工控工程師要使用Zigbee技術？您無需成爲RF專家!

工控工程師要使用Zigbee技術？您無需成爲RF專家!

ZigBee和IEEE 802.15.4均是低速率無線網絡標準，可以節省工控產品中昂貴易損壞的連線。這樣，液體或過程控制設備可任意放置，並仍可和其它系統通訊。由於網絡對傳感器、泵或閥門的位置並無要求，因此設備也可以移動。

ZigBee標準是在IEEE 802.15.4標準基礎上發展而來的。所有ZigBee產品也是802.15.4產品。標準的ZigBee部分是爲了確保不同製造商的設備間仍能通訊， 並支持複雜的、自癒合"mesh"網絡，節點可多達65,000個。ZigBee標準仍在發展，有些應用的框架結構尚未定義。

但是，ZigBee無線網絡並非必需的。很多易於實施的802.15.4應用已具有足夠功能。如果在點對點或星狀網絡中，產品不需要和其它廠商的設備交互 使用，802.15.4則是最佳方案。如果還沒有定義更高的ZigBee應用層，802.15.4則是唯一的選擇。一旦合適的應用程序框架頒佈後，這些應 用會集成到ZigBee規範中。

不管網絡是802.15.4還是ZigBee，它仍有各種結點：控制結點、完全功能結點和精簡功能結點。每個結點至少配置一個射頻裝置、微控制器和管理射頻和系統接口的媒體訪問控制軟件。

在大多數無線網絡應用中，網絡即是應用。對於支持802.15.4或ZigBee的工業控制產品而言，主要應用仍是工業控制系統，無線網絡用於控制系統間 的通訊。這樣，當工業控制系統中增加了ZigBee功能，兩個單獨的系統可以並行設計。這會阻礙無線網絡的實現，因爲大多數工業控制工程師並不想成爲RF 專家。

值得慶幸的是，802.15.4/ZigBee射頻及控制器供應商已經意識到這個事實，準備提供高度集成的系統級方案。因此，工程師們無需成爲RF專家。但他們需要了解RF參數，以及這些參數對系統複雜度、成本和功耗的影響。

接收器靈敏度和功率輸出。當評估ZigBee/802.15.4射頻時主要的參數是接收器靈敏度、發送功率和鏈路成本。

接收器靈敏度是指無線電可靠接收數據的最低功率，單元爲分貝(dBm)。dBm值越大表明接收器靈敏度越高。接收器靈敏度的dB數負值越大，射頻間隔距離 越大，所需射頻也更少，這無疑利於降低成本。802.15.4標準規定2.4GHz射頻的最低接收器靈敏度爲-85 dBm，900 MHz爲-92 dBm。802.15.4的所有供應商都已經超過這個標準，接收器靈敏度在-90 dBm至-100 dBm之間。儘管10 dBm看上去差別並不大，但對作用範圍和系統成本影響很大。

如果射頻接收器的靈敏度從-94 dBm提高到-100 dBm，將使射頻的作用距離延長一倍。例如，如果接收器靈敏度爲-94dBm的射頻作用距離爲100米，如果將靈敏度提高僅6 dBm，即-100 dBm，可將範圍擴大到200米。更重要的是提高靈敏度可避免使用昂貴的高功率功率放大器(PA)，從而降低系統的複雜度、成本和功耗。這樣基於這些原 因，工程師可選擇高靈敏的射頻。

延長射頻距離的第二個重要因素是發送功率。射頻發射功率越大，所需信號幅度就越大。802.15.4標準所需的最低輸出功率爲-3dBm，即 0.5mWatts。目前市場上的射頻輸出功率在0 dBm (1 mWatt)至3 dBm (2 mWatts)之間。輸出功率越大性能越好。事實上，發射功率越大的射頻，對功放這樣的外部元件需求就越少，這樣有利於降低成本，此外，放大器所需功率也 甚多，會影響終端結點的電池壽命。

接收器靈敏度和發送功率都會影響發送器/接收器的範圍。接收器靈敏度越高，發送功率越大，作用距離越遠。即使在建築物中，高發送功率和良好的接收器靈敏度也會提高射頻鏈路的可靠性。

接收器靈敏度和輸出功率的絕對值和被稱作“鏈路預算”，與工作有效距離相關。

假設網絡需要1000個低成本預算的結點，僅需要357個-103dBm的Atmel射頻即可實現相同覆蓋範圍。每個結點的成本爲10美元，這樣，成本達10,000美元的系統僅需3,570美元即可實現。

如果需要在產品中增加ZigBee或802.15.4無線功能，工業控制工程師無需成爲RF專家。但他們必須瞭解接收器靈敏度、發送功率和鏈路成本的影響。無論是哪種情況，都需要以最負的dBm值、更長的有效範圍和更少的結點覆蓋給定區域。

除了鏈路成本外，外部元件的數量也會影響系統成本和應用電路板空間。外部元件一般爲無源濾波和晶體，用以產生系統所需的時鐘信號。外部元件的數量必須公佈在銷售商文檔上。這樣，無論從成本還是產品佔位引腳來說，外部元件數量越少越好。

作者簡介：Chris Baumann是Atmel BiCMOS產品業務部門主管。他於1989年加盟Atmel，此前效力於TI和Honeywell。Baumann先生擁有聖母大學電子工程的學士和碩士學位。