突破瓶頸 輕松設計ZigBee應用系統
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ZigBee聯(lián)盟最近推出了最新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1 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平方英寸大小(隨著(zhù)工藝改進(jìn)還會(huì )越來(lái)越小)，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，可以容易像搭積木一樣，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，也可以使用來(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2 典型的無(wú)線(xiàn)路由器，低功耗節點(diǎn)標準產(chǎn)品
圖3 典型的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品
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