藍(lán)牙動(dòng)態(tài)多協(xié)議技術(shù)

ZigBee藍(lán)牙動(dòng)態(tài)多協(xié)議技術(shù)

一、動(dòng)態(tài)多協(xié)議技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee/藍(lán)牙動(dòng)態(tài)多協(xié)議技術(shù)是由Silicon Labs公司提出的能在單一系統(tǒng)芯片上并發(fā)運(yùn)行低功耗藍(lán)牙和ZigBee兩種不同協(xié)議的技術(shù)。這種技術(shù)結(jié)合了兩種協(xié)議的主要優(yōu)勢(shì)，可完成兩種協(xié)議棧的主要功能，并沒有增加硬件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和成本。相比于具有相同功能的雙芯片結(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)多協(xié)議通過共用射頻模塊將芯片面積和成本降低了接近四成。在支持動(dòng)態(tài)多協(xié)議技術(shù)的芯片中，運(yùn)行其中的軟件系統(tǒng)內(nèi)核基于優(yōu)先級(jí)分時(shí)運(yùn)行ZigBee任務(wù)和藍(lán)牙任務(wù)，并在切換任務(wù)時(shí)快速修改無線射頻模塊配置參數(shù)，以便可靠地支持不同協(xié)議棧。系統(tǒng)在運(yùn)行每個(gè)任務(wù)時(shí)還要偵聽所有系統(tǒng)相關(guān)任務(wù)和任務(wù)間的通信。因此，有效的動(dòng)態(tài)多協(xié)議系統(tǒng)除了需要具有公共代碼基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、足夠的內(nèi)存和通用無線接口外，還需要能支持任務(wù)切換、資源共享以及用于管理時(shí)間分片的無線電調(diào)度程序。

二、動(dòng)態(tài)多協(xié)議技術(shù)原理

2.1動(dòng)態(tài)多協(xié)議系統(tǒng)框架

（1）硬件架構(gòu)：動(dòng)態(tài)多協(xié)議系統(tǒng)硬件框架如圖3-10所示，由RAIL(Radio Abstraction Interface Layer，無線抽象接口層)提供直觀、易于配置的無線電接口和應(yīng)用程序接口(API)以支持多種無線協(xié)議。

RAIL包含一個(gè)公有的無線配置接口和無線電調(diào)度器，支持動(dòng)態(tài)多協(xié)議操作。無線電調(diào)度程序視重要程度和時(shí)間敏感度為每個(gè)協(xié)議中的不同無線電操作分配默認(rèn)優(yōu)先級(jí)，以便在無線電使用發(fā)生沖突時(shí)進(jìn)行決策。在動(dòng)態(tài)多協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)可利用兩種協(xié)議特性的不同。在藍(lán)牙低功耗的任務(wù)中無線電使用計(jì)劃非常嚴(yán)格且可以預(yù)測(cè)，廣播和連接都在預(yù)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。相比之下，ZigBee任務(wù)在處理消息事件的時(shí)間方面更加靈活，ZigBee中的CSMA-CA具有隨機(jī)躲避機(jī)制，可將ZigBee事件延遲數(shù)毫秒。藍(lán)牙信標(biāo)的數(shù)據(jù)包非常短，不超過30個(gè)字節(jié)，發(fā)送時(shí)僅占用大約1ms時(shí)間的無線電。信標(biāo)之間的時(shí)間間隔通常不短于100ms，所以藍(lán)牙在無線電使用中僅有約1％的占空比，這意味著可以在其他99％的時(shí)間將無線電用于主要的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。因此可以保證在正常使用藍(lán)牙低功耗的同時(shí)，還能使用ZigBee可靠地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

（2）軟件架構(gòu)：如圖3-11所示，在動(dòng)態(tài)多協(xié)議系統(tǒng)中每個(gè)堆棧使用Micrium OS內(nèi)核運(yùn)行單獨(dú)的RTOS任務(wù)以提供任務(wù)切換，任務(wù)等同于其他操作系統(tǒng)中的線程。這些任務(wù)使用消息隊(duì)列和信號(hào)量等進(jìn)程間通信(IPC)機(jī)制來協(xié)調(diào)互相通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

2.2動(dòng)態(tài)多協(xié)議無線電調(diào)度

由于兩種不同協(xié)議不能依靠單個(gè)無線電收發(fā)器同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，為了實(shí)現(xiàn)雙協(xié)議，兩個(gè)協(xié)議只能共享使用無線電收發(fā)器。為了不對(duì)任一協(xié)議的功能造成影響，它們必須能夠在不顯著降低性能或丟失數(shù)據(jù)的情況下間斷地停止使用無線電。在不同情況下，兩種協(xié)議中的不同無線電操作的重要程度或?qū)r(shí)間敏感的程度不同，這就需要使用無線電調(diào)度對(duì)無線電使用進(jìn)行規(guī)劃。

無線電調(diào)度程序是一個(gè)軟件程序，可以智能地響應(yīng)堆棧請(qǐng)求以執(zhí)行無線電操作，能最大限度地提高可靠性并減少延遲。在調(diào)度程序中每個(gè)事件都被分解為無線電操作，對(duì)應(yīng)相應(yīng)的無線電配置和優(yōu)先級(jí)。如果調(diào)度程序接收到在時(shí)間上有沖突的更高優(yōu)先級(jí)操作時(shí)，會(huì)中斷當(dāng)前操作并執(zhí)行更高優(yōu)先級(jí)操作，無法按照計(jì)劃運(yùn)行的較低優(yōu)先級(jí)操作將失敗，之后由堆棧進(jìn)行重試。一旦調(diào)度程序開始執(zhí)行無線電操作，堆棧就可以持續(xù)使用無線電直到操作結(jié)束或者調(diào)度程序接收到更高優(yōu)先級(jí)的無線電操作。BLE無線電操作幾乎總是比ZigBee無線電操作擁有更高的優(yōu)先級(jí)。

每個(gè)堆棧可以請(qǐng)求無線電調(diào)度程序執(zhí)行三種無線電操作：(1)后臺(tái)接收：連續(xù)接收數(shù)據(jù)，除非被其他任務(wù)中斷；(2)定時(shí)接收：在未來某個(gè)時(shí)間點(diǎn)以最短的時(shí)間接收數(shù)據(jù)；(3)定時(shí)發(fā)送：在未來某個(gè)時(shí)間點(diǎn)以最短的時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)。

每種操作都有開始時(shí)間、預(yù)留時(shí)間、處理時(shí)間和優(yōu)先級(jí)。其中，開始時(shí)間指示無線電操作將在何時(shí)進(jìn)行，預(yù)留時(shí)間表示操作使用無線電且可以被堆棧接受的時(shí)間，處理時(shí)間表示完成操作所需的大概時(shí)間。發(fā)送操作通常具有明確的處理時(shí)間，而接收操作的處理時(shí)間通常是未知的，無線電調(diào)度程序通過處理時(shí)間確定是否允許該操作。

三、動(dòng)態(tài)多協(xié)議技術(shù)優(yōu)勢(shì)

動(dòng)態(tài)多協(xié)議技術(shù)通過時(shí)間復(fù)用來切換運(yùn)行不同協(xié)議，共享無線電收發(fā)器的方式簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)并降低了物料成本。通過綜合使用兩種協(xié)議，動(dòng)態(tài)多協(xié)議擁有了ZigBee和藍(lán)牙的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。

與ZigBee技術(shù)相比，動(dòng)態(tài)多協(xié)議技術(shù)有如下優(yōu)勢(shì)：(1)支持直接的基于智能手機(jī)的配置和控制；(2)提供診斷功能，可通過智能手機(jī)檢查設(shè)備的健康狀況；(3)可通過藍(lán)牙對(duì)固件進(jìn)行高速OTA升級(jí)；(4)支持定位功能。

與藍(lán)牙技術(shù)相比，動(dòng)態(tài)多協(xié)議技術(shù)有如下優(yōu)勢(shì)：(1)在ZigBee端組網(wǎng)更加靈活、簡(jiǎn)單；(2)采用路由方式的ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)容量更大，而BLE Mesh采用大數(shù)據(jù)流的泛洪，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載更大且拓展性更差；(3)遵守規(guī)范的ZigBee設(shè)備互通性優(yōu)秀，而藍(lán)牙互通需要手動(dòng)修改藍(lán)牙連接的設(shè)置。

相對(duì)于傳統(tǒng)的雙芯片支持的雙協(xié)議(例如ZigBee/藍(lán)牙網(wǎng)關(guān))，動(dòng)態(tài)多協(xié)議有如下優(yōu)勢(shì)：(1)通過共用射頻模塊將尺寸和物料成本降低了近四成并簡(jiǎn)化了無線子系統(tǒng)設(shè)計(jì)；(2)動(dòng)態(tài)多協(xié)議采用分時(shí)復(fù)用降低了工作在同頻段的藍(lán)牙和ZigBee之間信號(hào)的干擾。綜上可知?jiǎng)討B(tài)多協(xié)議比起單種協(xié)議以及雙芯片支持的雙協(xié)議優(yōu)勢(shì)明顯，不僅綜合利用了藍(lán)牙和ZigBee各自的強(qiáng)大之處，還能節(jié)省成本并增強(qiáng)可拓展性。因此，本文在控制中心處采用動(dòng)態(tài)多協(xié)議技術(shù)，并將ZigBee技術(shù)作為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)間的主要通信方式。

本文討論了 ZigBee/藍(lán)牙動(dòng)態(tài)多協(xié)議技術(shù)， 說明了其工作原理，并分析了動(dòng)態(tài)多協(xié)議技術(shù)相對(duì)于單種協(xié)議和傳統(tǒng)雙芯片雙協(xié)議的優(yōu)勢(shì)。