如何突破瓶頸 輕松設計ZIGBEE應用系統

　　當前，華爾街的金融風(fēng)暴來(lái)勢兇猛，許多技術(shù)領(lǐng)域都感到陣陣寒風(fēng)，然而，具有綠色特點(diǎn)和節能特征的ZIGBEE技術(shù)，卻在這波風(fēng)暴中，依然紅火，發(fā)展迅速。

　　ZIGBEE聯(lián)盟最近推出了最新的ZIGBEE PRO技術(shù)，在自動(dòng)跳頻處理，可靠網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )多路徑自動(dòng)路由選擇，大型復雜網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )安全等方面，取得了突破進(jìn)展，使無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )功耗更低，運行更可靠；以TI/CHIPCON為代表的一批廠(chǎng)家，也陸續推出了完全免費的ZIGBEE協(xié)議棧和一大批新的無(wú)線(xiàn)SoC芯片和系列擴展電路，這些芯片以低成本，微功耗為特征，加速了ZIGBEE技術(shù)的產(chǎn)品化和實(shí)用化的步伐，使ZIGBEE技術(shù)以越來(lái)越快的速度，開(kāi)始融入我們生活的方方面面，也越來(lái)越快的進(jìn)入各行各業(yè)，在節能，環(huán)保，數字家庭，現代農業(yè)，工業(yè)自動(dòng)化，健康照顧等等領(lǐng)域，大顯神通；據有關(guān)市場(chǎng)研究機構估計，到2010年，全球將會(huì )銷(xiāo)售多達5億8千萬(wàn)片ZIGBEE芯片。

　　一、突破ZIGBEE應用系統設計的瓶頸

　　ZIGBEE技術(shù)是建立在IEEE802.15.4國際標準上的一種自組織無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，主要的硬件基礎是一個(gè)符合IEEE802.15.4國際標準硬件收發(fā)器和一個(gè)微控制器（可以是任何8、16、32位內核的微控制器，國內也稱(chēng)為單片機），軟件主要是運行于單片機內部的一套軟件，稱(chēng)為ZIGBEE協(xié)議棧。

　　對于一個(gè)實(shí)際ZIGBEE應用系統的設計，設計者主要面對的技術(shù)難點(diǎn)有三個(gè)，通訊距離，高頻設計技術(shù)和無(wú)線(xiàn)軟件技術(shù)，這也是ZIGBEE技術(shù)走向應用的主要瓶頸。

　　1、通訊距離問(wèn)題，由于一般的ZIGBEE前端RF部分輸出大部分只有0DBM,點(diǎn)對點(diǎn)開(kāi)闊地帶 實(shí)際通訊距離只有幾十米，如果加上環(huán)境和阻擋因數，通訊距離還會(huì )縮水。雖然可以通過(guò)中繼路由來(lái)解決，都是很多應用還是有困難，像無(wú)線(xiàn)點(diǎn)菜系統，棉田滴灌系統，安防系統，樓宇監控，醫院應用，糧庫監控，電力線(xiàn)監控，井下定位等等，都需要比較長(cháng)的通訊距離才可以滿(mǎn)足需要；

　　2、ZIGBEE芯片工作在2.4GHZ和900MHZ的高頻率,硬件設計不可能繞開(kāi)高頻設計和調試，需要的高頻設備如頻譜分析儀等，價(jià)格較高，也構成了一定技術(shù)門(mén)檻；

　　3、為了實(shí)時(shí)處理復雜的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )管理和路由，ZIGBEE軟件協(xié)議棧代碼比較復雜，同時(shí)涉及比較多的無(wú)線(xiàn)技術(shù)知識背景，掌握這些無(wú)線(xiàn)軟件需要比較多的時(shí)間，加上協(xié)議棧在不斷升級，使用的微控制器也在不斷變化中，也加長(cháng)了開(kāi)發(fā)和調試周期；

　　這些瓶頸，早已經(jīng)被相關(guān)廠(chǎng)家所重視，目前我們看到，很多廠(chǎng)家已經(jīng)推出了各種比較完整的解決方法。

　　對于ZIGBEE通訊距離的擴展,目前采用外部擴展和內部增加放大器兩套辦法，TI最近推出的CC2591放大器芯片,就是比較典型的外部擴展的辦法，CC2591能夠和CC2430等ZIGBEE單芯片完整結合，以非常低的成本，實(shí)現ZIGBEE通訊距離的擴展，圖一是CC2591原理和采用CC2591CC+2430設計的EZ-Lbee模塊系列產(chǎn)品。

　　　　
　　　　　　　　　　　　圖一CC2591CC+2430設計的EZ-Lbee模塊

　　采用CC2591后，ZIGBEE網(wǎng)絡(luò )通訊距離可以輕易在點(diǎn)對點(diǎn)開(kāi)闊地帶通訊距離可以達到600米以上， 通過(guò)ZIGBEE網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的自動(dòng)中繼路由 ，可以容易實(shí)現微功耗下數十公里的網(wǎng)絡(luò ) 通訊和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。

　　由于大量模塊化產(chǎn)品的出現，也就同時(shí)解決了第二個(gè)應用瓶頸，這些模塊只有大約1平方英寸大?。S著(zhù)工藝改進(jìn)還會(huì )越來(lái)越?。?，可以使用AA電池供電，也非常容易集成到用戶(hù)系統中去；對于用戶(hù)使用而言，從模塊入手，完全避免的高頻設計和調試的問(wèn)題，可以將自己的主要精力主要集中到自己的應用系統設計。

　　而且由于目前的模塊，大多數在出廠(chǎng)時(shí)也配備了一套ZIGBEE串口通訊協(xié)議，這套協(xié)議將復雜的ZIGBEE應用，轉換為簡(jiǎn)單的，具有ZIGBEE網(wǎng)絡(luò )功能的AT命令集，例如加入網(wǎng)絡(luò )，配置網(wǎng)絡(luò )，數據收發(fā)等功能，都可以通過(guò)單片機向串口發(fā)送簡(jiǎn)單的操作命令來(lái)完成，用戶(hù)只要會(huì )單片機串口編程，無(wú)需要深入研究ZIGBEE協(xié)議棧，就可以輕松使用ZIGBEE技術(shù)；這樣，就解決了第三個(gè)主要的技術(shù)瓶頸。

　　二、 標準產(chǎn)品和評估系統加快ZIGBEE應用系統集成

　　通過(guò)使用內置ZIGBEE網(wǎng)絡(luò )功能的長(cháng)距離微功耗模塊，基本解決了ZIGBEE技術(shù)走向實(shí)際應用的主要瓶頸，但是，對于系統集成商和應用集成商而言，要在自己熟悉的行業(yè)，將ZIGBEE技術(shù)容易的集成到自己的系統中去，還會(huì )面臨2個(gè)其他方面的困難。一是評估困難，二是缺乏部件化的標準組件。

　　第一方面的困難是：ZIGBEE是一種全新的技術(shù)，系統集成商在開(kāi)始進(jìn)行評估時(shí)，缺乏必要的實(shí)際評估系統，所以無(wú)法實(shí)際觀(guān)測和了解ZIGBEE技術(shù)實(shí)際效果，如通訊距離，抗干擾能力，功耗，環(huán)境適應等，而且對這樣的系統如何設計，也心中無(wú)數；

　　第二方面的困難是，缺乏標準的應用組件，可以容易的向搭積木一樣，迅速采用這些標準部件，構成自己需要的ZIGBEE系統；

　　其實(shí)，標準產(chǎn)品，也可以用來(lái)作為快速評估系統 ， 根據目前這樣的實(shí)際應用需要，不少廠(chǎng)家也陸續推出了各種ZIGBEE標準產(chǎn)品，包括網(wǎng)關(guān)（實(shí)現ZIGBEE網(wǎng)絡(luò )和GPRS,WI-FI,以太網(wǎng)，藍牙等網(wǎng)絡(luò )的互聯(lián)），路由器，低功耗節點(diǎn)，也推出了各種應用評估系統；圖二和圖三是目前已經(jīng)上市的部分ZIGBEE標準產(chǎn)品：

圖二 典型的無(wú)線(xiàn)路由器，低功耗節點(diǎn)標準產(chǎn)品

圖三 典型的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品

　　這些標準產(chǎn)品都是“即插即用”的產(chǎn)品，你可以像搭積木一樣，在很短時(shí)間內，對ZIGBEE技術(shù)進(jìn)行現場(chǎng)測試，也很容易將這些標準產(chǎn)品集成到你自己的系統中去，實(shí)現一個(gè)長(cháng)距離，微功耗的巨大網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )和各種行業(yè)應用；

　　三、ZIGBEE應用系統設計的層次和實(shí)例

　　隨著(zhù)ZIGBEE技術(shù)和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)不斷向更加廣闊的應用領(lǐng)域深入，如果是采用由淺入深的路徑，大概順序如下：

　　1、系統集成，在這個(gè)層次，主要是要掌握Z(yǔ)IGBEE技術(shù)的應用特征，例如系統可靠性和網(wǎng)絡(luò )可靠性，通訊距離，抗干擾性能，低功耗性能等，使用標準產(chǎn)品和評估系統進(jìn)行是比較好的進(jìn)入點(diǎn)；
　　優(yōu)點(diǎn)是：入門(mén)需要的時(shí)間短，幾個(gè)小時(shí)或幾天；
　　缺點(diǎn)是：系統靈活性可能不夠，成本稍微高一些；

　　2、采用模塊和自己的單片機系統組合設計，這要求對單片機技術(shù)比較熟悉，當然最好是采用自己熟悉的單片機，主要工作是熟悉ZIGBEE AT命令集，如何通過(guò)AT命令集來(lái)操作復雜的ZIGBEE無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，由于不需要分析無(wú)線(xiàn)協(xié)議棧代碼和進(jìn)行高頻設計，用戶(hù)可以將主要精力集中在自己的應用代碼開(kāi)發(fā)；
　　優(yōu)點(diǎn)是：入門(mén)時(shí)間是一星期或更短；（如果能夠使用帶有驅動(dòng)源代碼的模塊開(kāi)發(fā)系統，還可以進(jìn)一步縮短上手時(shí)間）；
　　缺點(diǎn)是：需要在模塊后面，加上自己的微控制器，成本稍有增加；

　　3、采用模塊或者直接使用ZIGBEE芯片進(jìn)行自己的ZIGBEE應用系統設計；

　　如果不希望進(jìn)行高頻設計，可以從模塊開(kāi)始，直接使用TI等公司提供的ZIGBEE協(xié)議棧源代碼和庫文件，自己進(jìn)行應用代碼的編寫(xiě)，然后直接下載到模塊進(jìn)行調試，由于EZ-Lbee這樣的通用，開(kāi)放，開(kāi)源模塊的出現，使這種開(kāi)發(fā)辦法成為了可能。
　　當然，也可以自己直接采用CC2430/CC2431等芯片，使用ZIGBEE開(kāi)發(fā)系統，進(jìn)行設計；
　　優(yōu)點(diǎn)是：可以實(shí)現單芯片化設計，最終產(chǎn)品成本最低；
　　缺點(diǎn)是：需要對軟件和ZIGBEE協(xié)議棧進(jìn)行消化和分析，也需要高頻設計方面的知識和經(jīng)驗，需要的時(shí)間可能是數月或更長(cháng)；

　　當然，我們也可以將上述過(guò)程看成一個(gè)對ZIGBEE技術(shù)逐步深入的過(guò)程的不同階段，而這些階段，也是一個(gè)入門(mén)和熟悉ZIGBEE技術(shù)的漸進(jìn)過(guò)程。

　　下面，我們就以一個(gè)實(shí)際應用系統設計例子，來(lái)看看如何實(shí)現應用系統評估設計全過(guò)程：

　　應用實(shí)例：ZIGBEE無(wú)線(xiàn)溫度傳感器網(wǎng)絡(luò )系統

　　主要功能： 對溫濕度進(jìn)行無(wú)線(xiàn)測量、監控、記錄；

　　應用對象：高層字樓、醫院、，成品庫、醇化庫、發(fā)酵庫、儲絲房、糧庫、煙草庫，溫室大棚等，需要對溫度，濕度進(jìn)行監控，而且布線(xiàn)困難的應用。系統應用框圖（ 圖4）

圖四 ZIGBEE無(wú)線(xiàn)溫度傳感器網(wǎng)絡(luò )系統

　　應用系統的評估和開(kāi)發(fā)過(guò)程：

　　評估： 采用評估系統，安裝電池，安裝PC監控應用軟件，系統自動(dòng)組網(wǎng)，PC軟件顯示出傳感器節點(diǎn)傳來(lái)的實(shí)時(shí)數據，10分鐘內完成安裝，可以方便進(jìn)行通訊距離，可靠性等評估；

　　模塊級別外置微控制器開(kāi)發(fā)：

　　使用自己選擇的微控制器接口 標準產(chǎn)品模塊，采用ZIGBEE模塊開(kāi)放系統,在A(yíng)T命令級別進(jìn)行自己的軟件開(kāi)發(fā)，下面是外置8051和STM32兩種ZIGBEE模塊開(kāi)發(fā)平臺，軟件支持KEIL 8051和STM32位平臺。見(jiàn)圖五

圖五 外置8位和32位微控制器的ZIGBEE 模塊開(kāi)發(fā)系統

模塊內部軟件開(kāi)發(fā)：
　　
　　將模塊從應用系統或者模塊開(kāi)發(fā)系統20腳插座取下來(lái)，直接插入C51RF－3－PK這樣ZIGBEE開(kāi)發(fā)系統的20腳插座，不需要任何硬件更改，就可以直接采用IAR等軟件開(kāi)發(fā)平臺和TI免費ZIGBEE協(xié)議棧進(jìn)行CC2430內部ZIGBEE協(xié)議棧和應用軟件代碼開(kāi)發(fā)，包括編譯，下載，調試等，實(shí)現單芯片，低成本的高級ZIGBEE應用；

　　從上面的這個(gè)例子我們可以看到，由于ZIGBEE芯片廠(chǎng)家和應用支持廠(chǎng)家大量推出各種標準產(chǎn)品和評估工具，開(kāi)發(fā)系統，開(kāi)放資源的模塊和模塊開(kāi)發(fā)工具，免費ZIGBEE協(xié)議棧等，大大降低了ZIGBEE技術(shù)入門(mén)臺階，目前用戶(hù)可以方便的根據自己的實(shí)際情況，確定進(jìn)入和入門(mén)的方式，輕松開(kāi)始ZIGBEE應用系統設計和輕松將ZIGBEE技術(shù)集成在自己的行業(yè)應用中。