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工控工程师要使用Zigbee技术?您无需成为RF专家!

一条游鱼  发表于 2007/11/13 22:34:46      1915 查看 3 回复  [上一主题]  [下一主题]

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  ZigBee和IEEE 802.15.4均是低速率无线网络标准,可以节省工控产品中昂贵易损坏的连线。这样,液体或过程控制设备可任意放置,并仍可和其它系统通讯。由于网络对传感器、泵或阀门的位置并无要求,因此设备也可以移动。

  ZigBee标准是在IEEE 802.15.4标准基础上发展而来的。所有ZigBee产品也是802.15.4产品。标准的ZigBee部分是为了确保不同制造商的设备间仍能通讯,并支持复杂的、自愈合"mesh"网络,节点可多达65,000个。ZigBee标准仍在发展,有些应用的框架结构尚未定义。

  但是,ZigBee无线网络并非必需的。很多易于实施的802.15.4应用已具有足够功能。如果在点对点或星状网络中,产品不需要和其它厂商的设备交互使用,802.15.4则是最佳方案。如果还没有定义更高的ZigBee应用层,802.15.4则是唯一的选择。一旦合适的应用程序框架颁布后,这些应用会集成到ZigBee规范中。

  不管网络是802.15.4还是ZigBee,它仍有各种结点:控制结点、完全功能结点和精简功能结点。每个结点至少配置一个射频装置、微控制器和管理射频和系统接口的媒体访问控制软件。

  在大多数无线网络应用中,网络即是应用。对于支持802.15.4或ZigBee的工业控制产品而言,主要应用仍是工业控制系统,无线网络用于控制系统间的通讯。这样,当工业控制系统中增加了ZigBee功能,两个单独的系统可以并行设计。这会阻碍无线网络的实现,因为大多数工业控制工程师并不想成为RF专家。

  值得庆幸的是,802.15.4/ZigBee射频及控制器供应商已经意识到这个事实,准备提供高度集成的系统级方案。因此,工程师们无需成为RF专家。但他们需要了解RF参数,以及这些参数对系统复杂度、成本和功耗的影响。

  接收器灵敏度和功率输出。当评估ZigBee/802.15.4射频时主要的参数是接收器灵敏度、发送功率和链路成本。

  接收器灵敏度是指无线电可靠接收数据的最低功率,单元为分贝(dBm)。dBm值越大表明接收器灵敏度越高。接收器灵敏度的dB数负值越大,射频间隔距离越大,所需射频也更少,这无疑利于降低成本。802.15.4标准规定2.4GHz射频的最低接收器灵敏度为-85 dBm,900 MHz为-92 dBm。802.15.4的所有供应商都已经超过这个标准,接收器灵敏度在-90 dBm至-100 dBm之间。尽管10 dBm看上去差别并不大,但对作用范围和系统成本影响很大。

  如果射频接收器的灵敏度从-94 dBm提高到-100 dBm,将使射频的作用距离延长一倍。例如,如果接收器灵敏度为-94dBm的射频作用距离为100米,如果将灵敏度提高仅6 dBm,即-100 dBm,可将范围扩大到200米。更重要的是提高灵敏度可避免使用昂贵的高功率功率放大器(PA),从而降低系统的复杂度、成本和功耗。这样基于这些原因,工程师可选择高灵敏的射频。

  延长射频距离的第二个重要因素是发送功率。射频发射功率越大,所需信号幅度就越大。802.15.4标准所需的最低输出功率为-3dBm,即0.5mWatts。目前市场上的射频输出功率在0 dBm (1 mWatt)至3 dBm (2 mWatts)之间。输出功率越大性能越好。事实上,发射功率越大的射频,对功放这样的外部元件需求就越少,这样有利于降低成本,此外,放大器所需功率也甚多,会影响终端结点的电池寿命。

  接收器灵敏度和发送功率都会影响发送器/接收器的范围。接收器灵敏度越高,发送功率越大,作用距离越远。即使在建筑物中,高发送功率和良好的接收器灵敏度也会提高射频链路的可靠性。

  接收器灵敏度和输出功率的绝对值和被称作“链路预算”,与工作有效距离相关。例如,Chipcon的CC2420 2.4 GHz 802.15.4射频发送功率为0 dBm (1mWatt),接收灵敏度为-94 dBm,而Atmel'的Z-Link发射功率为3 dBm (2 mWatts),接收器灵敏度为-100 dBm。Chipcon射频链路预算为94 dBm,Atmel链路预算为103 dBm。

  在同样条件下,如果Chipcon射频的距离为100米,Atmel的距离为280米。因此9 dBm的链路成本可使距离提高四倍。这意味如果使用Atmel射频,仅需要Chipcon的1/3结点即可覆盖相同的网络区域。

  假设网络需要1000个低成本预算的结点,仅需要357个-103dBm的Atmel射频即可实现相同覆盖范围。每个结点的成本为10美元,这样,成本达10,000美元的系统仅需3,570美元即可实现。

  如果需要在产品中增加ZigBee或802.15.4无线功能,工业控制工程师无需成为RF专家。但他们必须了解接收器灵敏度、发送功率和链路成本的影响。无论是哪种情况,都需要以最负的dBm值、更长的有效范围和更少的结点覆盖给定区域。

  除了链路成本外,外部元件的数量也会影响系统成本和应用电路板空间。外部元件一般为无源滤波和晶体,用以产生系统所需的时钟信号。外部元件的数量必须公布在销售商文档上。这样,无论从成本还是产品占位引脚来说,外部元件数量越少越好。

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