網狀網絡是家庭理想的設計解決方案，但在設計和實施時需要考慮一些因素。創(chuàng)建網狀網絡允許輕松添加新設備，因為新設備連接到最近的鄰居并且可以輕松擴展網絡的整體覆蓋范圍。然而，這需要更復雜的認證過程，該過程必須在整個網絡而不是在中央集線器中實現(xiàn)。雖然添加新設備可擴展范圍，但它也會減少每個節(jié)點可用的帶寬。這是因為數(shù)據(jù)必須與來自相鄰節(jié)點的數(shù)據(jù)一起從一個節(jié)點跳到下一個節(jié)點。如果許多節(jié)點同時處于活動狀態(tài)，則帶寬可能會急劇下降。這對于高帶寬應用來說可能是一個問題，例如用于無線安全的流式視頻或監(jiān)控智能家居中的攝像頭，但對于無線傳感器和執(zhí)行器，它沒有明顯的影響。

IEEE802.15.4協(xié)議可能是家庭中網狀網絡最成熟的開放標準，ZigBee實現(xiàn)在全球數(shù)百萬個節(jié)點中用于未經許可的2.4 GHz頻段。使用最新版本，它已經更新，包括每個節(jié)點的IPv6尋址，并通過從環(huán)境中獲取能量來支持超低功耗操作。

ZigBee PRO網絡使用多種不同類型的設備構建。 ZigBee協(xié)調器控制網狀網絡的形成和安全性，而路由器擴展網狀網的范圍并連接到智能家庭中特定傳感器或控制器的終端設備。這些功能可以很容易地組合在一個設備中，例如控制燈具的設備，也可以將消息路由到網絡的其余部分。但是，這也允許端節(jié)點盡可能簡單且成本低。

圖1：智能家居中典型的ZigBee網狀網絡包含許多可以集成到單個設備中的不同功能。

圖1所示的示例ZigBee拓撲包括一個協(xié)調器，五個路由設備，兩個創(chuàng)建控制網絡的終端設備和一個可選的組合協(xié)調器/gateway提供對Internet的訪問。例如，在智能家居中，協(xié)調器可以是家庭影院控制系統(tǒng)，其具有用于房屋周圍的照明和安全的附加智能支持。

Atmel的ATmega2564RFR2是一款低功耗8位微控制器，結合高數(shù)據(jù)速率2.4 GHz收發(fā)器，可用于在智能家居中構建經濟高效的ZigBee端點。該控制器采用AVR Harvard架構，允許指令在單個時鐘周期內執(zhí)行，并實現(xiàn)接近1 MIPS/MHz的吞吐量。這使系統(tǒng)設計人員能夠平衡功耗（例如基于電池的節(jié)點）與性能的對比。

無線電收發(fā)器提供250 kbit/s至2 Mbit/s的數(shù)據(jù)速率，通過幀處理，可以在網格中使用，以提供250 kbit/s的最小網絡數(shù)據(jù)速率。該收發(fā)器提供晶體穩(wěn)定的小數(shù)N分頻合成器，支持完整的直接序列擴頻信號（DSSS）處理，具有擴展和解擴，完全兼容IEEE802.15.4-2011/2006/2003協(xié)議和ZigBee標準坐在上面。 -100 dBm的接收器靈敏度和-17 dBm至+3.5 dBm的可編程發(fā)射輸出功率使設計人員可以在整個智能家居中進行長達100米或更低功率操作的長距離鏈路。

圖2：ATmega2564中的無線收發(fā)器直接連接到AVR控制器內核，以簡化節(jié)點設計。

單芯片系統(tǒng)包括簡化節(jié)點設計的所有元件，從內部電壓調節(jié)到電源管理以及直接連接到AVR內核。它有32個通用8位寄存器，它們直接連接到算術邏輯單元（ALU）。這允許使用在一個時鐘周期內執(zhí)行的單個指令來訪問兩個獨立的寄存器。這提供了非常有效的代碼來保持RAM內存低，同時仍然實現(xiàn)比傳統(tǒng)CISC微控制器快十倍的吞吐量。

ZigBee節(jié)點設計的一個關鍵要素是與外圍設備（如傳感器或控制器）的連接。這是通過圖3所示的雙線串行接口（TWI）處理的，它允許系統(tǒng)設計人員使用兩條簡單的雙向總線互連多達128個不同的器件，一條用于時鐘（SCL），另一條用于數(shù)據(jù)（SDA） ）。實現(xiàn)總線所需的唯一外部硬件是每個TWI總線的單個上拉電阻。連接到總線的所有設備都有單獨的地址，這簡化了數(shù)據(jù)傳輸，任何總線爭用的解決方案都直接在TWI協(xié)議中處理。

圖3：雙線接口（TWI）簡化了ZigBee網狀節(jié)點中外設的連接。

TWI上的地址包長9位，有7個地址位，1個READ/WRITE控制位和1個應答位。如果READ/WRITE位置1，則執(zhí)行讀操作，否則應執(zhí)行寫操作，這樣可避免任何總線爭用。

另一個關鍵因素是功耗。這是通過一系列不同的電源管理模式在芯片中解決的。空閑模式會停止CPU，同時允許SRAM，定時器/計數(shù)器，TWI端口和中斷子系統(tǒng)繼續(xù)工作，以便外部傳感器仍然可以向設備提供數(shù)據(jù)。掉電模式保存寄存器內容但凍結振蕩器，禁用所有其他芯片功能，直到下一次中斷或硬件復位。在待機模式下，RC振蕩器正在運行，而設備的其余部分處于休眠狀態(tài)，這樣可以實現(xiàn)快速啟動。

ZigBee網絡支持多達64,000個獨立設備，對于智能家居而言太過分了。藍牙現(xiàn)在正在研究如何通過軟件升級使用現(xiàn)有的藍牙接收器來提供類似于ZigBee的網狀功能。這將允許通過連接到一個設備的智能手機訪問家庭周圍的藍牙網絡，然后通過網格連接到所有其他節(jié)點。

德州儀器（TI）的CC2564獨立藍牙收發(fā)器針對傳統(tǒng)藍牙鏈路和最新的藍牙低功耗（BLE）4.1協(xié)議。為了簡化節(jié)點設計，免版稅的軟件藍牙堆棧已經與TI的MSP430，ARM Cortex-M3和Cortex-M4微控制器集成，后者連接到收發(fā)器。這種架構允許第三方開發(fā)人員在智能家居連接的BLE堆棧之上添加自己的網格功能。

圖4：來自德克薩斯州的CC2564儀器連接到外部微控制器，可用于實現(xiàn)網狀網絡協(xié)議。

為了進一步簡化智能家居中藍牙節(jié)點的設計，Silicon Labs的BGM111藍牙智能模塊將收發(fā)器和控制器集中在一個模塊中，該模塊還可以承載最終用戶應用程序。這意味著無需外部微控制器，從而使無線節(jié)點更小，更便宜。它還具有靈活的硬件接口，可輕松連接到不同的外圍設備或傳感器。

該模塊可使用標準的3 V紐扣電池供電，但也可提供高達+8 dBm的發(fā)射功率節(jié)點設計者需要權衡范圍和功耗。通常，模塊具有嚴格定義的I/O引腳組，這可以限制設計與外部傳感器接口的選項。使用BGM111模塊，可將25個引腳組織成每個最多16個引腳的端口，這些引腳可單獨配置為輸出或輸入引腳，也可用于漏極開路，開源或故障濾波配置。

圖5：BGM111模塊中的外圍反射系統(tǒng)是一個內部交叉開關，允許高度靈活的I/O結構。藍牙網絡節(jié)點。

這是一個內部信號交叉開關，稱為外圍反射系統(tǒng)，如圖5所示。該交叉開關允許將各種外設功能自由分配給任何GPIO焊盤，簡化了應用板布局。這意味著同一模塊可以輕松用于網狀網絡中的各種節(jié)點，GPIO線路經過重新配置，可支持不同應用中不同的電路板布局。

結論

網狀網絡作為一種以合理的成本通過家庭提供智能網絡的方式正變得越來越流行。雖然ZigBee設備不斷創(chuàng)新并在現(xiàn)有的網絡控制器和經過良好測試的網狀軟件基礎上進行構建，但藍牙現(xiàn)在也通過專用收發(fā)器和模塊進入該領域。這為設計人員提供了更多機會，可以為網狀應用修改和優(yōu)化藍牙堆棧，或者使用靈活的集成模塊。所有這些都有助于為家庭帶來更多智能無線功能。