具備定位功能的ZigBee SoC
摘要： 今日相容于IEEE 802.15.4且適用于ZigBee的無線射頻收發(fā)器、微控制器及系統(tǒng)單芯片(SoC)半導(dǎo)體裝置已相當(dāng)普及,。高度整合的多功能SoC解決方案是促成ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)得以廣泛運用在眾多應(yīng)用中的重要因素,，包括工業(yè)監(jiān)控、家庭及建筑自動化,、傳感器網(wǎng)絡(luò),，乃至于無線醫(yī)療解決方案。在以上解決方案中增添無線射頻裝置的定位功能使得這些網(wǎng)絡(luò)的價值得以大幅提升,。
Abstract：
Key words :
今日相容于IEEE 802.15.4且適用于ZigBee的無線射頻收發(fā)器,、微控制器及系統(tǒng)單芯片(SoC)半導(dǎo)體裝置已相當(dāng)普及。高度整合的多功能SoC解決方案是促成ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)得以廣泛運用在眾多應(yīng)用中的重要因素,，包括工業(yè)監(jiān)控,、家庭及建筑自動化、傳感器網(wǎng)絡(luò),，乃至于無線醫(yī)療解決方案,。在以上解決方案中增添無線射頻裝置的定位功能使得這些網(wǎng)絡(luò)的價值得以大幅提升。
定位功能
定位數(shù)據(jù)在許多應(yīng)用中可以顯著提升所交換信息的價值,。對于病患監(jiān)控,、資產(chǎn)追蹤、庫存控制,、保全,、倉儲、制造物流以及對于高度敏感的服務(wù)與計費等相關(guān)應(yīng)用而言,，定位功能可以說是驅(qū)動了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,。節(jié)點或傳感器位置信息也有助于無線網(wǎng)絡(luò)的傳遞及調(diào)整。例如,，無線節(jié)點可以使用全球定位系統(tǒng)(GPS)之類的現(xiàn)有系統(tǒng)取得位置信息,。然而，GPS型系統(tǒng)可能相當(dāng)昂貴,，而且對于低成本且大范圍的簡易網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而言,，也可能過于耗電且復(fù)雜。此外,，GPS可以在室外環(huán)境有效又精確地發(fā)揮定位功能,，但在室內(nèi)則未必如此。
在許多無線個人局域網(wǎng)絡(luò)(WPAN)應(yīng)用中,，針對具備定位功能的網(wǎng)絡(luò)來說,，其吸引力在于低成本的傳感器裝置，以及以低功耗自動運作達(dá)到較長的設(shè)備使用壽命。由于ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)具有多樣性,，而且預(yù)期未來會相當(dāng)普遍,，因此區(qū)域定位很可能成為這類無線系統(tǒng)中最令人興奮的特色之一。其中的概念是,，透過簡易且符合成本效益的方式,，在大量的 ZigBee網(wǎng)絡(luò)加入定位功能，即將定位功能加入傳感器節(jié)點硅芯片裝置中,，這只會稍微提高復(fù)雜程度和成本,。若將此類位置模塊整合于芯片，并且運用無線信號處理過程中既有的信號指示器估計位置,，例如接收信號強度指針(RSSI),，即可將增加的尺寸大小與功耗以及位置估計工作的復(fù)雜程度降至最低。無線射頻定位是相當(dāng)繁復(fù)的過程,。透過分布式方法(算法)，可以將整個過程分成多個可管理的工作項目,，這不僅能夠使節(jié)點所需的資源量相對減輕,，且相較于集中式的方法也能夠明顯減少位置相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)流量。
內(nèi)建定位引擎的ZigBee SoC
對于大多數(shù)ZigBee型無線應(yīng)用而言,，若要使應(yīng)用系統(tǒng)的成本及設(shè)計復(fù)雜程度降低,，卻又不減損 IEEE 802.15.4/Zigbee技術(shù)的功能，具備最優(yōu)設(shè)計的系統(tǒng)單芯片裝置是重要關(guān)鍵,。真正實行系統(tǒng)單芯片解決方案,，也就是將無線射頻收發(fā)器、數(shù)據(jù)處理單元,、內(nèi)存及使用者應(yīng)用功能等所有的運作功能,，整合于一個硅芯片，即可達(dá)到高效能,、低成本及快速上市等優(yōu)點,。低功耗之所以能夠發(fā)揮高效能，是因為芯片內(nèi)建專門功能緊密交互作用,，使得耗用的資源大幅降低,。透過最低程度的系統(tǒng)物料清單 (BOM)、較小的體積尺寸與較少的組件,、較簡易的組裝與測試,，以及簡單且可靠的設(shè)計，其制造成本得以降低并能加速上市時程,。
圖1是市售硅芯片解決方案中具有代表性的CC2431,，這是一款真正的系統(tǒng)單芯片CMOS器件，不僅能夠發(fā)揮高效能，而且能夠滿足以2.4GHz ISM頻帶運作的IEEE 802.15.4/ZigBee無線標(biāo)準(zhǔn)對于低成本及低功耗的需求,。由于2.4GHz ISM頻帶具備最大頻寬且全球通用,，能夠促進(jìn)全球市場的發(fā)展及應(yīng)用設(shè)計的彈性，IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz PHY因而具有相當(dāng)大的潛力,。CC2431將高效能2.4GHz直接序列展頻(DSSS)無線射頻收發(fā)器結(jié)合廣受業(yè)界肯定的精巧型高效率8051微控制器,、8KB RAM、128KB嵌入式閃存,，以及其他實用的支持功能,。其中一項是強大的RSSI定位引擎，適用于低功耗ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,，例如,，資產(chǎn)追蹤、病患監(jiān)控,、庫存控制,、保全及試行網(wǎng)絡(luò)。芯片內(nèi)建定位引擎的一項主要功能是分布算法,，例如,，在各個節(jié)點進(jìn)行位置計算。由于過程中只傳輸計算的位置,，而非進(jìn)行計算所使用的數(shù)據(jù),，因此在節(jié)點進(jìn)行位置計算能夠減少集中式運算法會出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)流量及通信延遲。
圖1 具備定位功能的ZigBee SoC裝置
分布式定位功能(Distributed Localization)
CC2431的定位引擎是數(shù)字硬件區(qū)塊,，能夠使無線節(jié)點在IEEE 802.15.4或ZigBee網(wǎng)絡(luò)中以迅速有效的方式?jīng)Q定自身的平面位置坐標(biāo),。利用相同引擎的多個參照節(jié)點或其他動態(tài)鄰近節(jié)點所接收到的信號值，可以統(tǒng)計,、演算與估計最可能的位置,，以完成無線節(jié)點的定位。
定位引擎模塊的設(shè)計使其便于使用及與芯片內(nèi)建的微控制器接合,。這個獨立模塊的功耗相當(dāng)?shù)筒⑶疫\作快速,，因此能夠持續(xù)使用，完全不會耗用裝置的運算資源,。
在網(wǎng)絡(luò)中,，已知位置的節(jié)點稱為參照節(jié)點，位置未知而需要計算的節(jié)點則稱為待測節(jié)點(blind node),。根據(jù)距離最近的參照節(jié)點所收到的信息,，CC2431能夠運用分布式定位功能得知待測節(jié)點的位置。
其中的網(wǎng)絡(luò)流量僅局限于(待測)節(jié)點的通信范圍內(nèi)所涵蓋的節(jié)點,，而不會擴及到可能相距甚遠(yuǎn)的中央節(jié)點,。此分布式方法能夠處理相同網(wǎng)絡(luò)的大量待測節(jié)點,，而集中式方法的網(wǎng)絡(luò)流量則會因為待測節(jié)點過多而急遽增加。在參照節(jié)點與待測節(jié)點間交換的必要信息為參照節(jié)點的X與Y坐標(biāo),。參照節(jié)點接收到的信息中內(nèi)含所測得的RSSI值,，定位引擎會根據(jù)參照(X，Y)坐標(biāo)以及此RSSI值,，計算出自身的(X,，Y)坐標(biāo)。
兩個無線射頻之間的RSSI值深受環(huán)境(變化)的影響,，為了補足這個變動,，CC2431的定位引擎會收集3～16個參照節(jié)點的數(shù)據(jù)，以用于計算位置,。如果接收到的數(shù)據(jù)來自16個以上的節(jié)點,，則會將接收的參照節(jié)點位置加以排序，并使用其中16個最強的參照RSSI值,。
ZigBee網(wǎng)絡(luò)使用CC2431進(jìn)行的實際室內(nèi)測量如圖2所示,。
圖2 CC2431的分布式定位
結(jié)論
低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用除了具備可觀的商機，還能夠提升日常生活的安全性,、舒適性及效率,。采用高穩(wěn)定IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee具有技術(shù)質(zhì)量與業(yè)界支持，能夠促進(jìn)無線傳感器解決方案的普及,。
整合于CC2431的定位引擎能夠運用既有的ZigBee基礎(chǔ)架構(gòu)來發(fā)揮定位功能，并且能夠以ZigBee網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點的‘室內(nèi)智慧’精確度進(jìn)行分布式位置估計,，不僅相當(dāng)節(jié)能,，而且能大幅降低通信所需的經(jīng)費。重要的位置信息可用于對位置相當(dāng)敏感的服務(wù),、追蹤與監(jiān)控,，以及導(dǎo)航用途。
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