無線連接正在實(shí)現(xiàn)更智能的設(shè)備，可以與家中和互聯(lián)網(wǎng)上的其他設(shè)備進(jìn)行通信。選擇正確的無線協(xié)議，你就有了一個(gè)良好的開端。

在廚房或浴室角落閑置的單調(diào)家用電器的日子已經(jīng)結(jié)束。今天的家電是時(shí)尚，功能性的設(shè)計(jì)，是創(chuàng)新的，是大多數(shù)現(xiàn)代家庭的中心。智能家電是近年來獲得重要立足點(diǎn)的家電設(shè)計(jì)技術(shù)趨勢之一。這些設(shè)備采用尖端技術(shù)，包括通過家庭和網(wǎng)絡(luò)與其他設(shè)備進(jìn)行無線通信的能力。

智能設(shè)備制造商看到了巨大的經(jīng)濟(jì)機(jī)會(huì)，不僅可以直接與現(xiàn)場設(shè)備通信，還可以與這些設(shè)備的用戶。遠(yuǎn)程診斷和固件升級(jí)等服務(wù)可以更加無縫地為用戶服務(wù)。通過消除通過無線連接重新布線家庭的成本和障礙，消費(fèi)者也可以獲得經(jīng)濟(jì)效益。

在當(dāng)今的市場中，智能家電的綠色應(yīng)用已經(jīng)開始出現(xiàn)，以能源使用和監(jiān)控為中心。 Google PowerMeter等服務(wù)使消費(fèi)者能夠即時(shí)訪問其能源使用數(shù)據(jù)。反過來，獲得這些信息已經(jīng)為消費(fèi)者提供了動(dòng)力，可以采取措施，例如簽署由其公用事業(yè)公司提供的節(jié)省成本的能源使用計(jì)劃。公用事業(yè)公司正在快速部署連接到家庭區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（HAN）的支持無線功能的智能電表，這使他們能夠?yàn)橹悄茈娖魈峁┴?fù)載控制功能。優(yōu)點(diǎn)是公用事業(yè)公司可以更好地調(diào)節(jié)他們的能源需求，收集有價(jià)值的實(shí)時(shí)使用數(shù)據(jù)，并為他們的客戶提供更合適的服務(wù)層。利用所有這些信息，公用事業(yè)公司可以更準(zhǔn)確地預(yù)測和規(guī)劃未來的基礎(chǔ)設(shè)施擴(kuò)展。

制造商能夠通過將兩個(gè)關(guān)鍵構(gòu)建模塊集成到他們的產(chǎn)品中 - 無線技術(shù)和高級(jí)微控制器，將無線智能設(shè)備快速推向市場。

圖1：智能家居。此外，大型科技公司最近聯(lián)手組建了聯(lián)盟，這些聯(lián)盟定義了這些智能無線設(shè)備如何相互通信的框架。這些發(fā)展的最終效果是在智能家電的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)釋放出設(shè)計(jì)創(chuàng)新。我們正在迅速接近這樣一個(gè)時(shí)代，即生活在一個(gè)價(jià)格合理的智能家居中，這個(gè)家庭擁有許多無線連接的智能設(shè)備，如圖1所示。但是，這些創(chuàng)新并非沒有很多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。本文將討論其中一些挑戰(zhàn)，以及在選擇智能設(shè)備中使用的技術(shù)時(shí)所涉及的權(quán)衡。它首先選擇使用哪種無線協(xié)議無線技術(shù)選擇

在無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方面，智能設(shè)備制造商有許多可行的選擇可供選擇。其中一些選擇包括嵌入式Wi-Fi，ZigBee和專有協(xié)議，如Microchip的MiWi開發(fā)環(huán)境。

Wi-Fi是使用最廣泛的無線協(xié)議。它是有線以太網(wǎng)協(xié)議的無線等價(jià)物，構(gòu)成了當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)的支柱。通常，Wi-Fi在高性能計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，這些計(jì)算機(jī)可以處理數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用程序。與傳統(tǒng)的Wi-Fi相比，嵌入式Wi-Fi可以執(zhí)行單個(gè)或非常有限的功能，例如傳輸靜態(tài)圖像，但數(shù)據(jù)速率相對(duì)較低。

嵌入式Wi-Fi在任何Wi-Fi中都具有明顯的優(yōu)勢啟用的智能設(shè)備能夠通過Web輕松進(jìn)行通信。支持1-5 Mbps的典型數(shù)據(jù)速率，這使其適用于控制和監(jiān)控應(yīng)用。嵌入式Wi-Fi在普遍可用的2.4 GHz頻譜中運(yùn)行。該頻譜是一個(gè)開放的免許可頻段，因此正在被其他無線技術(shù)使用。

制造商可以使用的另一種無線選擇是ZigBee。雖然嵌入式Wi-Fi以大約Mbps的數(shù)據(jù)速率運(yùn)行，但ZigBee的最大數(shù)據(jù)速率為250 kbps，符合IEEE 802.15.4無線電標(biāo)準(zhǔn)。 ZigBee將自己定位為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗和低數(shù)據(jù)速率無線協(xié)議。支持ZigBee的智能設(shè)備可以以極低的功耗運(yùn)行，同時(shí)利用廉價(jià)的微控制器，如采用極低功耗（XLP）技術(shù)的Microchip PIC單片機(jī)。其他ZigBee優(yōu)勢包括其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)安全模型，互操作性以及其在許多應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展的應(yīng)用。與Wi-Fi類似，ZigBee在2.4 GHz頻段內(nèi)運(yùn)行，利用16個(gè)定義的信道，在信道跳頻和頻率捷變方面具有靈活性，以避免噪聲和干擾。正如其與Wi-Fi聯(lián)盟和HomePlug聯(lián)盟的合作伙伴關(guān)系所證明的那樣，ZigBee聯(lián)盟正在繼續(xù)加強(qiáng)其互操作性憑證。 ZigBee與Wi-Fi一起被美國SmartGrid聯(lián)盟選為可行的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

圖2：Microchip的FCC/ETSI認(rèn)證IEEE 802.15.4/ZigBee模塊和XLP PIC單片機(jī)。

智能設(shè)備制造商可以使用的另一種選擇是使用專有的無線協(xié)議，例如Microchip的MiWi開發(fā)環(huán)境。專有協(xié)議提供許多優(yōu)勢，包括易于定制特定目標(biāo)應(yīng)用程序;與開放標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議相比，縮短了開發(fā)時(shí)間;復(fù)雜性較低;并且易于部署。它們還為創(chuàng)新和知識(shí)產(chǎn)權(quán)創(chuàng)造提供了許多機(jī)會(huì)。不需要開放標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議通常要求的專業(yè)認(rèn)證，這可以顯著節(jié)省成本。此外，所有這些都可以使設(shè)備成本更低，從而加快產(chǎn)品上市速度。但是，與其他制造商的產(chǎn)品缺乏互操作性可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備市場細(xì)分較窄，或者需要開發(fā)網(wǎng)關(guān)設(shè)備才能轉(zhuǎn)換為其他無線網(wǎng)絡(luò)。

您可以查看三個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的功能比較本文討論的技術(shù)見表1.

開放標(biāo)準(zhǔn)軟件復(fù)雜性數(shù)據(jù)速率Wi-Fi是高1-5 Mbps ZigBee是中250 kbps專有無低變量表1：智能家電三大無線技術(shù)的功能比較。結(jié)果數(shù)據(jù)安全性

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全性至關(guān)重要，因?yàn)樵O(shè)備之間可能傳輸?shù)男畔⒕哂忻舾行浴?Wi-Fi和ZigBee的安全性基于強(qiáng)大的AES-128算法，并且分別在IEEE 802.11和IEEE 802.15.4規(guī)范中描述的框架內(nèi)操作。用于建立和傳輸安全密鑰的方法以及設(shè)備的認(rèn)證都由每個(gè)規(guī)范定義。選擇專有無線協(xié)議的智能設(shè)備制造商在選擇適當(dāng)?shù)陌踩惴ê头?wù)時(shí)面臨著額外的挑戰(zhàn)。

獨(dú)立于所選擇的加密算法，每個(gè)制造商必須注意兩個(gè)重要的安全相關(guān)因素。首先是加密算法是否受出口管制法律的約束。包含軟件或硬件算法的產(chǎn)品必須限制其密鑰長度或獲取特定的導(dǎo)出授權(quán)。無論它們是基于硬件還是軟件，加密算法都具有相同的限制，并且必須遵守所有出口控制法則。其次，無論加密算法的魯棒性如何，如果密鑰被泄露，數(shù)據(jù)完整性將受到嚴(yán)重?fù)p害。因此，保護(hù)鑰匙本身至關(guān)重要。設(shè)備制造商應(yīng)該設(shè)計(jì)一種適當(dāng)?shù)拿荑€保護(hù)方法。

智能設(shè)備平臺(tái)

無線智能設(shè)備通常建立在一個(gè)包含三個(gè)主要子系統(tǒng)的平臺(tái)上：微控制器作為設(shè)備的大腦;無線協(xié)議棧，定義網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備之間的邏輯連接;以及處理無線傳輸數(shù)據(jù)包的RF收發(fā)器。今天的制造商有各種各樣的微控制器可以圍繞這些微控制器設(shè)計(jì)他們的智能設(shè)備平臺(tái)。主要選擇標(biāo)準(zhǔn)之一是微控制器的成本。其他標(biāo)準(zhǔn)是其程序的大小和內(nèi)存，功耗，外圍設(shè)備的可用性以及處理速度。

智能設(shè)備平臺(tái)的另一個(gè)重要子系統(tǒng)是無線協(xié)議棧。其操作決定了設(shè)備如何通信，單個(gè)家庭局域網(wǎng)（HAN）上可以有多少設(shè)備以及最大數(shù)據(jù)吞吐量。協(xié)議棧通常是應(yīng)用程序固件中最復(fù)雜的軟件模塊。如果堆棧的軟件已經(jīng)可用，則可以大大減少智能設(shè)備的開發(fā)時(shí)間。此外，供應(yīng)商堆棧在其所有微控制器系列中的可移植性至關(guān)重要。這使開發(fā)人員能夠靈活地選擇最適合給定平臺(tái)的8位，16位或32位微控制器，同時(shí)保持相同的協(xié)議棧功能和特性。

RF收發(fā)器完善了主要組件。智能家電平臺(tái)，處理無線傳輸數(shù)據(jù)包的職責(zé)。 RF收發(fā)器與無線協(xié)議的選擇決定了智能設(shè)備可以運(yùn)行的環(huán)境。如果低功率應(yīng)用需要通過諸如墻壁之類的障礙物進(jìn)行無線通信，那么Sub-GHz收發(fā)器可能更合適。相比之下，2.4 GHz等更高頻段可以在需要更高數(shù)據(jù)吞吐量的應(yīng)用中做出更好的選擇。傳統(tǒng)上，RF收發(fā)器設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作。為了幫助緩解這種復(fù)雜性，制造商設(shè)計(jì)了完全集成的FCC/ETSI認(rèn)證RF模塊，例如Microchip的MRF24WB0MA嵌入式Wi-Fi模塊。這些模塊包括RF收發(fā)器，功能天線和支持RF電路。設(shè)備制造商可能只是將這些模塊包含在他們的設(shè)計(jì)中，而不是從底層向上獲取RF專業(yè)知識(shí)來設(shè)計(jì)收發(fā)器。使用模塊可以縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，風(fēng)險(xiǎn)和開發(fā)成本平臺(tái)的所有三個(gè)組件之間存在強(qiáng)烈的相互依賴性。 Microchip等OEM已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這種相互依賴性，并開發(fā)了適用于智能設(shè)備開發(fā)的完整平臺(tái)。例如，Microchip的無線開發(fā)環(huán)境包括支持具有足夠MIPS和存儲(chǔ)器的8位，16位或32位微控制器的任意組合;射頻收發(fā)器均為2.4 GHz和Sub-GHz頻譜;多種無線協(xié)議，包括Wi-Fi，ZigBee，RF4CE和MiWi專有技術(shù)。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

設(shè)計(jì)人員在開發(fā)無線智能設(shè)備時(shí)遇到的一個(gè)常見缺陷是未能及時(shí)驗(yàn)證其設(shè)備。例如，選擇無法向上擴(kuò)展以滿足未來大型網(wǎng)絡(luò)需求的無線技術(shù)是一個(gè)問題。一個(gè)設(shè)計(jì)考慮因素即使這些智能設(shè)備采用最新技術(shù)，其界面應(yīng)該干凈，直觀，并且對(duì)用戶來說簡單，否則這些設(shè)備可能無法在市場上獲得廣泛認(rèn)可。

通常，設(shè)計(jì)師未能考慮其智能設(shè)備所在的物理和RF環(huán)境。因此，在設(shè)計(jì)器件時(shí)必須考慮諸如濕度，壁厚和微波存在等因素。設(shè)備的樣式及其功能應(yīng)該具有凝聚力，這樣前者不會(huì)降低設(shè)備的性能。

還應(yīng)考慮設(shè)備的認(rèn)證，特別是那些采用開放標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的設(shè)備。產(chǎn)品的認(rèn)證是必須在產(chǎn)品銷售之前完成的關(guān)鍵里程碑。

結(jié)論

在本文中，描述了構(gòu)成無線智能設(shè)備平臺(tái)的主要組件。這些組件是微控制器，協(xié)議棧和RF收發(fā)器。每個(gè)子系統(tǒng)的創(chuàng)新使智能設(shè)備制造商能夠?qū)o線通信功能集成到他們的產(chǎn)品中。隨著這些創(chuàng)新帶來了設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，例如選擇適當(dāng)?shù)募用芩惴ú⒋_保隨著設(shè)備需求的增長，這些設(shè)備運(yùn)行的無線網(wǎng)絡(luò)可以向上擴(kuò)展。消費(fèi)者和制造商都將從這些新的無線智能設(shè)備中受益，因?yàn)楣檬聵I(yè)公司等實(shí)體提供基于這些設(shè)備的有用，節(jié)省成本的產(chǎn)品和服務(wù)。 Google PowerMeter和負(fù)載控制服務(wù)就是兩個(gè)這樣的例子，每天都有更多此類服務(wù)可用。