網狀網絡是家庭的理想設計解決方案，但在設計和實施中需要考慮一些因素。創建網狀網絡可以輕松添加新設備，因為新設備連接到最近的鄰居并輕松擴展網絡的整體覆蓋范圍。然而，這需要一個更復雜的身份驗證過程，該過程必須在整個網絡中而不是在中央集線器中實施。在添加新設備擴展范圍的同時，它也減少了每個節點可用的帶寬。這是因為數據必須與來自相鄰節點的數據一起從一個節點跳到下一個節點。如果許多節點同時處于活動狀態，帶寬可能會急劇下降。這對于高帶寬應用可能是個問題，例如用于無線安全的流式視頻或智能家居中的監控攝像頭，

　　IEEE802.15.4 協議可能是家庭中最完善的網狀網絡開放標準，ZigBee 實現在未經許可的 2.4 GHz 頻段用于全球數百萬個節點。在最新版本中，它已更新為包括每個節點的 IPv6 尋址，并通過從環境中收集能量來支持超低功耗運行。

　　ZigBee PRO 網絡由多種不同類型的設備組成。ZigBee 協調器控制網狀網絡的形成和安全，而路由器擴展網狀網絡的范圍并連接到智能家居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單個設備中，例如與控制燈具并將消息路由到網絡其余部分的設備。然而，這也允許端節點盡可能簡單和低成本。

　　圖 1：智能家居中的典型 ZigBee 網狀網絡包括許多不同的功能，可以集成到單個設備中。

　　圖 1 所示的示例 ZigBee 拓撲包括一個協調器、五個路由設備、兩個創建控制網絡的終端設備和一個可選的組合協調器/網關，提供對 Internet 的訪問。例如，在智能家居中，協調器可以是家庭影院控制系統，為房屋周圍的照明和安全提供額外的智能支持。

　　Atmel的ATmega2564RFR2是一款低功耗 8 位微控制器，結合了高數據速率 2.4 GHz 收發器，可用于在智能家居中構建具有成本效益的 ZigBee 端點。該控制器使用 AVR 哈佛架構，允許在單個時鐘周期內執行指令，并實現接近 1 MIPS/MHz 的吞吐量。這允許系統設計人員平衡功耗（例如基于電池的節點）與性能。

　　無線電收發器提供從 250 kbit/s 到 2 Mbit/s 的數據速率，連同幀處理，可用于網格中以提供 250 kbit/s 的最小網絡數據速率。該收發器提供晶體穩定的小數 N 合成器，并支持完全直接序列擴頻信號 （DSSS） 處理，具有完全兼容 IEEE802.15.4-2011/2006/2003 協議和 ZigBee 標準的擴頻和解擴頻坐在上面。-100 dBm 的接收器靈敏度和從 -17 dBm 到 +3.5 dBm 的可編程發射輸出功率允許設計人員在整個智能家居中選擇長達 100 m 或更低功率運行的遠程鏈路。

　　圖 2：ATmega2564 中的無線收發器直接連接到 AVR 控制器內核以簡化節點設計。

　　單芯片系統包括簡化節點設計的所有元素，從內部電壓調節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，直接連接到算術邏輯單元 （ALU）。這允許通過在一個時鐘周期內執行的單個指令訪問兩個獨立的寄存器。這提供了非常有效的代碼來保持低 RAM 內存，同時仍然實現比傳統 CISC 微控制器快十倍的吞吐量。

　　ZigBee 節點設計的一個關鍵要素是與傳感器或控制器等外圍設備的連接。這是通過圖 3 所示的兩線串行接口 （TWI） 處理的，它允許系統設計人員使用兩條簡單的雙向總線線路互連多達 128 個不同的設備，一條用于時鐘 （SCL），一條用于數據 （SDA） ）。實現總線所需的唯一外部硬件是每個 TWI 總線線路的單個上拉電阻。所有連接到總線的設備都有單獨的地址，這簡化了數據傳輸，并且任何總線爭用的解決都直接在 TWI 協議中處理。

　　圖 3：兩線接口 （TWI） 簡化了 ZigBee 網狀節點中外設的連接。

　　TWI 上的地址包長 9 位，有 7 個地址位、一個 READ/WRITE 控制位和一個確認位。如果設置了 READ/WRITE 位，則將執行讀操作，否則應執行寫操作，這樣可以避免任何總線爭用。

　　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/計數器、TWI 端口和中斷子系統繼續工作，以便外部傳感器仍然可以將數據傳送到設備。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，而器件的其余部分則處于休眠狀態，這允許快速啟動。

　　ZigBee 網絡支持多達 64，000 個單獨的設備，這對于智能家居來說可能是多余的。藍牙現在正在研究如何通過軟件升級使用現有的藍牙接收器來提供類似于 ZigBee 的網狀網絡功能。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點。

　　Texas Instruments 的 CC2564 獨立藍牙收發器既針對傳統藍牙鏈路，也針對最新的藍牙低功耗 （BLE） 4.1 協議。為簡化節點設計，免版稅軟件藍牙堆棧已與連接到收發器的 TI 的 MSP430、ARM Cortex-M3 和 Cortex-M4 微控制器集成。該架構允許第三方開發人員在 BLE 堆棧之上添加自己的網格功能，以實現智能家居連接。

　　圖 4：德州儀器 （TI） 的 CC2564 連接到可用于實現網狀網絡協議的外部微控制器。

　　為了進一步簡化智能家居中藍牙節點的設計，Silicon Labs 的BGM111藍牙智能模塊將收發器和控制器集成在一個模塊中，該模塊還可以托管最終用戶應用程序。這意味著不需要外部微控制器，從而使無線節點更小、更便宜。它還被設計為具有靈活的硬件接口，可以輕松鏈接到不同的外圍設備或傳感器。

　　該模塊可以使用標準的 3 V 紐扣電池供電，還可以提供高達 +8 dBm 的發射功率，以允許節點設計人員在范圍和功耗之間進行權衡。通常，一個模塊具有一組嚴格定義的 I/O 引腳，這可能會限制設計與外部傳感器接口的選項。使用 BGM111 模塊，可以將 25 個引腳組織成端口，每個端口最多有 16 個引腳，這些引腳可以單獨配置為輸出或輸入引腳，也可用于開漏、開源或毛刺過濾配置。

　　圖 5：BGM111 模塊中的外圍反射系統是一個內部交叉開關，允許在藍牙網絡節點中實現高度靈活的 I/O 結構。

　　這來自一個稱為外圍反射系統的內部信號交叉開關，如圖 5 所示。該交叉開關允許將各種外圍功能自由分配給任何 GPIO 焊盤，從而簡化應用板布局。這意味著同一個模塊可以輕松地用于網狀網絡中的各種節點，并重新配置 GPIO 線路以支持不同應用中的不同電路板布局。

　　結論

　　作為一種以合理成本通過家庭提供智能網絡的方式，網狀網絡正變得越來越流行。在 ZigBee 設備不斷創新并在現有網絡控制器和經過良好測試的網狀軟件基礎上構建的同時，藍牙現在也通過專用收發器和模塊進入該領域。這為設計人員提供了更多機會來修改和優化網狀應用的藍牙堆棧，或利用靈活的集成模塊。所有這些都有助于將更多智能無線功能帶入家庭。