基于ZigBee RF4CE技術和超低功耗無線網(wǎng)絡的遙控器2.0應用

下一代遙控器的到來意味著紅外（IR）障礙的終結(jié)。不再需要將紅外連接的遙控器指向電視或其他電子設備。通過使用射頻，最終用戶幾乎可以從家庭的任何地方訪問和管理他們的娛樂系統(tǒng)。此外，新的交互式RF供電遙控器具有一系列新功能，包括創(chuàng)新的“查找我”按鈕。您的遙控器是否丟失，躲在孩子的房間里或沙發(fā)下面？只需按下電視或機頂盒上的“查找我”按鈕，遙控器就會開始嗡嗡作響和閃爍，使其易于查找。

遙控器2.0 也是綠色的。通過使用新的ZigBee RF4CE技術及其超低功耗無線網(wǎng)絡功能，消費電子制造商現(xiàn)在可以設計出永遠不必更換或充電電池的遙控器。目前，遙控器的電池最多可以使用兩年，使用最少。相比之下，與ZigBee RF4CE遙控器相比，單個紐扣電池可以持續(xù)使用10年或更長時間。至少，所需電池數(shù)量減少了五倍。由于電池由重金屬和有毒物質(zhì)組成，這意味著需要開采，精煉和處置的有毒物質(zhì)的數(shù)量減少了五倍。由于需要制造的電池更少，這大大減少了采礦，精煉和制造過程中使用的能源的二氧化碳足跡。

之字形基礎知識

與無線局域網(wǎng)和藍牙類似，之字形在2.4 GHz頻段運行。ZigBee 基于 IEEE 802.15.4 無線標準，是一種為低功耗和低數(shù)據(jù)速率應用開發(fā)的局域網(wǎng) （LAN） 無線電技術。之字形綠色電源、之字形 SE 2.0 和之字形 RF4CE 是三種類型。

ZigBee PRO 和 SE 2.0 面向（與智能能源相關的）工業(yè)、商業(yè)、電信和住宅用途，尤其是那些功率不是關鍵因素的應用。這些應用包括家庭電源管理和監(jiān)控以及所謂的“物聯(lián)網(wǎng)”。在物聯(lián)網(wǎng)中，每個家用電器都有自己的IP地址，可以通過Web進行尋址。（因此，需要具有幾乎無限供應IP地址的IPv6。

頻譜的另一端是ZigBee綠色電源，其目標是數(shù)據(jù)速率有限且功率要求最低的設備。這包括僅由開關本身的運動供電的電燈開關等設備，以及家庭能量收集和能量清除傳感器應用，這些應用可能由陽光、振動、聲音和其他來源供電。

對于家庭娛樂，最令人興奮的之字形口味是之字形RF4CE。RF4CE最初由四家主要的消費電子公司 - 松下，飛利浦，三星和索尼 - 以RF4CE的名義開發(fā)，代表消費電子產(chǎn)品的射頻，RF4CE被ZigBee聯(lián)盟采用，現(xiàn)在被稱為ZigBee RF4CE。

之字形蜜蜂聯(lián)盟開發(fā)了RF4CE，將整個家庭連接在一起。娛樂系統(tǒng)以及家庭的傳感器、監(jiān)視器和控件都通過機頂盒和云相互連接并與外部世界連接。推動采用ZigBee RF4CE的主要參與者是服務提供商，他們認為這種新的網(wǎng)絡技術將使他們能夠擴大機頂盒的家庭滲透率，除了娛樂和互聯(lián)網(wǎng)接入之外，還包括廣泛的新服務和應用。

三個之字形射頻射頻處理器配置文件

三個之字形 RF4CE 配置文件針對不同的家庭和網(wǎng)絡應用。

用于指點設備的ZigBee輸入設備（ZID），取代了基于互聯(lián)網(wǎng)的電視的藍牙和IR

適用于 3D 眼鏡和電視機的之字形 3D 同步 （Z3S）

ZigBee 遙控器 （ZRC），適用于各種家用傳感器、娛樂系統(tǒng)、電視等 ， 全部連接到遙控器和/或機頂盒

ZID是為互聯(lián)網(wǎng)電視以及觸摸板，鼠標，鍵盤，魔杖和類似設備開發(fā)的，用于各種筆記本電腦，計算機，電視機，機頂盒和其他電子設備。與紅外設備不同，ZID配置文件允許消費者從更遠的距離甚至從另一個房間使用他們的設備，因為操作不僅限于視線。與紅外技術相比，ZID節(jié)能設計有助于設備使用電池運行更長時間，并將大大減少設備使用壽命期間使用和處理的電池總數(shù)。

該標準提供對流行的多點觸控和手勢命令的原生支持，使制造商能夠為其客戶提供功能最豐富的產(chǎn)品。它還具有定義特殊功能的能力，并增強了鼠標、鍵盤或類似輸入設備的標準行為之外的性能。

ZigBee 聯(lián)盟將 ZigBee 3D 同步開發(fā)為全球標準，使 3D 視頻觀看更加方便、靈活和愉快。佩戴3D眼鏡并使用RF（而不是IR）的用戶可以在不破壞3D視圖的情況下更多地四處走動。他們不必坐在一個小的甜蜜點來獲得3D效果，而是可以坐在整個沙發(fā)上的任何地方。觀眾會發(fā)現(xiàn)頭部移動（與IR不同）不會破壞3D體驗。

ZigBee 3D Sync還為快門管理提供了標準，并使最終用戶能夠與各種品牌和產(chǎn)品（如游戲機，藍光播放器和3D HDTV）共享一組3D眼鏡。該標準將支持可變顯示幀速率，以確保該標準可以與現(xiàn)有和未來的顯示技術一起使用。此外，該標準將支持多種觀看模式，并在內(nèi)容在2D和3D之間變化時自動調(diào)整3D眼鏡。

交互式遙控器

ZigBee遙控器設計用于連接消費電子產(chǎn)品：電視，家庭影院設備，DVD和視頻播放器，機頂盒，音頻設備和類似產(chǎn)品。ZRC 為先進、更環(huán)保且易于使用的射頻遙控器建立了全球標準。ZRC消除了視線限制，同時還提供了雙向通信，更長的使用范圍和更長的電池壽命。ZigBee遠程控制還可用于連接和監(jiān)控家庭傳感應用，如空調(diào)和暖氣，家庭安全傳感器和家庭健康監(jiān)視器。

與紅外遙控器不同，ZigBee遙控器還支持交互性，這意味著ZRC可以支持在遙控器上使用小型顯示屏，該屏幕可以顯示被控制設備的音量控制以及正在調(diào)諧的電臺。ZRC還可以在DVR上設置和管理電視節(jié)目和電影的錄制。有線電視公司和服務提供商特別感興趣的是ZRC對交互式購物和民意調(diào)查的支持。

然而，也許ZRC最吸引人的功能是它的超低功耗。ZRC遙控器可以設計成可以使用多年，而無需充電或更換電池。在實驗室測試中，單個紐扣電池型電池提供足夠的功率，使ZRC遙控器運行超過10年。圖 2 由 ZigBee 聯(lián)盟提供，顯示了使用各種技術（僅 IR、將 IR 用于電視通信和 ZigBee 遙控器用于機頂盒，以及僅將 ZigBee 用于電視和機頂盒）的遙控器將運行多長時間（以天為單位）。

圖 2：與紅外相比，使用ZigBee遙控器的遙控器的電池將持續(xù)更長時間。

如何使之字形遠程控制 （ZRC） 更加強大

可以對ZRC進行技術改進，以保持與ZigBee建立的標準的合規(guī)性和互操作性，同時進一步提高魯棒性和超低功耗能力。

ZRC芯片對藍牙和Wi-Fi等2.4 GHz網(wǎng)絡（如藍牙和Wi-Fi）干擾的抵抗能力可以通過使用兩個單獨的天線來改善，以避免典型的室內(nèi)波消除，從而獲得比標準實現(xiàn)高300 dB（1，000x）的干擾魯棒性。隨著越來越多的電視和機頂盒將與Wi-Fi互聯(lián)網(wǎng)連接一起發(fā)貨，分集天線的魯棒性將成為有效的ZigBee遠程控制解決方案的重要組成部分。

新的芯片架構(gòu)進一步削減了功率要求

通過使用同步喚醒（通信控制器確定何時喚醒并檢查消息）和以通信控制器為中心的芯片設計，而不是以微控制器（MCU）為中心的設計，可以將ZigBee RF4CE的總功耗降低65%或更多。大多數(shù)收發(fā)器解決方案要求MCU在整個傳輸或整個接收封裝期間保持導通狀態(tài)。使用通信控制器可以釋放MCU，使其僅處理要發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖 3：GreenPeak以通信控制器為中心的架構(gòu)與傳統(tǒng)的以微控制器為中心的方法相比。

大多數(shù)以低功耗處理器為中心的無線電設計需要微控制器來處理收發(fā)器的所有智能，因此微控制器需要始終保持喚醒狀態(tài)，這需要額外的功率。相反，通過使用更節(jié)能的通信控制器方法，收發(fā)器可以獨立于微處理器發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。因此，微處理器僅在需要進一步處理數(shù)據(jù)時被喚醒和使用。

由于通信控制器決定何時喚醒并檢查消息（如前所述，同步喚醒），因此設備大部分時間都可以關閉，從而大大降低了整體能耗。這對于家庭的各種環(huán)境，安全和位置傳感器特別有效。由于通信控制器內(nèi)部有調(diào)度程序和同步器，系統(tǒng)只需要喚醒片刻即可檢查是否有任何消息，然后返回睡眠狀態(tài)。

通過在芯片本身中使用基于硬件的調(diào)度程序和同步器，無線電僅在需要時喚醒以查看是否有任何需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。如果沒有，它將返回睡眠狀態(tài)。如果有要發(fā)送的數(shù)據(jù)，控制器將喚醒微控制器。芯片傳達信息，然后返回休眠狀態(tài)，直到下一次計劃喚醒。例如，您可能會遇到這樣的情況，即10，000次中有9，999次沒有要發(fā)送的消息，并且控制器不需要為微處理器通電。每次發(fā)送數(shù)據(jù)時，芯片還會發(fā)送同步消息，以確保它們在下一個占空比中一起喚醒。

圖4演示了如何通過讓通信控制器決定何時喚醒并檢查消息來大大降低總體能耗。由于調(diào)度程序和同步器位于通信控制器內(nèi)部，因此系統(tǒng)只需短暫喚醒以檢查新消息，然后返回睡眠狀態(tài)。

圖 4：通過讓微處理器休眠直到需要它，與典型的“始終在線”傳統(tǒng)收發(fā)器相比，可以節(jié)省超過65%的能源使用。

峰值電流節(jié)省 – 管理打開和關閉

圖5描述了常用無線傳感器平臺在三種典型無線傳感器節(jié)點狀態(tài)下的電流消耗。在狀態(tài) 1 中，微處理器和收發(fā)器處于休眠模式 （10 μA）。在狀態(tài)二中，微處理器在收發(fā)器處于睡眠狀態(tài)（10 mA）時接通。在狀態(tài) 3 中，收發(fā)器和微處理器均處于喚醒狀態(tài) （27 mA）。

圖 5：三種無線節(jié)點狀態(tài)和典型功耗。

在仔細檢查電子電路的功耗行為時，很明顯，最初看起來像平坦的電流曲線實際上與具有峰谷的山脈更相似。當某些功能模塊變?yōu)榛顒訝顟B(tài)時，它們會消耗峰值電流。當兩個功能模塊同時接通時，峰值幅度加倍。

降低峰值功率的秘訣在于仔細管理關鍵功能的導通和關斷時間，以避免雙峰。

更快、更輕松的遠程控制開發(fā)

使用針對特定應用的預集成之字形 RF4CE 芯片，可以快速輕松地開發(fā)強大且低成本的 ZigBee RF4CE 遙控器。由于該行業(yè)仍處于 IR 和 RF 之間的過渡周期，因此包括用于傳統(tǒng)產(chǎn)品設計的完整 IR 功能以及用于遙控器的嵌入式鍵盤掃描器是有意義的。

用于遙控器的ZigBee RF4CE芯片需要具有最佳的功率優(yōu)化。雖然用于機頂盒或電視機的ZigBee芯片不需要針對功率進行優(yōu)化，但芯片確實需要提供適當?shù)?a target="_blank">接口以便于集成。對于電視機，UART接口是首選，而對于機頂盒，則首選SPI / TWI接口。

將每個應用的完整RF4CE功能整合到單個設備中，使低成本和可靠的RF遙控器成為現(xiàn)實。預集成降低了整個解決方案的成本，并使RF遙控器的選擇更加容易。

審核編輯：郭婷