快速構(gòu)建與多種協(xié)議兼容的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

互連設(shè)備通常使用幾種網(wǎng)狀拓?fù)渲贿M(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，這些拓?fù)渥⒅?a target="_blank">網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)健性、范圍覆蓋和低功耗。設(shè)計(jì)人員往往要在這些相互競爭且不兼容的協(xié)議中做出選擇，然后在選定的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)軟件堆棧。這兩項(xiàng)工作都具有挑戰(zhàn)性，而現(xiàn)在或許都不必去做了。

歸功于集成技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)人員可以選擇現(xiàn)有的低成本、小基底面并支持多種競爭標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)控制器，包括 Thread、Zigbee 和低功耗藍(lán)牙 (BLE)。這可以帶來幾種程度不同的靈活性：

• 允許開發(fā)人員繼續(xù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)周期的后期階段再選擇協(xié)議。
• 允許開發(fā)人員使用單個(gè)設(shè)備和開發(fā)平臺(tái)，并依據(jù)經(jīng)驗(yàn)為應(yīng)用測試和選擇最佳協(xié)議。
• 單個(gè)平臺(tái)可以用于多個(gè)應(yīng)用和地理區(qū)域。
• 允許使用一種協(xié)議部署設(shè)備，然后通過固件升級(jí)改為使用其他協(xié)議。

本文將說明有關(guān)無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的一些基礎(chǔ)知識(shí)，并接著介紹來自Silicon Labs的Mighty Gecko無線片上系統(tǒng) (SoC) 系列和相關(guān)開發(fā)工具。然后將闡述設(shè)計(jì)人員如何通過使用此系列作為平臺(tái)，基于各種競爭網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來快速創(chuàng)建有效的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

什么是無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)？

無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)不同于我們熟悉的星形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)（如 Wi-Fi），或者符合原始藍(lán)牙規(guī)范的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)包可以從一個(gè)連接的設(shè)備“跳躍”到另一個(gè)設(shè)備，直至到達(dá)目的地為止（圖 1）。此外，每個(gè)單獨(dú)的設(shè)備只需處于網(wǎng)絡(luò)中另一個(gè)設(shè)備的通信范圍內(nèi)，即可與同一網(wǎng)絡(luò)中的所有其他設(shè)備通信。例如，即使位于地下室的設(shè)備與閣樓中的設(shè)備都沒有足夠的射頻能量直接到達(dá)彼此，它們之間也能夠?qū)崿F(xiàn)通信。良好的網(wǎng)狀協(xié)議可根據(jù)應(yīng)用的需求來優(yōu)化路由。

圖 1：星形網(wǎng)絡(luò)（上圖）有一個(gè)中心路由器或接入點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)都必須通過它進(jìn)行通信，而網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（下圖）中的所有節(jié)點(diǎn)通過協(xié)作在網(wǎng)絡(luò)中分發(fā)數(shù)據(jù)。（圖片來源：Silicon Labs）

由于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備通過協(xié)作將信息轉(zhuǎn)發(fā)到目的地，因此這種網(wǎng)絡(luò)可以容忍節(jié)點(diǎn)缺失、故障或斷電。如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)都在其他多個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信范圍內(nèi)，則這種跳躍和路由功能可使網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)具有高度穩(wěn)健性和容錯(cuò)性。該概念類似于作為 Internet 基礎(chǔ)的 TCP/IP 協(xié)議套件：數(shù)據(jù)包最終會(huì)找到它們的目的地，即使不總是通過直接路由。

目前有幾種競爭網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，盡管它們使用相似的基本原理，但仍然互不兼容。Zigbee、Thread 和 BLE 就是其中三種。這三種協(xié)議都采用相同的 2.4 千兆赫 (GHz) 頻段，但使用不同的網(wǎng)狀協(xié)議，因此不能互操作。

每種無線網(wǎng)狀協(xié)議都有自身的優(yōu)缺點(diǎn)，需要由開發(fā)人員決定哪一種標(biāo)準(zhǔn)最適合自己。在某些情況下，開發(fā)人員可能更愿意建立自己專有的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，而不是采用其中一種標(biāo)準(zhǔn)。這樣做的原因可能包括安全性、產(chǎn)品差異化或?qū)崿F(xiàn)某些獨(dú)特功能集的需要。

Mighty Gecko 簡介

為了最大限度地提高靈活性，縮短設(shè)計(jì)和開發(fā)時(shí)間，最好選擇一款支持多種標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)控制器。這樣可為開發(fā)人員帶來四個(gè)方面的靈活性。第一，可將選擇網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的決策推遲到設(shè)計(jì)周期的后期階段，因?yàn)閷脮r(shí)可能會(huì)有更好的客戶反饋或市場信息。第二，允許開發(fā)人員在實(shí)驗(yàn)室中測試不同的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)證據(jù)選擇最合適的一種。第三，允許使用不同的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)將單個(gè)平臺(tái)部署到多個(gè)產(chǎn)品。這一點(diǎn)在服務(wù)世界各地不同的地理市場時(shí)可能特別有用。第四，允許現(xiàn)場修改、增強(qiáng)或升級(jí)設(shè)備或平臺(tái)，甚至可能包括通過變更支持的網(wǎng)絡(luò)。

為了向設(shè)計(jì)人員提供這些靈活性，Silicon Labs 開發(fā)了 Mighty Gecko 系列網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)無線 SoC 設(shè)備（圖 2）。該系列（內(nèi)部稱為 EFR32MG）包括幾個(gè)相關(guān)成員，全部基于相同的 40 兆赫 (MHz)Arm?Cortex?-M4 32 位處理器內(nèi)核構(gòu)建。

圖 2：Mighty Gecko SoC 系列基于 Arm Cortex-M4 構(gòu)建，幾乎具有無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)控制器所需的全部功能。（圖片來源：Silicon Labs）

選項(xiàng)包括片載閃存大?。?56、512 或 1024 Kb）、內(nèi)部 SRAM 大?。?2、64、128 或 256 Kb）、封裝類型和溫度范圍。所有 Mighty Gecko SoC 都指定用于 -40°C 至 +85°C 工業(yè)溫度范圍，一些產(chǎn)品則可用于擴(kuò)展/汽車級(jí)溫度范圍（-40°C 至 +125°C）。

作為 SoC，Mighty Gecko 幾乎具有無線網(wǎng)絡(luò)控制器所需的全部功能?？驁D中左上方的無線電部分顯示了兩個(gè)單獨(dú)的射頻部分：一個(gè)是 2.4 GHz 頻段無線電，發(fā)射功率最高為 19 dBm，適用于 Thread、Zigbee 和 BLE 網(wǎng)絡(luò)；另一個(gè)是單獨(dú)的次 GHz 無線電，最高功率為 20 dBm，適用于實(shí)現(xiàn)專有網(wǎng)絡(luò)。

該芯片還具有齊全的片載電源管理功能、1.8 至 3.8 伏的工作電壓范圍、集成的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，以及“無線電喚醒”功能，該功能允許整個(gè)芯片在低功耗待機(jī)模式下進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到收到無線電數(shù)據(jù)包。此外，內(nèi)置的信號(hào)強(qiáng)度檢測、前導(dǎo)碼模式檢測、幀檢測和超時(shí)功能，使該芯片能夠只在收到與其相關(guān)的無線電傳輸時(shí)才會(huì)喚醒，而不必在收到任何無線電流量時(shí)喚醒。

相比于從頭開始設(shè)計(jì)基于 Mighty Gecko 的板，使用現(xiàn)成的評(píng)估和開發(fā)套件開始設(shè)計(jì)則容易得多。SLWSTK6000B網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)入門套件包含建立和測試小型網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)所需的全部硬件和軟件。

該套件包含三個(gè)相同的板組，每個(gè)板組由主板和可選的插接式無線電板組成（圖 3）。單個(gè)板組可能適用于早期評(píng)估或軟件開發(fā)，但是要測試網(wǎng)絡(luò)至少需要兩個(gè)板組，而要測試網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能則需要三個(gè)或更多個(gè)板組。因此，SLWSTK6000B 套件包含三個(gè)板組就不足為奇了。

圖 3：SLWSTK6000B 入門套件包含三個(gè)相同的板組，每個(gè)板組由主板和插接式無線電板組成，用于創(chuàng)建小型網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。（圖片來源：Silicon Labs）

在主板中間位置，看似是大型 IC 的器件實(shí)際上是 LCD 顯示屏（圖 4）。這一 128 × 128 像素的黑白顯示屏耗電量極低，而且在內(nèi)部存儲(chǔ)像素?cái)?shù)據(jù)，因此無需刷新。Mighty Gecko 微控制器芯片位于較小的插接式無線電板上。

圖 4：SLWSTK6000B 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)入門套件中的一對(duì)主板/無線電板。中央的大器件是位圖式 LCD 顯示屏。（圖片來源：Silicon Labs）

每塊主板上的插接式無線電板可以拆卸和更換，而且該套件為每塊主板提供了兩塊不同類型的無線電板，因此總共有六塊無線電板。套件中的這些板全部支持 2.4 GHz 頻段的 Zigbee 和 Thread 協(xié)議，但是也有其他具有不同射頻特性和頻率的板，包括支持用于專有網(wǎng)絡(luò)的次 GHz 頻率的板。

建議最好在安裝和運(yùn)行軟件 IDE 之前組裝硬件并加電，但這不是硬性規(guī)定。只需選擇無線電板，輕輕地將其按壓到主板的匹配針座上。供電的方式有多種，包括電池、交流適配器或 USB，但 USB 電纜是最簡單的方法，而且有更多優(yōu)點(diǎn)。USB 接口位于主板的左側(cè)邊緣，正對(duì)著無線電板。

在為板加電后，USB 連接器近旁的藍(lán)色 LED 將點(diǎn)亮，而中央位置的 LCD 方形顯示屏將亮起。經(jīng)過短暫停頓后，綠色的“心跳”LED 也將點(diǎn)亮。

對(duì)于后續(xù)步驟，最好一直通過 USB 電纜將硬件連接到開發(fā)系統(tǒng)。此外，將小型三位電源開關(guān)（靠近主板左下角）移至最右側(cè)的“AEM”位置，也是個(gè)不錯(cuò)的主意。

軟件安裝

Simplicity Studio 是 Silicon Labs 公司推出的一體式集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)，既可用于 Mighty Gecko，也可用于該公司的很多其他微控制器。要下載該免費(fèi)軟件，請(qǐng)?jiān)L問該公司的Simplicity Studio下載頁面。安裝并運(yùn)行 Simplicity Studio，然后繼續(xù)操作。

啟動(dòng) Simplicity Studio，按照提示執(zhí)行一些適用于該開發(fā)套件硬件和所需軟件的額外配置步驟。此過程比較簡單，但需要作出幾項(xiàng)決定，還可能要執(zhí)行額外的硬件注冊(cè)步驟。

如果主板仍然如上面建議的那樣連接到開發(fā) PC，Simplicity Studio 將在安裝期間檢測該硬件的 USB 接口，并將自動(dòng)下載和配置一些硬件特定的功能。

下一步是為該開發(fā)套件下載硬件特定的軟件。Simplicity Studio 提供兩個(gè)選項(xiàng)：“Install by Device”（按設(shè)備安裝）或“Install by Product Group”（按產(chǎn)品組安裝）（圖 5）。每個(gè)選項(xiàng)最終產(chǎn)生的結(jié)果相同，但選擇前一個(gè)選項(xiàng)更加簡單，所以請(qǐng)單擊“Install by Device”（按設(shè)備安裝）綠色大按鈕。

圖 5：Simplicity Studio 為加載項(xiàng)目特定的軟件支持提供了兩種方法：按設(shè)備安裝或按產(chǎn)品組安裝。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

Simplicity Studio 應(yīng)該會(huì)自動(dòng)檢測開發(fā)板，但如果沒有，也很容易手動(dòng)找到所需的軟件包。只需在搜索框中輸入“SLWSTK6000B”即可，如圖 6 所示。雙擊指示的軟件支持包，然后單擊“Next”（下一步）。

圖 6：在搜索框中輸入 SLWSTK6000B 可快速找到所需軟件。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

接下來，Simplicity Studio 將突出顯示可用于此硬件配置的其他軟件支持。此軟件的某些選項(xiàng)僅限于已向 Silicon Labs 注冊(cè)和/或已注冊(cè)該硬件的用戶使用。因此一些選項(xiàng)可能會(huì)灰顯，暫時(shí)不可用，如圖 7 所示。

圖 7：是否可訪問某軟件取決于硬件購買證明。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

用于 Thread、Zigbee 和其他一些協(xié)議的軟件堆棧取決于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)硬件的購買證明，例如 SLWSTK6000B 開發(fā)套件，因此在繼續(xù)操作前，務(wù)必完成以下注冊(cè)步驟。

首先，在 Mighty Gecko 入門套件的包裝盒外表面上找到 10 位的十六進(jìn)制代碼。（如需關(guān)于查找該 10 位密鑰的幫助，請(qǐng)參閱 Silicon Labs Zigbee 與 Thread 知識(shí)庫中的“Access to Silicon Labs Wireless Mesh Stacks”（《訪問 Silicon Labs 無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)堆?！罚?。）然后單擊“Thread”或“EmberZNet (Zigbee)”選項(xiàng)中的“Register Kit”（注冊(cè)套件）鏈接，如上圖所示。此步驟將完成硬件注冊(cè)，并解鎖網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。單擊“Next”（下一步）繼續(xù)。

最后，Simplicity Studio 將顯示建議安裝的所有軟件選項(xiàng)的長清單，包括一個(gè)或多個(gè) C 編譯器、可選的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、分析工具和很多其他選項(xiàng)（圖 8）。如果需要，可以手動(dòng)啟用或禁用特定選項(xiàng)，但一般情況下最好接受建議安裝的軟件選項(xiàng)。完成后，單擊“Next”（下一步）。

圖 8：Simplicity Studio 的最終軟件清單顯示了建議安裝的所有軟件選項(xiàng)，包括一個(gè)或多個(gè) C 編譯器、可選的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及分析工具。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

在最后一步中，Simplicity Studio 將顯示其主軟件許可協(xié)議，其中涵蓋即將安裝的所有軟件組件。閱讀并接受許可，然后最后一次單擊“Next”（下一步）。

軟件安裝將需要幾分鐘時(shí)間。安裝完成后，關(guān)閉并重新啟動(dòng) Simplicity Studio。現(xiàn)在，一切準(zhǔn)備就緒，可以開始使用 Thread、Zigbee、藍(lán)牙或自定義專有協(xié)議構(gòu)建網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用了。Simplicity Studio 包含一些預(yù)先配置的簡單演示程序，以及可以修改的示例代碼，這些都是為了幫助開發(fā)人員有一個(gè)良好的開端。

總結(jié)

得益于包含兼容硬件和預(yù)測試軟件的預(yù)配置套件，構(gòu)建使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的無線連接設(shè)備變得相當(dāng)簡單。硬件的靈活性能夠支持根據(jù)經(jīng)驗(yàn)快速評(píng)估不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如 Zigbee、Thread 和 BLE，同時(shí)也支持在將來更改協(xié)議。這種更改可以在設(shè)計(jì)和開發(fā)階段進(jìn)行，也可在部署最終產(chǎn)品后進(jìn)行。