低功耗射频技术趋势发展

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低功耗的射频技术正在飞奔着进入人们的生活。像我们乘坐公交时使用的公交卡,方便大家随时随地上网的无线路由器,以及大红大紫的任天堂Wii游戏机的无线手柄,这些工具/产品背后无不有低功耗无线射频技术的身影。这还只是我们所能看到的部分,在物流、工业、建筑、医疗、军事等领域,低功耗射频技术也在扮演着越来越重要的角色。

低功耗射频技术虽然传输距离不长,数据传输率也不大,但它能使无线设备小巧灵活,在很多场合充分发挥作用。

ZigBee的兴起
提起低功耗射频技术,最知名的就是蓝牙(Bluetooth)和ZigBee技术。其中,蓝牙技术推广较早,已经有了相当广泛的应用基础,很多消费电子设备上都有蓝牙收发装置。ZigBee技术则兴起得较晚,但是发展速度很快,大有赶超蓝牙之势。特别是家电和工业自动化领域,ZigBee的应用正有声有色地展开。

这里,先简单介绍一下ZigBee技术。ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输速率、低成本的双向无线通信技术,主要通信协议由ZigBee联盟制定,其底层是采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体存取层与实体层。总结起来,ZigBee技术有下面几个优点:

1 低功耗:ZigBee的传输速率较低,传输数据量很小,因此信号的收发时间很短。在待机模式下,ZigBee节点会进入休眠模式。这一切使得Zigee设备非常节电,使用普通5号碱性电池对的ZigBee节点可工作达6个月到2年左右。

2 数据传输可靠性强:ZigBee的MAC层采用talk-when-ready的碰撞避免机制。

3 网络容量大:一个ZigBee的网络最多可配置255个ZigBee网路节点,包括一个主控(Master)设备和其他从属(Slave)设备。若是通过网络协调器(Network Coordinator),整个网络最多可以支持超过64000个的ZigBee网路节点,再加上各Network Coordinator可互相连接,整个ZigBee网络节点的数目将十分可观。

4 高安全性:ZigBee 提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据,以及采用高级加密标准(AES 128)的对称密码,以灵活确定其安全属性。

5 短时延:ZigBee节电从睡眠转入工作状态只需15ms,节点连接进入网络只需30ms。

6 低成本:通信协议的简化,降低了对设备的要求。

说到ZigBee,就不得不提到ZigBee RF4CE(Radio Frequency for Consumer Electronics)标准。这是一个由众多家电巨头和半导体器件供应商结成的联盟所制定的标准。它的起因是因为影音家电设备的智能化、网络化和显示设备的大型化趋势越来越明显,以前占据家电遥控器主导地位的红外传输技术已经跟不上时代的步伐,其接收角度狭小,无法双向传输信息的缺点愈加明显。为此,必须有新的无线技术取而代之。事实上,很多厂商都在开发相应的替代无线技术,但因为缺乏统一的技术标准,使得局面极为混乱。为了扭转这些不利的状况,全球家电业巨头松下、索尼、三星、飞利浦等决定携手推动射频遥控器软件协议标准化,并决定以IEEE 802.15.4作为射频遥控器所采用的无线电平台。随后,德州仪器、飞思卡尔、Ember等芯片供应商也加入,RF4CE产业联盟亦宣告成立。在今年4 月,第一批ZigBee RF4CE参考平台正式通过了验证。这也就意味着,ZigBee进入家电遥控器市场的时间很快就要到来了。

另外,近年来发展很快的无线传感器网络也在大量使用ZigBee技术。这也为ZigBee的发展提供了另一个空间。

半导体器件商的高集成度解决方案
RF4CE产业联盟中的半导体厂商代表,如德州仪器、飞思卡尔等,都在不断推出自己的ZigBee产品,以期能迅速占领市场。

飞思卡尔公司在今年年初推出了其第二代芯片组MC1321x系列,其在第一代的基础上集成发射/接收开关,减少了所需的外部组件数量。

而德州仪器公司也在近日推出了自己的新产品——CC2530。该产品不仅支持IEEE 802.15.4标准,而且还支持包括ZigBee PRO网络、ZigBee RF4CE远程控制、智能能源、家庭与楼宇自动化、环境监控以及无线医疗等在内的一系列丰富应用。与同类解决方案不同,CC2530可提供达高达256K 的闪存。其输出功率,也从前代产品CC2480的94dB增加到现在的101dB。同时,该产品支持49dB的相邻通道抑制,这也是业界里一个非常高的指标。CC2530的Flash存储器可以支持多种应用,其集成了高级RF收发器、业界标准增强型8051 MCU、系统内可编程闪存、8KB RAM,可减少多种外围元件(DMA、GPIO、USART、ADC以及定时器)。对于ZigBee器件来说,开发工具也非常重要。CC2530也有多种开发套件,包括了基础开发套件 (CC2530DK)、ZigBee开发套件(CC2530ZDK)以及ZigBee RF4CE 开发套件 (RemoTI-CC2530DK)。同时,还有免费的协议软件栈,包括适用于符合ZigBee标准应用的Z-Stack软件(ZigBee PRO),适用于ZigBee RF4CE遥控应用的Remo TI网络协议以及适用于专用网络应用的SimpliciTI网络协议。

需要解释一下Remo TI协议,这是面向ZigBee RF4CE规范的同时包含软件与硬件的完整网络协议,包含了CC2530 IEEE/802.15.4片上系统与软件协议栈。

未来
根据市场调研机构ABI Reserch的报告,ZigBee市场的年均复合增长率为63%,而到2012年ZigBee市场份额将达3.5亿元。但是,也存在一些不利因素,使用标准ZigBee协议的产品少,潜在市场众多,但方向难以明确。不过,随着ZigBee RF4CE协议的逐渐推广,情况渐渐明朗起来。家电市场有望成为ZigBee突破的第一站,并成为一个巨大的市场。而随着ZigBee的崛起,低功耗射频技术也会迎来一个高速发展的时期。

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