ZigBee收發器在現代能源管理和樓宇自動化系統中是一種流行的，在某些情況下是不可或缺的元素（圖1）。但是，并非所有ZigBee系統都是平等的，其性能和電池壽命的差異可能意味著您的產品成功或失敗。功耗/性能優化設計需要仔細選擇主機系統和無線電系統組件，但即使是最好的參考設計也需要工程師的觸摸來針對特定應用對其進行微調。我們很快就會看到，設計問題，如無線電管理，天線分集，出站和入站數據的智能管理，以及對調整系統睡眠模式的仔細關注，都在設計一個強大，長壽命的能源管理設備中發揮作用。

圖1：ZigBee無線技術強大的低功耗特性贏得了環境監測，能源管理，照明控制和樓宇自動化應用的廣泛認可。

性能設計

盡管所有商用ZigBee收發器都符合標準的簡單明確的空中接口，但系統的實際性能（即它與數據速率，范圍和數據的匹配程度）對所謂的理想系統的干擾的抵抗力仍取決于設計者的技能。許多問題涉及無線電子系統，包括接收器靈敏度，發射功率，以及它應對大多數現實環境中的干擾，衰落和多徑條件的能力。這些因素會影響系統的范圍，數據速率以及丟棄的數據包或其他傳輸錯誤消耗的理論容量。丟失或亂碼數據包的任何重新傳輸都會影響通信網絡在延遲，功耗和增加的無線電活動方面的整體性能和效率，從而產生額外的信道干擾。

在群集樹或網狀網絡等擴展網絡中降低ZigBee功耗的最簡單方法之一是使用協議的可選信標模式。在信標模式中，稱為ZigBee路由器的特殊節點使用時隙協議與其他網絡節點通信，其中路由器用順序的“信標消息”向每個節點發信號，確認其存在，并且如果需要，啟動數據交換。在信標模式下操作允許網絡中的其他節點通過在信標之間休眠而僅在沒有其他節點試圖訪問路由器的預定時間喚醒來節省其電池電量。信標間隔可根據應用的最小所需響應時間和所需數據速率進行調整，范圍從低至15.36毫秒到長達786.432秒。 ZigBee信標模式可以顯著降低數據包錯誤率，但可能不適合節點產生不頻繁事件或不需要定期輪詢的應用程序（如無線燈開關或窗口位置傳感器）。此外，在具有長信標間隔的系統中使用的低占空比操作通常需要更精確的外部時鐘或其他穩定的定時源，這可能增加BOM成本。

對于許多應用，使用標準的無時隙，載波偵聽，多址/沖突避免信道訪問機制（CSMA/CA - 也稱為“先聽后說”）來支持所謂的異構網絡。在這種類型的網絡中，ZigBee路由器的接收器持續保持活動狀態，允許遠程節點保持低功耗狀態或完全無動力，直到發生需要網絡注意的事件。無時隙網絡依賴于CSMA（通話前監聽）來最小化當兩個節點同時嘗試發送時發生的不可避免的更高的分組丟失。

無線和無時隙網絡都可以使用收發器的接收器信號強度指示器（RSSI）來優化鏈路性能。當與分組錯誤統計一起使用時，RSSI可以用作確定接收器增益和發射器輸出功率的最佳組合的機制，以提供最佳級別的分組丟失和功耗。德州儀器（TI）進行的測試表明，典型系統可以使用RSSI測量將其發射模式功耗降低10 mA，以將其RF輸出從0 dBm調整為-12 dBm。片上MCU用于許多先進的ZigBee收發器，如TI的2.4 GHz ZigBee/IEEE 802.15.4 CC253系列和飛思卡爾的MC13224V集成2.4 GHz 802.15.4收發器，具有足夠的處理能力和內存，可支持基于RSSI的功率優化算法（圖2）。在使用“啞”收發器的應用中，算法可以在主機系統的處理器上運行。

圖2：德州儀器的CC253x系列ZigBee收發器集成了硬件CSMA/CA MAC，加密/解密和其他邏輯內核，以釋放片上處理器非常規任務，如內務功能和管理發射功率和接收器增益設置，以獲得最佳性能。

多樣性的優勢

天線多樣性可以成為在隨機衰落和其他多徑問題很常見的室內環境中維持收發器性能的另一種非常有效的方法。如果位置適當且定向良好，兩個天線可以確保其中至少一個受到本地信道損傷的影響較小。天線分集通常用于其他無線協議，例如藍牙和Wi-Fi，因為協議的長分組報頭提供相對長的間隔，以確定具有最佳信號的天線。 ZigBee的短4位前導碼為接收器提供了更短的間隔，可以確定每個信號源的信號質量。

ZigBee的短前導碼意味著直到最近，收發器才能提供有限的，基于軟件的天線分集，其中無線電在默認天線上接收數據包，并且當它檢測到一系列丟棄或亂碼的數據包時僅切換到其備用源。 GreenPeak Technologies最近開發出第一批提供真正的每包天線分集的設備。它們的接收器架構使用專用DSP在短前導碼周期內分析兩個天線處的信號質量，并選擇最易理解的輸入。此功能可通過減少數據包重新傳輸和降低傳輸功率設置來顯著降低工作功耗。每個分組的天線分集也增加了9 dB的典型鏈路預算，允許ZigBee的0 dBm信號提供通常由更高功率的Wi-Fi網絡享受的范圍和覆蓋范圍。

睡眠模式問題

了解硬件和軟件如何影響系統從節能睡眠模式進入和退出的方式，以及如何調整它們以滿足特定應用的需求，這一點也很重要。 ZigBee收發器及其相關MCU必須在低功耗貪睡或睡眠模式下花費盡可能多的時間，但也能夠及時響應預期會遇到的任何關鍵事件。在系統響應時間和能量消耗之間取得適當的平衡可以避免浪費部分ZigBee通道在丟失時隙或丟棄數據包重傳時的有限信道容量。

考慮深度睡眠模式的替代方案通常也很有用，它們不會保留任何數據，需要長啟動和預熱序列才能使收發器恢復生機。除非您的系統需要花費數天或數周才能處于完全休眠狀態，否則將系統置于輕度睡眠狀態（喚醒時間較短）可能會比使用深度睡眠模式產生更低的功率分布。例如，Green Peak的GP500收發器等設備的熱啟動周期為1μSor或更短。相比之下，大多數收發器需要2 mS至10 mS的冷啟動。同樣，Energy Micro最近推出的EFR4D“Draco”系列ZigBee收發器基于其EFM32“Tiny Gecko”系列高能效32位ARM Cortex MCU，支持高度精細的睡眠模式，允許各種級別的內存保留和外周活動（圖3a）。 EFM32的外圍反射系統（圖3b）提供額外的節能功能，允許MCU的定時器和I/O設備在CPU保持低功耗睡眠狀態時自動運行。

圖3：Energy Micro的EFM32 MCU具有一組高度精細的睡眠模式（a）和一個允許設備定時器的“外圍反射系統（b）” ，I/O和其他外圍功能在CPU休眠時起作用。