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使物联网网关开发人员能够快速将新应用程序推向市场,从而缩短上市时间、开发成本和设计风险。
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通过将标准计算组件集成到单个单元中来简化产品开发。
专为长期使用而设计,为嵌入式和 IPC 系统提供可靠性,适用于各种应用。
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Zigbee智能网关定制开发指南(一):主控,操作系统,天线设计选择思路

发表时间:2024-05-20 13:15

智能家居中的网关按支持的协议来划分可以分成蓝牙网关、Zigbee网关、RS232/485网关、KNX/Modbus、RF射频网关(433)和支持多种协议的多协议网关。


其中Zigbee 网关是一种基于 Zigbee无线通信技术的设备,主要用于连接和管理多个 Zigbee设备。Zigbee技术是基于IEEE802.15.4标准协议的一种近距离无线通信技术,具有功耗低、成本低、容量大、安全性高、抗干扰性能强等特点,被广泛应用在工业监控、传感器网络、家庭控制、安全系统等领域


本文讨论了Zigbee网关的主控、操作系统、天线选择思路,并通过东胜物联DSGW-030,DSGW-210等Zigbee网关方案,来详细的进行说明,希望能对伙伴们在对Zigbee网关的选型上有所帮助!后面的续篇也会对网关的硬件设计,网关性能测试、网关二次开发上的难点进行一一讲解,希望读者能从文章中收获到 Zigbee 网关开发的相关知识,并作为 Zigbee 网关开发的一个参考。


Zigbee网关

Zigbee网关是Zigbee网络的核心设备, 在智能家居系统中充当中枢控制器的角色,负责将各种设备连接到互联网上,实现数据的传输和控制。Zigbee 网关具备多种功能,包括但不限于有线、无线的数据传输,支持 通过 TCP 、UDP 、MQTT 等协议上云,在云端可实现丰富的网络管理功能。此外,它还能实 现 Zigbee 网络与其他网络之间的协议转换和数据传输


简单来说,ZigBee 网关是家居智能化的心脏,通过它实现系统信息的采集、信息输入、信息输出、集中控制、远程控制、联动控制等功能,实现智能家居系统的高效运作和数据管理。随着智能硬件的普及,网关已经可以逐渐变成一个功能模块嵌入到其它智能硬件中,比如智能音箱、智能电视、智能中控屏、智能家电(净饮机、冰箱等)。当然独立的网关依然存在,依然是构成智能家居系统中不可或缺的一个设备。

选择合适的主控平台

在进行主控平台选择时,我们具有较多的品牌及型号选择,如 RK3328,NXPIMAX6U11 MT7620 ,我们可以根据自己传输数据流的大小及价格,针对 RAM,ROM,主频及各参数来进行选择。


大 RAM 的优点

在进行网关选择时,我们可以尽量选用较大的 RAM 内存。较大的 RAM 有以下优点


  • 快速数据访问:RAM 是计算机中最快速的存储器之一,设计目标就是提供高速的读写访问能力, 以满足计算机对数据的快速处理需求 。大容量 RAM 意味着更多的数据可以存储在高速的 RAM 中,从而加快数据的读写速度。

  • 临时存储:RAM 在计算机中扮演着临时存储器的角色。当计算机运行应用程序时, 它会将需要处理的数据和指令加载到 RAM 中,以便 CPU(中央处理器)能够快速访问和操作 这些数据。因此,更大的 RAM 容量意味着计算机可以处理更大的临时数据集合,这在进行复杂计算或运行大型应用程序时尤为重要。

  • 多任务处理:大容量 RAM 对于多任务处理至关重要。在操作系统中,当用户同时运 行多个应用程序时,RAM 允许计算机在不同应用程序之间进行快速切换,确保每个应用程序都能获得足够的内存空间和计算资源,从而实现流畅的用户体验。

  • 数据缓存:大容量 RAM 还可以用于频繁访问的数据的缓存,从而提高系统响应速度。

  • 图像处理:在图形处理中,大容量 RAM 用于存储图像帧缓存、图像滤波系数等,以加快图像处理速度。


选择网关RAM的大小是一个需要根据实际需求和预算进行权衡的过程。在选择时,可以综合考虑网络数据量、处理任务的复杂度、缓存需求、未来扩展计划、预算以及技术兼容性等因素。同时,也可以参考网关制造商的建议或规格说明,以确保选择到合适的RAM大小


大 ROM 的优点

大 ROM(只读存储器)的优点主要包括以下几个方面:

  • 稳定性高:ROM 中的数据是以螺旋状的方式从内到外散开来的,因此即使读取十万次,数据也不会发生变化,具有极高的稳定性。

  • 非易失性:ROM 是一种只能读取而不能写入信息的存储设备,数据一旦被写入就无法更改或删除,因此具有很高的可靠性。

  • 集成度高:ROM 的结构简单,集成度高,使得生产成本降低。

  • 速度快:ROM 的读取速度非常快,使得计算机可以高效地访问存储的数据。

  • 功耗小:ROM 的功耗相对较低,有利于节能和延长设备的使用寿命。


在选择网关ROM(只读存储器)的大小时,需要综合考虑多个因素。首先,需要了解网关将执行的功能和所需的操作系统、固件及应用程序的存储空间。这包括操作系统本身的大小、必要的驱动程序以及任何预装的应用程序。


其次,考虑网关的预期使用寿命和可能的固件或软件更新。随着技术的不断发展,可能会有新的固件或软件更新来增强网关的功能或修复潜在的安全问题。因此,需要为未来的更新预留足够的空间。


另外,如果您计划自定义网关的功能或开发特定的应用程序,这也需要额外的存储空间。

最后,还需要考虑预算和硬件的兼容性。一般来说,ROM容量越大,成本可能会越高。因此,在预算范围内选择最合适的ROM大小是很重要的。同时,需要确保所选的ROM大小与网关的硬件平台兼容。


综上所述,选择网关ROM的大小需要综合考虑功能需求、预期更新、自定义开发、预算和硬件兼容性等因素。建议在了解这些需求的基础上,参考网关制造商提供的建议或规格说明,选择适当的ROM大小。请注意,具体的ROM大小选择可能因不同的网关型号、应用场景和预算而异

主控更高主频的优点

处理器更高主频的优点:


  • 更强的性能:主频与 CPU 的运算速度直接相关,因此更高主频的 CPU 能够更快地完 成计算任务,提供更流畅的用户体验。这对于需要进行大量计算的专业应用、游戏等领域尤为重要。

  • 提高计算机的响应速度:在操作计算机时,很多操作都需要等待计算机的响应,如打开软件、复制粘贴文件等。更高主频的 CPU 能够更快地响应这些操作,使计算机更加流畅。

  • 更高的处理数据能力:主频可以理解为 CPU 处理数据的能力和速度。主频越高,则意味着 CPU 处理数据的速度越快,效率越高。


选择网关主控的主频需要综合考虑性能需求、功耗与散热、兼容性与扩展性以及预算限制等因素。建议在选择前了解不同主频主控的性能表现和价格差异,并结合您的实际需求进行选择。



DSGW-030 Zigbee智能网关,采用MTK7688 主控平台,具有高性能,低成本,易于开发特点DSGW-030 支持多种无线协议包括Zigbee 3.0,Bluetooth 5.2,Wi-Fi 2.4G。它支持从 Zigbee 3.0,BLE 终端设备获取数据,并通过 Wi-Fi 2.4G 和以太网将其发送到云端

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DSGW-030 Zigbee智能网关



DSGW-210 边缘计算网关,支持Zigbee,BLE, Z-Wave等多协议, 采用RK3328主控平台,提供模块化配置满足各类开发所需,完美适用于住宅和商业场景的智能设备开发

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DSGW-210 Zigbee边缘计算网关



选择合适的操作系统

在选择网关的操作系统时,可以根据自己的需求来进行选型。常见的操作系统类型有 Linux,Andriod ,RTOS ,Debian 等。分类型列出以下系统的优缺点。

Linux 系统

Linux 系统的优点:

  • 开源:源代码公开,用户可以自由查看和修改系统的源代码。

  • 安全性:系统更加安全,提供了多层次的用户权限管理和访问控制。

  • 稳定性:Linux 系统稳定可靠,常用于服务器领域,长时间运行不会出现崩溃。

  • 免费或低成本:大多数 Linux发行版是免费的,可以节省计算机硬件和维护成本。

  • 兼容性:Linux 与 UNIX 系统兼容,可以运行大量 UNIX 上的应用程序。

  • 多用户多任务:支持多用户同时登录,并且可以为每个用户分配不同的任务和权限。

  • 广泛的硬件支持: 由于开源,有大量的硬件支持,包括驱动程序。

  • 可定制性:用户可以根据需要自定义系统,安装必要的软件包。


Linux 系统的缺点:

  • 学习曲线:相对于 Windows 用户可能需要一些时间来熟悉和学习如何使用 Linux命令行。

  • 图形界面:虽然图形界面更易于使用,但有些任务可能需要通过命令行来完成。

  • 技术支持: 由于 Linux 不是主流操作系统,因此在遇到问题时可能难以找到官方支。

  • 界面不友好:相对于 Windows 较为个性化,用户界面可能不如 Windows 直观。

  • 需要技术:一些用户可能认为需要较高的技术知识来安装和维护 Linux 系统。

Andriod 系统

Andriod 系统的优点:

  • 多样性的设备适配性:Android 系统适配了众多品牌、型号的移动设备,包括手机、平板电脑、电视、手表等,提供了丰富的产品选择。

  • 开放的生态系统:Android 系统采用开源模式,允许开发者自由访问、修改和定制操作系统,促进了技术创新和灵活性。

  • 丰富的应用生态系统:Android 系统拥有庞大的应用生态系统,包括 Google Play 应用商店和其他第三方应用市场,提供了海量的应用供用户下载和使用。

  • 强大的开发工具和支持:Android 系统提供了丰富的开发工具和支持,如 Android Studio 开发环境、Java 编程语言等,帮助开发者高效地进行应用开发和测试。

  • 广泛的用户基础:Android 系统在全球范围内拥有广泛的用户基础,为应用开发者提供了巨大的市场机会。

  • 全球市场份额领先:Android 系统在全球范围内的市场份额超过 85%,是开发者投放市场的首选平台。

  • 支持多种开发语言和框架:Android 系统支持多种编程语言和开发框架,如Java、Kotlin等,方便开发者根据自身技术背景选择。

Andriod 系统的缺点:


  • 安全性问题: 由于 Android 系统的开源性质,它可能成为恶意软件和病毒的目标。尽管有安全措施,但安全风险仍然存在。

  • 性能问题:Android 系统的性能可能因设备多样性和高度模块化而受到影响,导致运行效率不高、卡顿或延迟现象。

  • 碎片化问题: 由于各品牌厂商对 Android 系统的定制和修改,导致不同设备上的系统版本和界面存在差异,增加了开发者的适配难度和用户的体验不一致性。

  • 隐私泄露风险:尽管 Android 系统提供了一些隐私设置选项,但用户仍需关注隐私泄露问题,应用程序可能会收集敏感信息。

  • 应用质量参差不齐:尽管有优质的应用程序,但 Android 平台上也存在大量质量低劣的应用程序,可能影响用户体验。

RTOS 系统

RTOS 系统的优点:


  • 实时性:RTOS 具有快速响应外部事件的能力,确保系统能够在确定的时间内对外部事件作出反应,适合需要实时控制的场景。

  • 可靠性:通过优先级调度和资源管理,RTOS 减少了任务冲突和资源争用的可能性,提高了系统的稳定性。

  • 可预测性:RTOS   的任务调度和时间管理使得任务执行时间可预测,便于系统设计和优化。

  • 多任务支持:RTOS 能够同时管理多个任务,提高了系统的并发处理能力。

  • 易于维护和扩展:RTOS 提供了丰富的 API 和组件,使得系统开发和维护更加便捷。

  • 模块化设计:RTOS 鼓励将软件功能创建为独立的、验证过的任务,其独立性使得在其它设计中重用这些模块变得很简单。


RTOS 系统的缺点:


  • 复杂性:相对于裸机编程,RTOS 的引入增加了系统的复杂性,需要更多的学习和理解。

  • 资源占用:RTOS 本身需要占用一定的系统资源,包括内存和处理器时间,对于资源受限的嵌入式系统来说,这是一个需要考虑的因素。

  • 开发成本:使用 RTOS 进行开发可能需要购买商业许可证或支付相关的开发费用,增加了开发成本。

  • 调试难度:由于 RTOS 的并发性和实时性特点,调试 RTOS 系统可能比裸机编程更加困难。

Debian 系统

④   Debian 系统的优点:


  • 稳定性:Debian 的稳定版注重系统的稳定性和安全性,适用于生产环境和服务器等关键应用场景。

  • 安全性:Debian 拥有强大的安全机制,包括自带的防火墙和 SELinux 系统安全模块能有效保护系统安全,减少攻击和漏洞的风险。

  • 更新及时:Debian 拥有强大的软件更新系统,能快速更新软件包和内核,保证系统的安全性和稳定性。

  • 免费开源:Debian 是完全免费的开源软件,用户可以自由分发、使用和修改。

  • 软件包丰富:Debian 官方软件仓库拥有丰富的软件包,可以满足各种应用场景的需求,同时还支持源码编译安装。

  • 易于维护:Debian 采用 APT 包管理系统,方便用户安装、升级和删除软件包,简化了系统维护和管理的工作。

  • 多架构支持:Debian 支持多种处理器架构,包括 x86、AMD64、ARM 等,可以在各种设备上运行。


Debian 系统的缺点:


  • 版本更新缓慢:虽然 Debian 的稳定性得到了广泛认可,但其版本更新速度相对较慢,因为发行版本需要经过严格的测试和审查。

  • 用户不友好:在某些方面,Debian 可能不如其他 Linux 发行版那么用户友好,特别是在初次安装和配置时。

  • 社区驱动响应不及时:Debian 的开发和维护由庞大的志愿者社区负责,虽然这保证了系统的自由和开放性,但也可能导致在某些情况下,支持和响应不够及时。


胜物联智能可编程网关是为企业级物联网开发者量身定制的硬件解决方案,通过提供成熟且完整的硬件平台支持各种操作系统,包括但不限于Linux, Andriod, RTOS, Debian, OpenWrt等,客户能够轻松移植或自主开发应用程序,或基于开源SDK进行底层固件修改与二次开发,极大地简化了企业在物联网产品和解决方案开发过程中的复杂性,助力客户以更高效的速度实现技术创新和产品落地。


智能网关二次开发                        智能网关定制


根据通信距离选择网关的外观及尺寸

我们在进 Zigbee 的网关选型的时候,Zigbee 的通信距离也是我们选型的主要考虑项。如果我们希望 Zigbee 的通信足够远,那我们该如何进行选择呢?


从天线的类型选择合适的 Zigbee 网关


Zigbee 网关常用的天线形式有很多,在天线已经调至最优的情况下,通常对其辐射性能做以下排序:外置玻璃钢天线>外置棒状天线>内置 FPC 天线>板载天线>陶瓷天线。




从天线的尺寸选择合适的 Zigbee 网关

在天线调试到最优状态来说,越大的天线尺寸和净空面积,意味着更好的天线性能。


示例 1. 以以下两颗天线为例。


ANT(左)的长度为 208mm,2440Mhz 效率 60%,增益 3dBi

ANT(右)的长度为 116mm。2440Mhz 效率 45%,增益 1dBi



ANT                 ANT 右)


示例 2. 以 PSA 的陶瓷天线 RFANT3216120A5T 为例,若净空面积小于以下净空需求,则天线效率会低于预期


从传导参数选择合适的 Zigbee 网关

为了提高传输距离,我们在芯片选择和软件设置时,可以通过关注以下板级参数来进行选型 以 EFR32MG21 为例,我们可以选择大功率,高灵敏度的芯片,同时若网关的传输数据量需求较小,我们可在软件中设置,选择较低传输速率的模式来保证通信距离。


(1)    功 率 有 10dBm 及 20dBm 的 版 本 选 择 , 20dBm 的 通 信 距 离 远 远 大 于 10dBm 。


(2)    低速率的模式灵敏度更高




总结

在本文中,我们详细探讨了Zigbee智能网关的多个关键组件,包括主控选择、操作系统的应用及天线设计的多样化。通过比较不同的硬件如EFM32MG21和MTK7688,以及各种操作系统如Android、RTOS、Debian、Linux,我们展示了如何根据项目需求选择最合适的技术和配置。此外,我们还分析了不同天线参数如频率、增益和尺寸如何影响通信效率和范围。


选择正确的硬件平台和软件环境是确保网关性能和可靠性的关键。同时,合适的天线设计可以大大增加系统的覆盖范围和信号质量。因此,开发者在设计和实施阶段需要综合考虑这些因素,确保最终产品能够满足预期的性能标准和用户需求。


最后,随着技术的不断进步和市场需求的变化,Zigbee智能网关的开发也应持续追踪最新的技术趋势和行业标准,以保持竞争力和创新性。希望本指南能为您提供有价值的信息和灵感,助力您在智能网关开发的道路上取得成功。同时,东胜物联提供智能可编程Zigbee网关,专为企业级物联网开发者设计,提供成熟的硬件平台和开源SDK,支持应用程序的轻松移植或二次开发,简化了物联网产品开发的复杂性。东胜科技的ODM服务还支持根据客户需求定制网关产品的外观和功能,确保满足项目需求。


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