新型低功耗無(wú)線(xiàn)標準-ZigBee

　 越來(lái)越多的有線(xiàn)數據傳輸正在被無(wú)線(xiàn)解決方案取代。對用戶(hù)而言，線(xiàn)纜的棄用不僅帶來(lái)了更多方便，而且大大降低了安裝成本。特別是在傳感器網(wǎng)絡(luò )和控制應用中，現有網(wǎng)絡(luò )的安裝和改造成本是重要的考量因素。當從有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )轉向無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )時(shí)，通常節點(diǎn)也要從有線(xiàn)電源轉向電池供電。在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，每個(gè)節點(diǎn)的功耗便成為一個(gè)重要因素。因此，超低功耗設計技術(shù)變得至關(guān)重要，特別是在無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)許多年內只使用一節電池供電的情況下。

　　如果確定要使用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，那么第一步就是要選擇現有無(wú)線(xiàn)標準或實(shí)施專(zhuān)有解決方案，并在內部完成全面系統開(kāi)發(fā)。這兩種方法各有利弊：

　　* 專(zhuān)有解決方案

　　o 優(yōu)點(diǎn)：硬件靈活性高且成本低，因為僅需實(shí)現必要的功能。

　　o 缺點(diǎn)：軟件棧和傳輸協(xié)議開(kāi)發(fā)時(shí)間長(cháng)，且與其他設備不兼容

　　* 標準解決方案

　　o 優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)發(fā)時(shí)間短，因為已有現成的軟件堆棧且經(jīng)過(guò)了多個(gè)用戶(hù)測試。與其他廠(chǎng)商的產(chǎn)品相兼容。

　　o 缺點(diǎn)：通常，標準的軟件部分為非必須的且在應用中未予以使用。這就增加了軟件和數據存儲所需的存儲器容量。

　　得到廣泛認可的無(wú)線(xiàn)標準有多種，且每一種都針對某特定應用領(lǐng)域。例如目前大家熟悉的 Wi-Fi/802.11和藍牙RF標準，前者適用于相對較短距離和中等功耗的高速傳輸?？捎糜赑C聯(lián)網(wǎng)、家庭聯(lián)網(wǎng)以及視頻分配；而后者則面型低功耗短距離中速傳輸?？捎糜诙鷻C、PC外設、PDA以及移動(dòng)電話(huà)連接。

　　在大多數控制應用中，這些標準都不是很理想。例如，就傳感器網(wǎng)絡(luò )而言，利用一節小電池就可使器件工作多年的超低功耗最為關(guān)鍵。高數據速率并非必需，因為需要傳輸的只有極少數控制指令和某些測量值。

　　IEEE 802.15.4——ZigBee的基礎

　　因此，對于傳感器和控制應用而言，Wi-Fi/802.11和藍牙并非是最佳解決方案。也正因如此，業(yè)內開(kāi)發(fā)了IEEE 802.15.4 標準，并于2003年10月推出。2006年6月，IEEE 802.15.4-2006 （Rev B）獲得通過(guò)。該標準不但描述了個(gè)域網(wǎng)（PAN）中的點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，而且還定義了面向低功耗、低速度及可靠RF傳輸的PHY和MAC層。一般室內的傳輸距離從10到30米不等，在室外最大傳輸距離可達150 米。取決于具體應用不同，電池使用壽命可長(cháng)達數年。

　　圖 1 免費頻段的全球分配情況

　　在實(shí)施無(wú)線(xiàn)傳輸以前，還必要對傳輸頻率進(jìn)行定義。圖1顯示了當今全球頻率的分配情況。全球各地區低于1GHz的頻率使用情況不盡相同。在歐洲，433MHz和868MHz均為免費使用，而在美國，免費使用的頻段為315MHz和915MHz。只有2.4GHz 頻段（Wi-Fi和藍牙也使用該頻段）在全球免費使用。此外，就868MHz和915MHz而言，可以使用相同的天線(xiàn)。只要具有一個(gè)靈活、自由可編程的RF 收發(fā)器，一款可選擇運行在868MHz或915MHz上的全球解決方案也是一個(gè)不錯的選擇。在這種情況下，必須要確保將運行頻率轉換至設備運行地區所允許的頻段范圍。這會(huì )增加成本，因為必須要發(fā)布兩個(gè)不同的固件版本。

　　IEEE 802.15.4專(zhuān)門(mén)針對下列頻率而定義：

　　* 868MHz、1通道 20kbps … 100kbps（僅適用于歐洲）

　　* 915MHz、10通道 40kbps … 250kbps（僅適用于美國）

　　* 2.4GHz、16 通道 250kbps（適用于全球各地區）

　　ZigBee——軟件棧

　　ZigBee聯(lián)盟是一個(gè)由多家公司組成的行業(yè)協(xié)會(huì )，這些公司通力合作以實(shí)現可靠、低成本、低功耗、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )監控并推出基于開(kāi)放性全球標準的控制產(chǎn)品。ZigBee聯(lián)盟的推動(dòng)者包括BM Spa、Ember、飛思卡爾、霍尼韋爾、華為、三菱電機、摩托羅拉、飛利浦、三星、施耐德電氣、意法半導體、西門(mén)子以及TI等公司。該聯(lián)盟擁有超過(guò)200家成員，并且這一數字還在不斷增長(cháng)。該聯(lián)盟定義了ZigBee棧：是在IEEE 802.15.4 PHY和MAC之上的一種標準協(xié)議棧。ZigBee的目標應用領(lǐng)域如下：

　　* 家庭自動(dòng)化：

　　o 自動(dòng)抄表（AMR）

　　o 照明、制熱、警報、安全

　　o 白家電健康狀態(tài)監控

　　* 商業(yè)樓宇自動(dòng)化

　　o 采暖、通風(fēng)和空調系統（HVAC）

　　o 能量管理

　　o 警報、安全

　　* 工業(yè)自動(dòng)化

　　* 住院和病患護理

　　* 資產(chǎn)跟蹤/有源 RFID

　　* 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

　　圖 2 ZigBee 星形網(wǎng)絡(luò )

　　圖 3 ZigBee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )

　位于IEEE 802.15.4點(diǎn)對點(diǎn)通信協(xié)議之上的ZigBee棧，使ZigBee節點(diǎn)的個(gè)域網(wǎng)（PAN）實(shí)現成為可能?？梢圆捎眯切尉W(wǎng)絡(luò )拓撲（請參見(jiàn)圖2）、樹(shù)形或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )拓撲（請參見(jiàn)圖3）。每一個(gè)ZigBee PAN 都需要一個(gè)PAN協(xié)調器設備。PAN 協(xié)調器啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò )，并向新網(wǎng)絡(luò )分配PAN-ID。此外，PAN協(xié)調器通常還具有數據包路由功能。在樹(shù)形和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )中，通常會(huì )有若干個(gè)具有ZigBee路由器功能的節點(diǎn)。這些路由器節點(diǎn)可將接收到的數據包轉發(fā)至下一個(gè)ZigBee節點(diǎn)，并通過(guò)完整的ZigBee網(wǎng)絡(luò )以這種方式實(shí)現數據包從發(fā)送者到接收者的跳轉。

　　ZigBee終端設備僅與其母節點(diǎn)（PAN協(xié)調器或路由器）進(jìn)行通信。這些終端設備的功能相對較少，因為它們不需要路由功能。精簡(jiǎn)功能設備（RFD）的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是棧尺寸明顯要小很多。因此，程序閃存、數據存儲器RAM以及閃存要求也大大降低。這就使得通常是ZigBee節點(diǎn)主要組成部分的RFD頗具成本優(yōu)勢。RFD特別適用于超低耗設計，因為在大部分時(shí)間里可以將微控制器和RF收發(fā)器關(guān)閉。一個(gè)具有路由功能的設備需要始終謹記，其必須要接收一個(gè)數據包。

　　ZigBee使用16位節點(diǎn)尋址，理論上允許一個(gè)PAN中有近2^16個(gè)ZigBee節點(diǎn)。在實(shí)際應用中，節點(diǎn)的數量受數據包延遲限制。就星形網(wǎng)絡(luò )而言，《2000個(gè)節點(diǎn)最為合適。

　　談及 ZigBee，一種比較簡(jiǎn)單的情況就是開(kāi)啟和關(guān)閉燈具的照明開(kāi)關(guān)。照明開(kāi)關(guān)可以是一個(gè)RFD且連續處于深睡眠模式。如果按下照明開(kāi)關(guān)上的按鈕，則微控制器被喚醒，開(kāi)啟射頻并將要求的數據包發(fā)送至其母設備（路由器或PAN協(xié)調器），等待數據包確認并返回到睡眠模式。然后，該網(wǎng)絡(luò )將開(kāi)始傳輸數據包，數據包最終跳轉至目標地址—— 燈具。路由器和PAN協(xié)調器必須始終清楚會(huì )有一個(gè)數據包到達。因此，這些節點(diǎn)絕不能進(jìn)入深睡眠模式。但是在該示例中，如果路由器位于與主電源相連的燈具中，則不存在功耗問(wèn)題。

　　底層的PHY和MAC均由IEEE？802.15.4標準定義。上述所有層均由 ZigBee定義。PHY和MAC實(shí)現了兩個(gè)節點(diǎn)間的點(diǎn)對點(diǎn)通信。ZigBee NWK（網(wǎng)絡(luò )）層進(jìn)行數據包路由，并將接收到的數據包發(fā)送至下一個(gè)ZigBee 節點(diǎn)，或將其轉發(fā)至APS（應用支持子層）。然后，APS將處理ZigBee節點(diǎn)內針對某個(gè)應用的數據包。具有射頻功能的一個(gè)ZigBee節點(diǎn)可處理若干個(gè)應用，以開(kāi)關(guān)為例，溫度測量和濕度測量就可在一個(gè)盒子里進(jìn)行。在這種情況下，由 APS來(lái)決定哪些應用是數據包的終點(diǎn)。首先，ZigBee設備對象（ZDO）有助于應用軟件和ZigBee堆棧軟件的協(xié)同運行。一旦做出決定，還可集成一個(gè)安全服務(wù)以實(shí)現安全的數據傳輸。

　　ZigBee配置文件

　　只有所有的ZigBee符合ZigBee標準配置文件之一，才能實(shí)現 ZigBee產(chǎn)品的廠(chǎng)商的獨立兼容性。ZigBee 聯(lián)盟將配置文件定義為一種可確保應用級互操作性的方法。

　　除協(xié)議之外，配置文件還對發(fā)送至其他設備的數據內容進(jìn)行了定義，例如，哪個(gè)數據內容將開(kāi)啟燈具，哪個(gè)數據內容又將燈具關(guān)閉。配置文件中的定義為：獨特的配置文件ID；設備類(lèi)型；報文格式、內容編碼以及集群解釋。

　　已經(jīng)定義的標準配置文件為：“家庭自動(dòng)化”（自2006年9月開(kāi)始，不再后向兼容以前的“家庭控制——照明”）；“工業(yè)廠(chǎng)房監控”（自2006年第四季度開(kāi)始）；包括HVAC在內的“商用樓宇自動(dòng)化”（自2007年第一季度開(kāi)始）。

　　其他更多的標準配置文件尚在討論之中，如自動(dòng)抄表、醫療保健等。專(zhuān)有配置文件可由客戶(hù)來(lái)定義，但是這會(huì )限制共享該配置文件設備的應用互操作性。專(zhuān)用配置文件并不排斥網(wǎng)絡(luò )級互操作性。

　　為了確保新開(kāi)發(fā)的終端設備符合ZigBee標準以及標準配置文件之一，必須要進(jìn)行ZigBee一致性認證測試。一旦順利通過(guò)測試，就可以在產(chǎn)品上使用ZigBee的logo。

　　TI推出的 ZigBee 解決方案

　　TI 推出了一系列完整的硬件和軟件ZigBee解決方案。MSP430微控制器產(chǎn)品系列由于其出色的超低功耗性能以及易于使用的開(kāi)發(fā)工具而被熟知。自2006年起，該16位微控制器實(shí)現了架構升級，現在該微控制器具有高達120k的閃存以及高達10k的RAM存儲器。具有高于60k閃存的 MSP430派生產(chǎn)品系列即將推出。MSP430架構升級與現有的MSP430版本100%二進(jìn)制后向兼容，并且仍然使用線(xiàn)性?xún)却鎸ぶ贩秶?。該解決方案實(shí)現了眾所周知的易用性架構與現有MSP430編碼100%重復使用性的結合。

　　此外，TI 還推出了首款符合 ZigBee 標準的收發(fā)器 CC2420。該 2.4？GHz 收發(fā)器被廣泛用于 ZigBee 社區，功耗低且具有與其他任何 MSP430 微控制器輕松組合的特性。作為一種替代產(chǎn)品，CC2430是在一顆芯片上集成了CC2420 收發(fā)器與 8051 CPU的片上系統（ SoC）。

　　TI 還推出了用于 MSP430 + CC2420 和 SoC CC2430的ZigBee 軟件棧 Z-Stack。Z-Stack 完全符合 ZigBee 標準，并提供了許多靈活的用戶(hù)可選選項。

　　結論

　　ZigBee 是一種基于開(kāi)放性全球標準、針對低功耗、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )化監控及控制產(chǎn)品的標準。該標準憑借經(jīng)過(guò)測試的軟硬件確保了快速的開(kāi)發(fā)時(shí)間。廠(chǎng)商互操作性是符合 ZigBee 標準的產(chǎn)品的另一個(gè)優(yōu)勢?，F在開(kāi)始供應 ZigBee 硬件和軟件。