ZigBee RF4CE无线技术实训开发平台
RF4CE是新一代家电遥控解标准和协议,其中RF即射频(Radio Frequency) , 4是指"for"(four同音), CE即消费电子(Consumer Electronics)
RF4CE简介
为了在家用电器市场普及射频操控技术,并避免新技术的引入成为产品设计的障碍, 2008年,消费电子大厂索尼(Sony)、飞利浦(Philips)、松下(Panasonic)、三星(Samsung)与主要低功耗RFIC厂商飞思卡尔(Freescale)、德州仪器(TI),以及OKI共同成立RF4CE(RadioFrequency for Consumer Electronics)联盟(RF4CE Consortium), 2009年3月, RF4CE联盟同意与ZigBee联盟(ZigBee Alliance)合作共同开发基于ZigBee / IEEE 802.15.4,并用于家电遥控的射频新标准。从此,射频遥控终于有望彻底取代传统红外技术。RF4CE不但能提高操作的可靠性;提高信号的传输距离和抗干扰性;使信号传递不受障碍物影响;还能实现双向通信和解决不同电器的互操作问题,遥控器电池寿命也可显著延长。消费者将不再需要用遥控器的发射端准确指向电器的接收端,也不再需要数个遥控器来操作家中不同的电子设备。RF4CE克服了与大屏幕电视等众多电器一起使用时的限制,降低了功耗,推动了双向通信,用于更加丰富的用户界面,并扩大了有效距离。
ZigBee RF4CE无线技术实训开发平台是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议,根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本,主要适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备。
从Zigbee的特点不难看出,它受低成本的无线应用环境的青睐是理所当然了。低功耗带来的低成本,让很多物联网应用成本大大降低,为物联网的推广带来了可能。再利用ZigBee组成的网络中,每个ZigBee网络节点可以作为监控对象,还可以作为传输和中转其他节点数据的中转点,既完成自己的信号覆盖,又与网络中多个子节点进行连接。这让其能够在工业控制、遥测遥控、农业田间管理、医疗护理等应用中发挥更多的优势。
RF4CE的构成
在RF4CE标准中,两个或更多设备利用星型拓扑组成一个RC个域网(PAN) ,多个RC PANs可以形成一个RC网络,在RC网络内, PAN内的设备和不同的PANs之间都可以互相通信。
一个RC PAN网络由两种设备类型构成:
目标节点:即受控设备,例如, TV,DVD等;该类设备在扮演PAN Coordinator的角色,负责创建启动一个PAN网络;因此每个RC PAN中都只有一个目标节点。控制节点:即控制设备,例如, TV遥控器、DVD遥控器等;该类设备作为遥控单元加入目标节点创建的RC PAN网络。为了能够对目标节点进行控制,还需要与目标节点完成配对;一个RC PAN网络中可以有多个控制节点
一个RC网络示例如下图所示,网络中包含三个目标节点: TV, DVD, Set-Top Box(STB)它们分别创建了各自的RC PAN网络;四个控制节点: TV RC, DVD RC, STB RC和Multifunction RC,这些遥控器分别与对应设备配对,而Multi-function RC由于与三个目标节点都完成配对,因此其能够控制TV, DVD,STB三个目标节点。此外, RC网络中还有一个可选的网关提供扩展以太网端控制的功能。
ZigBee RF4CE Network Topology
RF4CE是一种以IEEE 802.15.4的媒体访问控制层(MAC Layer)、物理层(PHY Layer)和对应的射频收发器为基础所推出的网络层(Networking Layer)和应用协议层(Application Layer)标准规范(如下图)。这是一个与ZigBee非常类似的标准,两种技术皆利用IEEE 802.15.4作为其无线电平台,因此未来有意遵循RF4CE规范的设备制造商,可直接采用目前市场上的ZigBee芯片方案进行产品开发,只须把韧体由ZigBee协议更换成RF4CE协议即可。
RF4CE Function Block
利用RF遥控器获得更长的电池使用寿命
在一个遥控器系统中,遥控器通常为电池驱动和受控设备电源供电。这就使得两种设备具有不同的功耗要求。
遥控器
遥控器一般由电池供电,这些电池可轻松提供一个IEEE 802.15.4射频所需的适当峰值电流(大约为30mA) ,更为重要的是平均功耗。2xAA电池至少1年的电池使用寿命应为电视遥控器的一般要求。但是,低功耗实施的RF遥控器可以很轻松地达到数年的电池使用寿命。IEEE 802.15.4射频标准具有三种主要的功耗形式:接收模式功耗、发送模式功耗和睡眠模式功耗。
这些功耗模式对平均功耗的影响取决于其量级和各模式占用时间的乘积。实际上,设备发送数据包所花费的时间与TX模式下消耗的电流同样重要。遥控器被看作是低占空比设备,这就是说它们大部分时候都处于睡眠模式,只是偶尔被唤醒使用射频,例如:发送一条命令。
然而, RF4CE等双向RF遥控器协议实现了一些高级功能,例如:在遥控器上显示设备状态的功能和分页(paging)功能(如:用户按下电视上的一个按钮后遥控器便会发出嘟嘟的响声,从而更容易进行定位) 。这些功能要求遥控器在固定间隔时间内自动唤醒,以收集受控设备数据。
图1所示的计算举例显示,分页调度等功能为遥控器功耗的主要功耗。这种简化计算基于CC2430 IEEE 802.15.4 SoC数值,其拥有一颗CPU和一块闪存,可以用于实施单芯片遥控器。该示例假设为一个简单的每天按动按钮50次的通用RF遥控器。它还实施了分页调度功能,而这种功能要求遥控器每隔五秒钟醒来一次,以检查其是否正被受控设备轮询。当没有被命令或轮询激活时,该设备便进入PM2睡眠模式,并等待按钮按下或者睡眠计时器轮询超时来唤醒。
图1遥控器功耗计算示例
当未实施分页调度功能时,能量被睡眠期间的电流消耗。这种情况下,射频设备拥有低于1μA的平均功耗。实际上,两节碱性AA电池的自放电大约就为1μA,对比的另一个方面是传统IR遥控器的功耗。当一个按钮被按下时,调制IR LED需要大约50mA的电流,按下按钮持续多长时间这一电流消耗的时间就有多长,并且这一时间很可能会持续数百毫秒。IR在按钮按下期间所消耗的功耗大约为1000mAmS,而一个RF遥控器的功耗甚至还不到其1/10
受控设备
当一个受控A/V设备开启时, RF设备所用功耗一般并不大。这就是说它可以一直保持开启状态,从而*小化接收命令的时延。但是,当受控设备处于待机模式下时, RF设备的功耗就会变大。
要获得"能源之星”认证,电视在待机模式下的功耗就必须要(平均)低于1W。将来的一些标准和规定会有更为严格的要求,这样一来RF收发器的功耗预算就被缩减至数mA水平。降低RF收发器的功耗意味着其不能处于一种连续接收状态下。因此,遥控器发出的开启命令的时延将会比受控设备开启时发送的命令要长。
实际上,在图2举例的功耗和时延之间存在一种近线性折中方案,其显示了每50 ms轮询待机模式下一个A/V设备的计算示例。正确看待这种时延,典型IR实施的*小时延为110ms
图2受控设备待机功耗计算示例
共存性
图3描述了典型的家庭配置,其由众多其他2.4GHz RF设备包围的A/V设备组成。这些设备通常包括WiFi、无绳电话、微波炉、蓝牙设备、ZigBee网络等。许多设备工作在相同频带中时,互相之间可能会存在干扰。RF干扰会导致数据包丢失、功耗增加和通信时延。有几种方法可以减轻RF遥控器网络中的这些影响
图3典型的家庭无线环境
站在软件遥控协议的立场上来说,减轻干扰影响的*有效方法是频率捷变。它是一种算法,通过改变通道来响应破损的RF链接,直至找到一条干扰极少的通道为止。IEEE 802.15.4标准,在2.4GHz频带中定义了16条通道,将它们编号为11-26,通常来说,切换到一条干扰极少的通道是有可能的;但是,干扰可能会总是存在于邻近的一些通道中。IEEE 802.11射频(WiFi)使用了比IEEE 802.15.4更宽的通道便是一个例子。当数个WiFi网络同时存在的时候,图4表明,如果您的遥控器已经移至WiFi通道干扰极少的通道20,那么有源WiFi网络使用通道6时邻近通道就会存在干扰。
图41EEE 802.11和IEEE 802.15.4通道方案[1]
RF接收机受到工作在相同通道的一些设备以及邻近频率发射的信号干扰。选择性是了解该接收机对无数据包误差邻近通道发射的强干扰容忍程度的一种测量方法。选择性或干扰电阻是指IEEE 802.15.4中邻近和间隔通道抑制,用dB表示。接收机良好的选择性是接收机的一个硬件参数,标注在器件的产品说明书中。通过高性能模拟和数字滤波器的组合,可以在一些器件(如CC2520)中获得较高的选择性。
图5显示的是两个邻近通道的干扰,其强度足以导致接收机出现数据包误差。
图5选择性被表示为领近和间隔通道抑制
IEEE 802.15.4将接收机选择性的*低要求设定为邻近通道抑制OdB以及间隔通道抑制30dB,为了在强干扰环境中建立一个稳健的系统,就不能仅仅满足于这些*低要求。TI的CC2520 IEEE 802.15.4收发器拥有49 Db的邻近通道抑制和54dB的间隔通道抑制,也就是说,即使安放在非常靠近于干扰源的地方,它也不会丢失数据包和出现时延。
有效距离
IR遥控器要求接收机在视线以内才能起作用,这就使其很难在邻近房间或同一房间内的各个地方完成操作。RF遥控器并不存在上述要求,即要求接收机在视线以内。设想一下,您现在想如何使用RF遥控器呢!例如,您也许想将您的DVD播放器遮避在厚实的柜门后面,把机顶盒放在房子的中心向几台电视机同时提供视频流,或许您还想在厨房接听电话的时候将客厅里播放的音乐关闭等等。
许多因素均会影响RF设计的有效距离,例如: PCB设计、天线和外壳等。RF收发器的可能有效距离由灵敏度和输出功率决定。灵敏度由一定数据包误差率(PER)下接收机能够接收到弱信号的强度测量得出(单位为dBm) 。输出功率由发射器能够发射的信号强度测量得出(单位为dBm)
信号强度测量
就系统中理想工作的遥控器来说,其必须知道要与之通信的设备所处的位置。搜索设备位置的过程被称为绑定。这一过程使单个遥控器可以被用于控制系统中一个或多个设备。例如,一支万能遥控器可以控制您的TV, DVD和机顶盒,即使这些设备并非同时从同一家厂商那里购买的。使用IR遥控器时,可以通过手动输入代码来完成这一过程,这通常是一个令人畏缩的过程,而且如果设备不支持或者代码输入错误则会以失败告终。就RF遥控器而言,有诸多方法可以完成设备配对,其中,*常用的便是就近设备配对。
当遥控器物理接近其要控制的设备时,用户按下某个按钮后就近配对便会起作用。遥控器发送一个广播数据包,附近的所有设备便产生回应,以此来建立绑定。该遥控器利用回应广播的发射设备的RF信号强度,来探测其物理接近的设备。基于RF信号远距离传输后的衰减程度,由接收机上的信号强度计算出发射器和接收机之间的距离。在RF接收机中,这种信号强度表示为RSSI (接收信号强度指示) 。要获得直观、用户易于掌握的就近配对,接收机的RSSI测量就必须精确。
图6 CC2520典型的RSS/值与输入功率
如图6所示, CC2520拥有良好的就近配对性能所必需的一些功能。RSSI和功率均为线性,且具有较好的动态范围(大约100dBm) ,这就使其成为确定发送器距离的理想选择。
结论
RF4CE联盟等RF消费类电子遥控器全球标准将改变我们对家庭娱乐体验的前景。转到RF遥控器技术的时代已经到来。遥控器和A/V设备之间可靠的双向RF链路不但极大地改善了用户体验,而且还拥有了一些以前无法实现的特性和功能。RF为基于遥控器的系统带来许多重要的好处,但是在为您的RF4CE遥控实施选择硬件时仍然要注意RF性能参数。正如我们讨论的那样,选择低平均功耗器件来获得长电池使用寿命,利用良好的选择性来建立稳健的链路,以及运用精确的RSSI测量方法来达到直观的就近配对,这些都是构建一款优秀遥控器产品的关键。
