ZigBee收發(fā)器在現(xiàn)代能源管理和樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中是一種流行的，在某些情況下是不可或缺的元素（圖1）。但是，并非所有ZigBee系統(tǒng)都是平等的，其性能和電池壽命的差異可能意味著您的產(chǎn)品成功或失敗。功耗/性能優(yōu)化設(shè)計(jì)需要仔細(xì)選擇主機(jī)系統(tǒng)和無線電系統(tǒng)組件，但即使是最好的參考設(shè)計(jì)也需要工程師的觸摸來針對特定應(yīng)用對其進(jìn)行微調(diào)。我們很快就會(huì)看到，設(shè)計(jì)問題，如無線電管理，天線分集，出站和入站數(shù)據(jù)的智能管理，以及對調(diào)整系統(tǒng)睡眠模式的仔細(xì)關(guān)注，都在設(shè)計(jì)一個(gè)強(qiáng)大，長壽命的能源管理設(shè)備中發(fā)揮作用。

圖1：ZigBee無線技術(shù)強(qiáng)大的低功耗特性贏得了環(huán)境監(jiān)測，能源管理，照明控制和樓宇自動(dòng)化應(yīng)用的廣泛認(rèn)可。

性能設(shè)計(jì)

盡管所有商用ZigBee收發(fā)器都符合標(biāo)準(zhǔn)的簡單明確的空中接口，但系統(tǒng)的實(shí)際性能（即它與數(shù)據(jù)速率，范圍和數(shù)據(jù)的匹配程度）對所謂的理想系統(tǒng)的干擾的抵抗力仍取決于設(shè)計(jì)者的技能。許多問題涉及無線電子系統(tǒng)，包括接收器靈敏度，發(fā)射功率，以及它應(yīng)對大多數(shù)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的干擾，衰落和多徑條件的能力。這些因素會(huì)影響系統(tǒng)的范圍，數(shù)據(jù)速率以及丟棄的數(shù)據(jù)包或其他傳輸錯(cuò)誤消耗的理論容量。丟失或亂碼數(shù)據(jù)包的任何重新傳輸都會(huì)影響通信網(wǎng)絡(luò)在延遲，功耗和增加的無線電活動(dòng)方面的整體性能和效率，從而產(chǎn)生額外的信道干擾。

在群集樹或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)等擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)中降低ZigBee功耗的最簡單方法之一是使用協(xié)議的可選信標(biāo)模式。在信標(biāo)模式中，稱為ZigBee路由器的特殊節(jié)點(diǎn)使用時(shí)隙協(xié)議與其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信，其中路由器用順序的“信標(biāo)消息”向每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)信號，確認(rèn)其存在，并且如果需要，啟動(dòng)數(shù)據(jù)交換。在信標(biāo)模式下操作允許網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)通過在信標(biāo)之間休眠而僅在沒有其他節(jié)點(diǎn)試圖訪問路由器的預(yù)定時(shí)間喚醒來節(jié)省其電池電量。信標(biāo)間隔可根據(jù)應(yīng)用的最小所需響應(yīng)時(shí)間和所需數(shù)據(jù)速率進(jìn)行調(diào)整，范圍從低至15.36毫秒到長達(dá)786.432秒。 ZigBee信標(biāo)模式可以顯著降低數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率，但可能不適合節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生不頻繁事件或不需要定期輪詢的應(yīng)用程序（如無線燈開關(guān)或窗口位置傳感器）。此外，在具有長信標(biāo)間隔的系統(tǒng)中使用的低占空比操作通常需要更精確的外部時(shí)鐘或其他穩(wěn)定的定時(shí)源，這可能增加BOM成本。

對于許多應(yīng)用，使用標(biāo)準(zhǔn)的無時(shí)隙，載波偵聽，多址/沖突避免信道訪問機(jī)制（CSMA/CA - 也稱為“先聽后說”）來支持所謂的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。在這種類型的網(wǎng)絡(luò)中，ZigBee路由器的接收器持續(xù)保持活動(dòng)狀態(tài)，允許遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)保持低功耗狀態(tài)或完全無動(dòng)力，直到發(fā)生需要網(wǎng)絡(luò)注意的事件。無時(shí)隙網(wǎng)絡(luò)依賴于CSMA（通話前監(jiān)聽）來最小化當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)嘗試發(fā)送時(shí)發(fā)生的不可避免的更高的分組丟失。

無線和無時(shí)隙網(wǎng)絡(luò)都可以使用收發(fā)器的接收器信號強(qiáng)度指示器（RSSI）來優(yōu)化鏈路性能。當(dāng)與分組錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)一起使用時(shí)，RSSI可以用作確定接收器增益和發(fā)射器輸出功率的最佳組合的機(jī)制，以提供最佳級別的分組丟失和功耗。德州儀器（TI）進(jìn)行的測試表明，典型系統(tǒng)可以使用RSSI測量將其發(fā)射模式功耗降低10 mA，以將其RF輸出從0 dBm調(diào)整為-12 dBm。片上MCU用于許多先進(jìn)的ZigBee收發(fā)器，如TI的2.4 GHz ZigBee/IEEE 802.15.4 CC253系列和飛思卡爾的MC13224V集成2.4 GHz 802.15.4收發(fā)器，具有足夠的處理能力和內(nèi)存，可支持基于RSSI的功率優(yōu)化算法（圖2）。在使用“啞”收發(fā)器的應(yīng)用中，算法可以在主機(jī)系統(tǒng)的處理器上運(yùn)行。

圖2：德州儀器的CC253x系列ZigBee收發(fā)器集成了硬件CSMA/CA MAC，加密/解密和其他邏輯內(nèi)核，以釋放片上處理器非常規(guī)任務(wù)，如內(nèi)務(wù)功能和管理發(fā)射功率和接收器增益設(shè)置，以獲得最佳性能。

多樣性的優(yōu)勢

天線多樣性可以成為在隨機(jī)衰落和其他多徑問題很常見的室內(nèi)環(huán)境中維持收發(fā)器性能的另一種非常有效的方法。如果位置適當(dāng)且定向良好，兩個(gè)天線可以確保其中至少一個(gè)受到本地信道損傷的影響較小。天線分集通常用于其他無線協(xié)議，例如藍(lán)牙和Wi-Fi，因?yàn)閰f(xié)議的長分組報(bào)頭提供相對長的間隔，以確定具有最佳信號的天線。 ZigBee的短4位前導(dǎo)碼為接收器提供了更短的間隔，可以確定每個(gè)信號源的信號質(zhì)量。

ZigBee的短前導(dǎo)碼意味著直到最近，收發(fā)器才能提供有限的，基于軟件的天線分集，其中無線電在默認(rèn)天線上接收數(shù)據(jù)包，并且當(dāng)它檢測到一系列丟棄或亂碼的數(shù)據(jù)包時(shí)僅切換到其備用源。 GreenPeak Technologies最近開發(fā)出第一批提供真正的每包天線分集的設(shè)備。它們的接收器架構(gòu)使用專用DSP在短前導(dǎo)碼周期內(nèi)分析兩個(gè)天線處的信號質(zhì)量，并選擇最易理解的輸入。此功能可通過減少數(shù)據(jù)包重新傳輸和降低傳輸功率設(shè)置來顯著降低工作功耗。每個(gè)分組的天線分集也增加了9 dB的典型鏈路預(yù)算，允許ZigBee的0 dBm信號提供通常由更高功率的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)享受的范圍和覆蓋范圍。

睡眠模式問題

了解硬件和軟件如何影響系統(tǒng)從節(jié)能睡眠模式進(jìn)入和退出的方式，以及如何調(diào)整它們以滿足特定應(yīng)用的需求，這一點(diǎn)也很重要。 ZigBee收發(fā)器及其相關(guān)MCU必須在低功耗貪睡或睡眠模式下花費(fèi)盡可能多的時(shí)間，但也能夠及時(shí)響應(yīng)預(yù)期會(huì)遇到的任何關(guān)鍵事件。在系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和能量消耗之間取得適當(dāng)?shù)钠胶饪梢员苊饫速M(fèi)部分ZigBee通道在丟失時(shí)隙或丟棄數(shù)據(jù)包重傳時(shí)的有限信道容量。

考慮深度睡眠模式的替代方案通常也很有用，它們不會(huì)保留任何數(shù)據(jù)，需要長啟動(dòng)和預(yù)熱序列才能使收發(fā)器恢復(fù)生機(jī)。除非您的系統(tǒng)需要花費(fèi)數(shù)天或數(shù)周才能處于完全休眠狀態(tài)，否則將系統(tǒng)置于輕度睡眠狀態(tài)（喚醒時(shí)間較短）可能會(huì)比使用深度睡眠模式產(chǎn)生更低的功率分布。例如，Green Peak的GP500收發(fā)器等設(shè)備的熱啟動(dòng)周期為1μSor或更短。相比之下，大多數(shù)收發(fā)器需要2 mS至10 mS的冷啟動(dòng)。同樣，Energy Micro最近推出的EFR4D“Draco”系列ZigBee收發(fā)器基于其EFM32“Tiny Gecko”系列高能效32位ARM Cortex MCU，支持高度精細(xì)的睡眠模式，允許各種級別的內(nèi)存保留和外周活動(dòng)（圖3a）。 EFM32的外圍反射系統(tǒng)（圖3b）提供額外的節(jié)能功能，允許MCU的定時(shí)器和I/O設(shè)備在CPU保持低功耗睡眠狀態(tài)時(shí)自動(dòng)運(yùn)行。

圖3：Energy Micro的EFM32 MCU具有一組高度精細(xì)的睡眠模式（a）和一個(gè)允許設(shè)備定時(shí)器的“外圍反射系統(tǒng)（b）” ，I/O和其他外圍功能在CPU休眠時(shí)起作用。