接选择已通过平台认证的芯片方案。

协定堆叠与开发工具
    由于ZigBee市场仍在酝酿阶段,所以部分传统半导体大厂尚未完全投入,反而是许多新兴业者比较积极(其它无线技术标准的情形也多于此类似),所以,许多大厂大多只先提供微控器,因为这是最现成、最快的投入方式,但收发器则与他厂搭配,或者先用SiP方式封装成一体。

    不过,一旦市场逐渐起飞,传统大厂很可能会直接购并新兴小厂,事实上此事已若干发生,预计未来会更多,所以现阶段选择小厂的芯片,将可以获得较高的配合度,芯片合用性与后续改进也较佳,但被收并后的各种配合度就容易成为变量,相对的一起头选择大厂将较无收并的顾虑,但配合度就有限,对此选用前也必须再三斟酌。

    也因为连收发器都可能与他厂合作提供,那么协定堆叠的软件就更可能与他人合作,所以1套ZigBee平台可能是由二、三家业者共同合作提供,例如收发器1家、微控器1家、协定堆叠1家,然此3者往后将必然垂直整合,朝仅1家业者同时提供3者,所以纯提供协定堆叠的业者恐不易生存,纯收发器业者也会加强与只提供微控器业者合作,而为了垂直整合,也必然会有更多的购并情事发生,对此设计者选择前不得不察。

    最后,如果方案业者,还能够附带提供开发设计的辅助工具,那将有加分效果,现有的ZigBee开发工具偏重于封包的路由路径追踪,网络状态探察、拓朴型态探察等,另外也有直接在收发路径中进行侧录,再将侧录信号转换回封装,以了解收发状况是否良善的工具。

    附注1:由于TI于2006年1月购并挪威Chipcon公司,Chipcon公司在ZigBee芯片市场相当积极活跃,然在收并前2家业者已有若干合作。

    附注2:过去在ZigBee 1.0时仅有Application Profile,然ZigBee 1.1后又新增了Cluster Library,Cluster Library是比Application Profile更本质性的应用归纳定义。

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