基于ZigBee RF4CE技術(shù)和超低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的遙控器2.0應(yīng)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(shè)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(jī)頂盒上的“查找我”按鈕，遙控器就會(huì)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(shù)及其超低功耗無線網(wǎng)絡(luò)功能，消費(fèi)電子制造商現(xiàn)在可以設(shè)計(jì)出永遠(yuǎn)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(gè)紐扣電池可以持續(xù)使用10年或更長時(shí)間。至少，所需電池?cái)?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(chǔ)知識(shí)

與無線局域網(wǎng)和藍(lán)牙類似，之字形在2.4 GHz頻段運(yùn)行。ZigBee 基于 IEEE 802.15.4 無線標(biāo)準(zhǔn)，是一種為低功耗和低數(shù)據(jù)速率應(yīng)用開發(fā)的局域網(wǎng) （LAN） 無線電技術(shù)。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(guān)的）工業(yè)、商業(yè)、電信和住宅用途，尤其是那些功率不是關(guān)鍵因素的應(yīng)用。這些應(yīng)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(gè)家用電器都有自己的IP地址，可以通過Web進(jìn)行尋址。（因此，需要具有幾乎無限供應(yīng)IP地址的IPv6。

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

對(duì)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(fèi)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(fèi)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(gè)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(jī)頂盒和云相互連接并與外部世界連接。推動(dòng)采用ZigBee RF4CE的主要參與者是服務(wù)提供商，他們認(rèn)為這種新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將使他們能夠擴(kuò)大機(jī)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(wù)和應(yīng)用。

三個(gè)之字形射頻射頻處理器配置文件

三個(gè)之字形 RF4CE 配置文件針對(duì)不同的家庭和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

用于指點(diǎn)設(shè)備的ZigBee輸入設(shè)備（ZID），取代了基于互聯(lián)網(wǎng)的電視的藍(lán)牙和IR

適用于 3D 眼鏡和電視機(jī)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(jī)頂盒

ZID是為互聯(lián)網(wǎng)電視以及觸摸板，鼠標(biāo)，鍵盤，魔杖和類似設(shè)備開發(fā)的，用于各種筆記本電腦，計(jì)算機(jī)，電視機(jī)，機(jī)頂盒和其他電子設(shè)備。與紅外設(shè)備不同，ZID配置文件允許消費(fèi)者從更遠(yuǎn)的距離甚至從另一個(gè)房間使用他們的設(shè)備，因?yàn)椴僮鞑粌H限于視線。與紅外技術(shù)相比，ZID節(jié)能設(shè)計(jì)有助于設(shè)備使用電池運(yùn)行更長時(shí)間，并將大大減少設(shè)備使用壽命期間使用和處理的電池總數(shù)。

該標(biāo)準(zhǔn)提供對(duì)流行的多點(diǎn)觸控和手勢命令的原生支持，使制造商能夠?yàn)槠淇蛻籼峁┕δ茏钬S富的產(chǎn)品。它還具有定義特殊功能的能力，并增強(qiáng)了鼠標(biāo)、鍵盤或類似輸入設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)行為之外的性能。

ZigBee 聯(lián)盟將 ZigBee 3D 同步開發(fā)為全球標(biāo)準(zhǔn)，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(dòng)。他們不必坐在一個(gè)小的甜蜜點(diǎn)來獲得3D效果，而是可以坐在整個(gè)沙發(fā)上的任何地方。觀眾會(huì)發(fā)現(xiàn)頭部移動(dòng)（與IR不同）不會(huì)破壞3D體驗(yàn)。

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

交互式遙控器

ZigBee遙控器設(shè)計(jì)用于連接消費(fèi)電子產(chǎn)品：電視，家庭影院設(shè)備，DVD和視頻播放器，機(jī)頂盒，音頻設(shè)備和類似產(chǎn)品。ZRC 為先進(jìn)、更環(huán)保且易于使用的射頻遙控器建立了全球標(biāo)準(zhǔn)。ZRC消除了視線限制，同時(shí)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(yuǎn)程控制還可用于連接和監(jiān)控家庭傳感應(yīng)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(shè)備的音量控制以及正在調(diào)諧的電臺(tái)。ZRC還可以在DVR上設(shè)置和管理電視節(jié)目和電影的錄制。有線電視公司和服務(wù)提供商特別感興趣的是ZRC對(duì)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(shè)計(jì)成可以使用多年，而無需充電或更換電池。在實(shí)驗(yàn)室測試中，單個(gè)紐扣電池型電池提供足夠的功率，使ZRC遙控器運(yùn)行超過10年。圖 2 由 ZigBee 聯(lián)盟提供，顯示了使用各種技術(shù)（僅 IR、將 IR 用于電視通信和 ZigBee 遙控器用于機(jī)頂盒，以及僅將 ZigBee 用于電視和機(jī)頂盒）的遙控器將運(yùn)行多長時(shí)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(shí)間。

如何使之字形遠(yuǎn)程控制 （ZRC） 更加強(qiáng)大

可以對(duì)ZRC進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，以保持與ZigBee建立的標(biāo)準(zhǔn)的合規(guī)性和互操作性，同時(shí)進(jìn)一步提高魯棒性和超低功耗能力。

ZRC芯片對(duì)藍(lán)牙和Wi-Fi等2.4 GHz網(wǎng)絡(luò)（如藍(lán)牙和Wi-Fi）干擾的抵抗能力可以通過使用兩個(gè)單獨(dú)的天線來改善，以避免典型的室內(nèi)波消除，從而獲得比標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)高300 dB（1，000x）的干擾魯棒性。隨著越來越多的電視和機(jī)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(yuǎn)程控制解決方案的重要組成部分。

新的芯片架構(gòu)進(jìn)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(shí)喚醒并檢查消息）和以通信控制器為中心的芯片設(shè)計(jì)，而不是以微控制器（MCU）為中心的設(shè)計(jì)，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(gè)傳輸或整個(gè)接收封裝期間保持導(dǎo)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(shè)計(jì)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(dú)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(jìn)一步處理數(shù)據(jù)時(shí)被喚醒和使用。

由于通信控制器決定何時(shí)喚醒并檢查消息（如前所述，同步喚醒），因此設(shè)備大部分時(shí)間都可以關(guān)閉，從而大大降低了整體能耗。這對(duì)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(shí)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(dá)信息，然后返回休眠狀態(tài)，直到下一次計(jì)劃喚醒。例如，您可能會(huì)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(shí)，芯片還會(huì)發(fā)送同步消息，以確保它們?cè)谙乱粋€(gè)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(shí)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(guān)閉

圖5描述了常用無線傳感器平臺(tái)在三種典型無線傳感器節(jié)點(diǎn)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(shí)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(diǎn)狀態(tài)和典型功耗。

在仔細(xì)檢查電子電路的功耗行為時(shí)，很明顯，最初看起來像平坦的電流曲線實(shí)際上與具有峰谷的山脈更相似。當(dāng)某些功能模塊變?yōu)榛顒?dòng)狀態(tài)時(shí)，它們會(huì)消耗峰值電流。當(dāng)兩個(gè)功能模塊同時(shí)接通時(shí)，峰值幅度加倍。

降低峰值功率的秘訣在于仔細(xì)管理關(guān)鍵功能的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，以避免雙峰。

更快、更輕松的遠(yuǎn)程控制開發(fā)

使用針對(duì)特定應(yīng)用的預(yù)集成之字形 RF4CE 芯片，可以快速輕松地開發(fā)強(qiáng)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(shè)計(jì)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(jī)頂盒或電視機(jī)的ZigBee芯片不需要針對(duì)功率進(jìn)行優(yōu)化，但芯片確實(shí)需要提供適當(dāng)?shù)?a target="_blank">接口以便于集成。對(duì)于電視機(jī)，UART接口是首選，而對(duì)于機(jī)頂盒，則首選SPI / TWI接口。

將每個(gè)應(yīng)用的完整RF4CE功能整合到單個(gè)設(shè)備中，使低成本和可靠的RF遙控器成為現(xiàn)實(shí)。預(yù)集成降低了整個(gè)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