如何实现智能家居的网状网络?

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　　网状网络是一种理想的住宅设计方案，但在设计和实现中需要考虑。创建一个网状网络可以方便地添加新设备，因为新设备连接到最近的邻居，并且很容易扩展整个网络的覆盖范围。然而，这需要一个更复杂的身份验证过程，必须在整个网络中实现，而不是在中心中心。虽然添加新设备可以扩展范围，但它也减少了每个节点可用的带宽。这是因为数据必须从一个节点跳转到下一个节点，并与相邻节点的数据一起跳。如果多个节点同时处于活动状态，那么带宽就会急剧下降。这对于高带宽的应用程序来说是一个问题，比如无线安全的流媒体视频或者智能家居的监控摄像头，但是对于无线传感器和执行器来说，它并没有明显的影响。

　　IEEE802.15.4协议可能是国内最完善的网状网络开放标准，在无授权的2.4 GHz频段中，世界上数百万个节点都使用ZigBee实现。在最新版本中，它已经更新到包括每个节点的IPv6地址和通过从环境中获取能量来支持超低功耗的操作。

　　ZigBee PRO网络是用几种不同类型的设备构建的。ZigBee协调器控制网格网络的形成和安全，而路由器扩展了网格的范围，并连接到智能家居中的特定传感器或控制器的终端设备。这些功能可以很容易地组合在一个设备中，例如，使用一个控制灯具的设备，也可以将消息路由到网络的其他部分。然而，这也允许终端节点尽可能简单和低成本。

　　典型的ZigBee网状网络在智能家居中的形象。

　　图1:智能家居中一个典型的ZigBee网状网络包含了许多可以集成到一个设备中的不同功能。

　　图1中所示的ZigBee拓扑包括一个协调器、五个路由设备、两个终端设备，它们创建一个控制网络和一个可选的组合协调器/网关来提供对Internet的访问。例如，在智能家居中，协调器可能是一个家庭影院控制系统，它可以为房子周围的照明和安全提供额外的智能支持。

　　来自Atmel的ATmega2564RFR2是一个低功耗的8位微控制器，结合一个高的数据速率2.4 GHz的收发器，可以用来在智能家居中构建性价比高的ZigBee终端。控制器使用AVR哈佛体系结构，它允许指令在一个时钟周期内执行，并实现吞吐量接近每兆赫一个MIPS。这允许系统设计人员平衡功耗，例如基于电池的节点，与性能之间的平衡。

　　无线电收发器提供了从250 kbit/s到2 Mbit/s的数据速率，以及帧处理，可以在网格中使用，以提供250 kbit/s的最小网络数据速率。收发器提供了一个晶体稳定的分数- n合成器，并支持完整的直接序列扩频信号(DSSS)处理，它与IEEE802.15.4-2011/2006/2003协议以及在上面的ZigBee标准完全兼容。- 100dbm接收机灵敏度和可编程的传输输出功率从-17 dBm到+3.5 dBm允许设计者在整个智能家居中选择一个长达100米或更低的电源操作。

　　Atmel无线收发机在ATmega2564的示意图。

　　图2:ATmega2564中的无线收发器直接连接到AVR控制器核心，以简化节点设计。

　　单片机系统包括所有简化节点设计的元素，从内部电压调节到电源管理，以及直接连接到AVR核心。这有32个通用8位寄存器，它们直接连接到算术逻辑单元(ALU)。这允许在一个时钟周期内执行单个指令访问两个独立的寄存器。这提供了非常有效的代码，使RAM内存保持较低，同时实现吞吐量比传统的CISC微控制器快10倍。

　　ZigBee节点设计的一个关键元素是连接到外围设备，例如传感器或控制器。这是通过图3中所示的两线串行接口来处理的，该接口允许系统设计人员使用两个简单的双向总线连接到128个不同的设备，一个用于时钟(SCL)，一个用于数据(SDA)。唯一需要实现总线的外部硬件是每一个双胞胎总线线路上的单个拉升电阻。连接到总线的所有设备都有单独的地址，这简化了数据传输，任何总线争用的解决都直接在双胞胎协议中处理。

　　在ZigBee网格节点中，两线接口的图。

　　图3:双线接口(双胞胎)简化了ZigBee网格节点外围设备的连接。

　　对双胞胎的地址包是9位长，有七个地址位，一个读/写控制位和一个确认位。如果设置了读/写位，将执行读操作，否则将执行写操作，这将避免任何总线争用。

　　另一个关键因素是电力消耗。这是通过一系列不同的电源管理模式来解决的。空闲模式停止CPU，同时允许SRAM、计时器/计数器、TWI端口和中断子系统保持功能，以便外部传感器仍然可以向设备发送数据。关机模式保存寄存器内容，但冻结振荡器，使所有其他芯片功能失效，直到下一个中断或硬件复位。在待机模式下，RC振荡器正在运行，而其余的设备在睡觉，这允许快速启动。

　　ZigBee网络支持多达6.4万件个人设备，智能家居可能会被过度使用。蓝牙目前正在研究现有的蓝牙接收器是如何通过软件升级来提供与ZigBee类似的网格功能的。这将允许在家附近的蓝牙网络通过连接到一个设备的智能手机访问，然后通过网格连接到所有其他节点。

　　德州仪器的CC2564独立蓝牙收发器的目标是传统的蓝牙链路和最新的蓝牙低能量(BLE) 4.1协议。为了简化节点设计，一个免专利的软件蓝牙栈已经集成了TI的MSP430, ARM Cortex-M3和Cortex-M4微控制器连接到收发器。这种架构允许第三方开发人员在智能家庭连接的顶部添加他们自己的网格功能。

　　来自德州仪器的CC2564图表。

　　图4:来自德州仪器的CC2564连接到一个外部微控制器，它可以用来实现一个mesh网络协议。

　　为了进一步简化智能家居中蓝牙节点的设计，来自硅实验室的BGM111蓝牙智能模块将收发器和控制器连接到一个模块中，该模块还可以托管终端用户应用程序。这意味着不需要外部的微控制器，允许无线节点更小和更便宜。它还被设计成具有灵活的硬件接口，可以方便地连接到不同的外围设备或传感器。

　　该模块可以使用标准的3v硬币电池供电，但也可以提供高达+8 dBm的传输能力，使节点设计者可以在范围和功耗之间进行交易。通常一个模块有一组严格定义的I/O引脚，它可以限制设计的选项来连接外部传感器。在BGM111模块中，25个大头针可以被组织成每个端口16个大头针，这些可以单独配置为输出或输入pin，也可以用于开路、开源或小故障的过滤配置。

　　硅实验室BGM111模块外围反射系统图像(按全尺寸点击)

　　图5:BGM111模块的外围反射系统是一个内部交叉条，它允许蓝牙网络节点中高度灵活的I/O结构。

　　这来自于一个叫做外围反射系统的内部信号横条，如图5所示。这个横条允许将各种外围功能免费分配给任何GPIO pad，简化了应用程序板的布局。这意味着同样的模块可以很容易地用于网状网络中的广泛节点，GPIO线重新配置，以支持不同应用程序中的不同的板布局。

　　结论

　　网状网络正变得越来越受欢迎，它是一种以合理的成本在家中提供智能网络的方式。当ZigBee设备继续在现有的网络控制器基础和经过良好测试的网格软件基础上进行创新和构建时，蓝牙现在也已经进入了这个领域，同时拥有专用的收发器和模块。这为设计人员提供了更多的机会来修改和优化网格应用的蓝牙栈，或者使用灵活的集成模块。所有这些都有助于为家庭带来更多的智能无线功能。