ZigBee技術(shù)的硬件實(shí)現模式分析

引言
當今世界通信技術(shù)迅猛發(fā)展，ZigBee作為一種新興的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，正有力地推動(dòng)著(zhù)低速率無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )LR-WPAN(Low-Rate Wireless Personal Area Network)的發(fā)展。ZigBee是基于IEEE 802.15.4標準的應用于無(wú)線(xiàn)監測與控制應用的全球性無(wú)線(xiàn)通信標準，強調簡(jiǎn)單易用、近距離、低速率、低功耗(長(cháng)電池壽命)且極廉價(jià)的市場(chǎng)定位，可以廣泛應用于工業(yè)控制、家庭自動(dòng)化、醫療護理、智能農業(yè)、消費類(lèi)電子和遠程控制等領(lǐng)域。并且，基于ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )特征與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )存在很多相似之處，故很多研究機構已經(jīng)把它作為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)通信平臺。目前在藍牙技術(shù)復雜，應用系統費用高，功耗高，供電電池壽命短，且還無(wú)法突破價(jià)格瓶頸的情況下，ZigBee技術(shù)無(wú)疑將擁有廣闊的應用前景。

1 ZigBee的結構體系
相對于其他無(wú)線(xiàn)通信標準，ZigBee協(xié)議棧顯得更為緊湊和簡(jiǎn)單。如圖1所示，ZigBee協(xié)議棧的體系結構由底層硬件模塊、中間協(xié)議層和高端應用層3部分組成。

1.1 底層硬件模塊
底層硬件模塊是ZigBee技術(shù)的核心模塊，所有嵌入ZigBee技術(shù)的設備都必須包括底層模塊。它主要由射頻RF(Radio-Frequency)、ZigBee無(wú)線(xiàn)RF收發(fā)器和底層控制模塊組成。
ZigBee標準協(xié)議定義了兩個(gè)物理層(PHY)標準，分別是2.4 GHz物理層和868／915 MHz物理層。兩個(gè)物理層都基于直接序列擴頻DSSS技術(shù)，使用相同的物理層數據包格式；區別在于工作頻率、調制方式、信號處理過(guò)程和傳輸速率。
底層控制模塊定義了物理無(wú)線(xiàn)信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數據服務(wù)和物理層管理服務(wù)。物理層數據服務(wù)從無(wú)線(xiàn)物理信道上收發(fā)數據；物理層管理服務(wù)維護一個(gè)由物理層相關(guān)數據組成的數據庫。數據服務(wù)主要包括：激活和休眠射頻收發(fā)器，收發(fā)數據，信道能量檢
測，鏈路質(zhì)量指示和空閑信道評估。
信道能量檢測：為網(wǎng)絡(luò )層提供信道選擇依據。它主要測量目標信道中接收信號的功率強度，由于這個(gè)檢測本身不需要進(jìn)行解碼操作，所以檢測結果是有效信號功率和噪聲信號功率之和。
鏈路質(zhì)量指示：為MAC層或者應用層提供接收數據幀時(shí)無(wú)線(xiàn)信號的強度和質(zhì)量信息。與信道能量檢測不同的是，它要對信號進(jìn)行解碼，生成一個(gè)信噪比指標。這個(gè)信噪比指標和物理層數據單元一起提交給上層處理。
空閑信道評估：判斷信道是否空閑。ZigBee協(xié)議標準定義了3種空閑信道評估模式：第一種是判斷信道的信號能量，若信號能量低于某一個(gè)門(mén)限量，則認為信道空閑；第二種是判斷無(wú)線(xiàn)信道的特征，這個(gè)特征主要包括兩方面，即擴頻信號和載波頻率；第三種模式是前兩種模式
的綜合，同時(shí)檢測信號強度和信號特征，給出信道空閑判斷。

1.2 中間協(xié)議層
中間協(xié)議層由IEEE 802.15.4 MAC子層、IEEE 802.15.4鏈路控制(LLC，Logical Link Contro1)子層、網(wǎng)絡(luò )層NWK以及通過(guò)業(yè)務(wù)相關(guān)聚合子層SSCS(Service Specific Convergence Sublayer)協(xié)議承載的IEEE 802.2 LLC子層(選用協(xié)議層)組成。
MAC子層：使用物理層提供的服務(wù)實(shí)現設備之間的數據幀傳輸，而LLC子層在MAC子層的基礎上，在設備間提供面向連接和非連接的服務(wù)。MAC子層提供兩種服務(wù)：MAC層數據服務(wù)和MAC層管理服務(wù)。前者保證MAC協(xié)議數據單元在物理層數據服務(wù)中的正確收發(fā)；后者維護一個(gè)存儲MAC子層協(xié)議狀態(tài)相關(guān)信息的數據庫。
NWK層：負責建立和維護網(wǎng)絡(luò )連接。它獨立處理傳人數據請求、關(guān)聯(lián)、解除關(guān)聯(lián)和孤立通知請求。
SSCS和IEEE 802.2 LLC：只是ZigBee標準協(xié)議中可能的上層協(xié)議.并不在IEEE 802.15.4標準的定義范圍之內。SSCS為IEEE 802.15.4的MAC層接入IEEE802.2標準中定義的LLC子層提供聚合服務(wù)。LLC子層可以使用SSCS的服務(wù)接口訪(fǎng)問(wèn)IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò )，為應用層提供鏈路層服務(wù)。

1.3 高端應用層
高端應用層位于ZigBee協(xié)議棧的最上面，主要包括以下5部分：應用支持(APS)子層、ZigBee設備對象(ZDO)子層、ZigBee設備配置(ZDC)子層、應用層(APL)和用戶(hù)應用程序組成。
APS子層：主要提供ZigBee端點(diǎn)接口。應用程序將使用該層打開(kāi)或關(guān)閉一個(gè)或多個(gè)端點(diǎn)，并且獲取或發(fā)送數據。
ZDO子層：通過(guò)打開(kāi)和處理目標端點(diǎn)接口來(lái)響應接收和處理遠程設備的不同請求。與其他的端點(diǎn)接口不同，目標端點(diǎn)接口總是在啟動(dòng)時(shí)就被打開(kāi)并假設綁定到任何發(fā)往該端口的輸入數據幀。
ZDC子層：提供標準的ZigBee配置服務(wù)，定義和處理描述符請求。遠程設備可以通過(guò)ZDO子層請求任何標準的描述符信息。當接收到這些請求時(shí)，ZDO會(huì )調用配置對象以獲取相應的描述符值。
APL層：提供高級協(xié)議棧管理功能。用戶(hù)應用程序使用此模塊來(lái)管理協(xié)議棧功能。
用戶(hù)應用程序：主要包括廠(chǎng)家預置的應用軟件。同時(shí)，為了給用戶(hù)提供更廣泛的應用，該層還提供了面向儀器控制、信息電器和通信設備的嵌入式API.從而可以更廣泛地實(shí)現設備與用戶(hù)的應用軟件間的交互。

2 ZigBee硬件的實(shí)現
隨著(zhù)ZigBee標準的發(fā)布.世界各大無(wú)線(xiàn)芯片生產(chǎn)廠(chǎng)商陸續推出了支持ZigBee的節點(diǎn)模塊。圖2為ZigBee單芯片硬件模塊結構圖。微處理器通過(guò)SPI總線(xiàn)和一些離散控制信號與RF收發(fā)器相連。微處理器充當SPI主器件，而RF收發(fā)器充當從器件?？刂破鲗?shí)現了IEEE 802.15.4 MAC子層和ZigBee協(xié)議層，還包含了特定應用的邏輯，并且使用SPI總線(xiàn)與RF收發(fā)器交互。

圖2 ZigBee單芯片硬件模塊結構圖
總結起來(lái).一個(gè)典型的ZigBee節點(diǎn)模塊至少必須具備以下組件：

• 一片帶SPI接口的微處理器，如ATmega128、PIC18F和HCS08等。微處理器主要用于處理射頻信號、控制和協(xié)調各部分器件的工作，具體地說(shuō).就是負責比特流調制和解調后的所有比特級處理、控制RF收發(fā)器等。
• 一個(gè)帶有所需外部元件的RF(射頻)收發(fā)器.如Freescale公司推出的MC13192和Chipcon公司推出的CC2420等。射頻收發(fā)器是ZigBee設備的核心，任何ZigBee設備都要有射頻收發(fā)器。它與用于廣播的普通無(wú)線(xiàn)收發(fā)器的不同之處在于體積小，功耗低.支持電池供電的設備。射頻收發(fā)器的主要功能包括：信號的調制與解調、信號的發(fā)送和接收，以及幀定時(shí)恢復等。
• 一根天線(xiàn)，可以是PCB上的引線(xiàn)形成的天線(xiàn)或單根天線(xiàn)。近程通信中最常用的天線(xiàn)有單極天線(xiàn)、螺旋形天線(xiàn)和環(huán)形天線(xiàn)。對于低功耗應用，建議使用范圍最佳且簡(jiǎn)單的1／4波長(cháng)單極天線(xiàn)。天線(xiàn)必須盡可能靠近集成電路連接。如果天線(xiàn)位置遠離輸入引腳.則必須與提供的傳輸線(xiàn)匹配(50Ω)。

Freescale公司推出的ZigBee節點(diǎn)模塊的應用模型如圖3所示。

3 CC2420無(wú)線(xiàn)RF收發(fā)器
CC2420是Chipcon公司推出的一款兼容2.4 GHz IEEE 802.15.4的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，可快速應用到ZigBee產(chǎn)品中。CC2420基于Chipcon公司的SmartRF 03技術(shù)，使用0.18 um CMOS工藝生產(chǎn)，采用QLP-48封裝，具有很高的集成度。

3.1 內部結構與工作原理
CC2420的內部結構如圖4所示。CC2420是一個(gè)低中頻的接收器，所接收到的射頻信號首先經(jīng)過(guò)LNA(低噪聲放大器)，然后正交下變頻到2 MHz的中頻上，形成中頻信號的同相分量和正交分量。兩路信號經(jīng)過(guò)濾波和放大后，直接通過(guò)A／D轉換器轉換成數字信號。后繼的處理(如自動(dòng)增益控制、最終信道選擇、解調以及幀同步等)，都是以數字信號形式處理的。

CC2420發(fā)送數據時(shí)，使用直接正交上變頻?；鶐盘柕耐喾至亢驼环至恐苯颖籇／A轉換器轉換成模擬信號，通過(guò)低通濾波器后，直
接變頻到設定的信道上。
CC2420射頻信號的收發(fā)采用差分方式傳送，其最佳差分負載是(115+j180)Ω，阻抗匹配電路應該根據該數值進(jìn)行調整。如果使用單端天線(xiàn)，則需要使用平衡／非平衡阻抗轉換電路(BALUN，巴倫電路)，以達到最佳收發(fā)效果。
CC2420需要有16 MHz的參考時(shí)鐘用于250 kbps數據的收發(fā)。這個(gè)參考時(shí)鐘可以來(lái)自外部時(shí)鐘源，也可以使用內部晶振產(chǎn)生。如果使用外部時(shí)鐘，則直接從XOSCl6_Q1引腳引入，XOSCl6_Q2引腳保持懸空；如果使用內部晶振，則晶振接在XOSC16_Q1和XOSC16_Q2引腳之間。CC2420要求時(shí)鐘源的精度應該在4O1O-6以?xún)?。圖5給出了CC2420應用電路的一個(gè)實(shí)例。

3.2 基本功能及應用
CC2420工作于全球統一開(kāi)放的2.4 GHz ISM頻帶，具有工作電壓低(1.8 V)、體積小(7 mm7 ram)、功耗低(TX：24 mA，RX：17 mA)和靈敏度高(-119 dB)等優(yōu)點(diǎn)，最高工作速率可達250 kbps；采用了直接序列擴頻方式，抗噪聲干擾能力強；用硬件實(shí)現了IEEE 802.15.4的MAC子層基于128位的AES數據加密和鑒別操作，安全性較高；具有完全集成的壓控振蕩器，只需天線(xiàn)、16 MHz晶振和幾個(gè)阻容、電感元件等非常少的外圍電路就能在2.4 GHz頻帶上工作，基本無(wú)需調試；MAC子層支持信息包處理、數據緩存、突發(fā)傳輸、地址識別、信道能量檢測、鏈路質(zhì)量指示和空閑信道評估等功能，從而可減輕主控制器負擔，且可與低成本的控制器配合使用。CC242O單芯片適合于在計算機遙測遙控、家庭及樓宇自動(dòng)化、消費類(lèi)電子、汽車(chē)儀表數據讀取等無(wú)線(xiàn)數據發(fā)射／接收系統中使用。

ZigBee技術(shù)是一種結構簡(jiǎn)單、成本較低的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，它使得在低電能和低吞吐量的應用環(huán)境中使用無(wú)線(xiàn)連接成為可能。本文所描述的ZigBee技術(shù)硬件實(shí)現模式分析，只是ZigBee核心技術(shù)中的一小部分，隨著(zhù)ZigBee技術(shù)的進(jìn)一步完善和發(fā)展，更多的注意力和研發(fā)力量將轉移到應用的設計和實(shí)現、互聯(lián)互通測試和市場(chǎng)推廣等方面。相信在不遠的將來(lái)，會(huì )有越來(lái)越多的ZigBee設備進(jìn)入我們的生活，使我們的生活變得更加便利和豐富多彩。