ZigBee成為2006年最熱的短距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)

市場(chǎng)上推行一種的新的技術(shù)或標準所需的時(shí)間似乎總是比預期的更長(cháng)。實(shí)際上，從概念提出到實(shí)際采納所需的時(shí)間常常要好幾年之久。ZigBee也不例外。幾年來(lái)，無(wú)線(xiàn)技術(shù)的追隨者們已經(jīng)聽(tīng)聞了業(yè)界在開(kāi)發(fā)ZigBee標準及其應用上所付出的巨大努力。

現在，隨著(zhù)ZigBee硬件和軟件都已在市場(chǎng)上出現，我們可以預期今年市場(chǎng)上將出現真正的ZigBee產(chǎn)品。盡管其整個(gè)開(kāi)發(fā)周期比藍牙和Wi-Fi要短，但為了達到這一目標業(yè)界付出了巨大的努力。今天，對于那些一直等待著(zhù)想把無(wú)線(xiàn)功能添加到他們設計中的設計工程師而言，ZigBee已經(jīng)準備就緒。

先讓我們看看藍牙技術(shù)成功所需的時(shí)間?，F在，藍牙應用廣泛，如手機、耳機、膝上型電腦、PDA以及外圍設備。它已變得如此常見(jiàn)，以至于它已被當作理所當然之事，這也是一種技術(shù)成功的標志。

藍牙特別興趣小組(SIG)執行董事Mike Foley博士表示，迄今已有超過(guò)5億塊藍牙芯片出貨，目前的出貨量為每周950萬(wàn)塊。ZigBee會(huì )有如此之大的市場(chǎng)潛力嗎？ZigBee聯(lián)盟董事長(cháng)Bob Heile的答案是肯定的。事實(shí)上，ZigBee的總體潛力可能更大。

圖1：ZigBee標準覆蓋了協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )層和安全層，以及應用框架和規范。

IEEE 802.15.4標準101

ZigBee是用于個(gè)人區域網(wǎng)(PAN)的短程無(wú)線(xiàn)技術(shù)的綽號，它基于ZigBee聯(lián)盟開(kāi)發(fā)的IEEE 802.15.4標準及其指導方針。

IEEE標準定義了無(wú)線(xiàn)電的物理層(PHY)和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層(MAC)層。ZigBee標準則對此進(jìn)行了有效的擴展，覆蓋了協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )層和安全層，以及應用框架和規范(圖1)。ZigBee聯(lián)盟也已確定了測試和驗證計劃以保證不同ZigBee供應商之間的互操作性。

802.15.4標準定義了三個(gè)開(kāi)放(FCC Part 15)工作頻段：868MHz、915MHz、2.4GHz。868MHz頻段用于歐洲，915MHz頻段用于美國，2.4GHz則全球通用。因此大多數供應商會(huì )為了達到最大批量選擇2.4GHz頻段也就不足為奇。

802.15.4的數據速率比大多數其它無(wú)線(xiàn)標準的都要低：868MHz頻段為20kbps，915MHz頻段為40kbps，2.4GHz頻段為250kbps。但對監控和控制應用而言，這些低數據速率也已足夠快了。868MHz和915MHz無(wú)線(xiàn)電使用直接序列擴頻技術(shù)(DSSS)和二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)調制技術(shù)。2.4GHz無(wú)線(xiàn)電使用DSSS和偏移正交相移鍵控(O-QPSK)。

802.15.4標準的其它性能還包括接收器能量檢測、鏈路質(zhì)量指示和空閑信道評估(CCA)。它支持競爭式和無(wú)競爭的訪(fǎng)問(wèn)方式。最大數據包為128字節，包括達104字節的可變有效載荷(payload)。此外，802.15.4標準還采用64位和16位地址，每個(gè)網(wǎng)絡(luò )可支持多達65,000以上的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。

MAC可以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )聯(lián)合和網(wǎng)絡(luò )分離。它包含具有時(shí)間同步信標的可選超級幀結構。而且，它的保證時(shí)間槽機制支持更高優(yōu)先級別的通信。這種訪(fǎng)問(wèn)方法是免碰撞的載波偵聽(tīng)多址訪(fǎng)問(wèn)(CSMA-CA)。

此外，802.15.4標準無(wú)線(xiàn)技術(shù)在給定信噪比(SNR)下，誤碼率(BER)是最低的。ZigBee很容易擊敗藍牙、Wi-Fi甚至ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫療)頻段頻移鍵控(FSK)。在可靠性方面，你也很難找到有什么技術(shù)能夠超越ZigBee。

圖2：對于簡(jiǎn)單的系統來(lái)說(shuō)，目前最流行的方法是星型拓樸結構。

ZigBee增加了聯(lián)網(wǎng)功能

ZigBee標準基于802.15.4堆協(xié)議棧而建立，定義了設備如何聯(lián)網(wǎng)。它支持三種主要的自組織無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型，即星型結構、網(wǎng)狀結構(Mesh)和簇狀結構(Cluster tree)。

這些拓撲結構支持三類(lèi)節點(diǎn)。第一種是ZigBee協(xié)調器(ZigBee Coordinator，ZC)，它可用于初始化網(wǎng)絡(luò )信息。每個(gè)網(wǎng)絡(luò )只有一個(gè)ZC。第二個(gè)是ZigBee路由器(ZigBee Router，ZR)，它起監視或控制作用，但它也是用跳頻方式傳遞信息的路由器或中繼器。第三是ZigBee終端設備(ZigBee End Device，ZED)，它只有監視或控制功能，不做路由或中繼之用。

在IEEE標準中，ZED被稱(chēng)為精簡(jiǎn)功能設備(Reduced-Function Device，RFD)，ZC和ZR節點(diǎn)稱(chēng)作全功能設備(full-function device，FFD)。每一個(gè)節點(diǎn)都包含具有IEEE和ZigBee協(xié)議堆棧以及最小的RAM和ROM的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器再加上一個(gè)嵌入式控制器。

這些電池供電單功能設備的主要功能是發(fā)送來(lái)自傳感器的數據或接收來(lái)自主控制器的指令。FFD的功能更強大，具有額外的存儲器。它們可以用作中繼器或網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器。ZC和ZR可以與另一個(gè)ZC和ZR或任一ZED通話(huà)，但ZED只能和ZC或ZR通話(huà)。

對簡(jiǎn)單系統(圖2)來(lái)說(shuō)，最流行的方法是星型拓撲結構。它以一個(gè)FFD為中心，四周有多個(gè)RFD。但使ZigBee的優(yōu)勢得到充分發(fā)揮的是網(wǎng)狀結構，在這種結構中，多個(gè)節點(diǎn)可彼此間進(jìn)行短距通話(huà)(圖3)。而且每一個(gè)節點(diǎn)還能用作其它節點(diǎn)的中繼器。如果某個(gè)節點(diǎn)距離目標節點(diǎn)太遠，則信息可經(jīng)由兩個(gè)作為中繼器的其它節點(diǎn)發(fā)送。

這種功能極大地延伸了任何給定節點(diǎn)的覆蓋距離，超出了無(wú)線(xiàn)電傳播物理學(xué)所允許的正常視距(line-of-sight)范圍。而且，即使某個(gè)節點(diǎn)傳送失敗，信息仍然能夠通過(guò)網(wǎng)格中的其它網(wǎng)絡(luò )路徑被傳送出去，從而使通信更為可靠。

由于ZigBee網(wǎng)絡(luò )是自組織的，并能實(shí)現自我功能恢復，故非常具有吸引力。節點(diǎn)搜索其它節點(diǎn)，并利用軟件“選中”某個(gè)節點(diǎn)后進(jìn)行自動(dòng)鏈接。它指定地址，提供路由表以識別已經(jīng)證實(shí)的通信伙伴。在安全性方面，ZigBee采用AES-128加密技術(shù)來(lái)提供認證和加密。

盡管802.15.4和ZigBee標準本身都具有聯(lián)網(wǎng)能力，但是由應用來(lái)定義總體功能的。應用是根據某種特定需要或規范(如用于藍牙中的)而被執行的。一種規范定義某一特定應用(如傳感器網(wǎng)絡(luò )或工業(yè)控制)的節點(diǎn)行為。ZigBee聯(lián)盟已經(jīng)完成了一項家庭照明和控制規范。目前要開(kāi)發(fā)用于構建監控及控制、安全、自動(dòng)抄表(AMR)、工業(yè)機械和處理監控、ZigBee網(wǎng)關(guān)及其它領(lǐng)域的應用規范尚有困難。

ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )是專(zhuān)為活動(dòng)時(shí)間低于1%的低占空比應用而設計的。傳感器網(wǎng)絡(luò )是最常見(jiàn)的實(shí)例。其它的還包括照明控制、安全系統和AMR。由于占空比很低，節點(diǎn)能夠采用電池供電，且電池壽命可達好幾年。

沒(méi)有進(jìn)行發(fā)射時(shí)，節點(diǎn)進(jìn)入耗電僅為數微安的睡眠模式。在大約15微秒后，節點(diǎn)能夠喚醒。傳感器節點(diǎn)可被周期性詢(xún)問(wèn)，或者在編程時(shí)它們也能自己?jiǎn)拘?。鑒于ZigBee具有低功率特性，且電池壽命高達數年，它適用于某些其它無(wú)線(xiàn)技術(shù)根本無(wú)法適應的應用。

如果你期望利用網(wǎng)狀無(wú)線(xiàn)結構的優(yōu)勢，ZigBee是一個(gè)絕佳的選擇。它把網(wǎng)狀結構設計和軟件開(kāi)發(fā)所需數量減至最少。

圖3：在網(wǎng)狀結構中，多個(gè)節點(diǎn)可彼此間進(jìn)行短距離通話(huà)。

ZigBee應用

這么說(shuō)吧，ZigBee能夠用于藍牙、Wi-Fi、超寬帶(UWB)、手機及其它無(wú)線(xiàn)技術(shù)不能覆蓋的大部分應用領(lǐng)域。

ZigBee所具有的低成本、低功率、小尺寸以及保證的互操作能力等特性，都對那些希望將其產(chǎn)品的某些部分無(wú)線(xiàn)化的工程師們充滿(mǎn)了誘惑力。而且，利用完全定義的標準和可獲得的軟硬件，可以相當輕松容易地增添ZigBee無(wú)線(xiàn)技術(shù)。無(wú)線(xiàn)技術(shù)的“即剝即貼(peel and stick)”階段已經(jīng)準備就緒。

對產(chǎn)業(yè)而言，關(guān)鍵的是首先要處理最被關(guān)注的最具批量潛力的應用。一旦應用數量很大(正如藍牙在手機中的應用情況)，ZigBee模塊成本下降，低于5美元將成為現實(shí)，然后ZigBee就能進(jìn)入其它眾多的小批量應用。

最具潛力的部分是家庭自動(dòng)化產(chǎn)品。業(yè)內已經(jīng)確定了200多種可能的家庭無(wú)線(xiàn)應用，建立了使ZigBee能夠在無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域稱(chēng)霸所需的數量。但由于消費者企盼的是最便宜最易于使用的產(chǎn)品，各大公司仍繼續謹慎以待。

至今，這一產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域在ZigBee應用名單上仍處于首要位置，尤其是用于建立監控及控制和AMR的產(chǎn)品。測試、確認和改進(jìn)工業(yè)用/商用ZigBee將實(shí)現更好的家用產(chǎn)品。的確，應用是無(wú)限的。

利用ZigBee進(jìn)行設計

假設你要進(jìn)行一個(gè)無(wú)線(xiàn)應用設計，首要任務(wù)是決定采用哪一種技術(shù)。成本、可行性、速度、覆蓋范圍以及功耗等都必須考慮到。但不用忘記把上市時(shí)間和你能支配的工程資源也計入其內，其中主要是無(wú)線(xiàn)技術(shù)專(zhuān)業(yè)能力和軟件開(kāi)發(fā)能力。目前有6項技術(shù)選擇：

紅外技術(shù)(IR)：這是所有技術(shù)中成本最低的，但它的工作距離也最短，只能在視距以?xún)?，而且中間不能有障礙物。其數據率為16Mbps。

ISM無(wú)線(xiàn)技術(shù)：這些價(jià)廉的芯片工作在315、433和902到928MHz頻段。還有大量同樣價(jià)廉的模組，但沒(méi)有標準協(xié)議。對真正的簡(jiǎn)單應用而言，這是最佳選擇。

藍牙技術(shù)：這種快速(達3Mbps)低成本技術(shù)的典型使用距離在10到100米間。它已高度成熟，具有多種規范，并能提供PAN ad-hoc(非網(wǎng)狀結構)聯(lián)網(wǎng)能力。

Wi-Fi：也叫做802.11a/b/g，它的應用領(lǐng)域廣泛。盡管比較昂貴，但Wi-Fi具有達54Mbps的極高數據率和最大的覆蓋范圍(100米)。Wi-Fi收發(fā)器的功耗較大，集成到網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )也比較困難。

ZigBee：這是最新技術(shù)。它選擇了低數據率(至250kbps)來(lái)?yè)Q取極低功耗和固有網(wǎng)狀能力。目前正式規范尚未出籠，但已在開(kāi)發(fā)之中。隨著(zhù)批量的逐步增加，其價(jià)格將下降。在所有無(wú)線(xiàn)技術(shù)中，它的潛力最大。

UWB：超寬帶現在已有芯片和模組產(chǎn)品。它的速度極高(100到480Mbps)，但覆蓋距離很短(小于10米)，這決定了它往往被用作消費產(chǎn)品中的視頻和高速數據(USB)解決方案。目前沒(méi)有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )能力。

通過(guò)使用無(wú)線(xiàn)中繼以更低的成本提供更長(cháng)的覆蓋距離，網(wǎng)狀結構網(wǎng)絡(luò )大大擴展了你的無(wú)線(xiàn)可能性。網(wǎng)狀結構還有一個(gè)主要的優(yōu)勢，即可靠性。它解決了和無(wú)線(xiàn)技術(shù)采用有關(guān)的許多問(wèn)題。順便提一句，只有在ZigBee提供網(wǎng)狀結構時(shí)，才有這一優(yōu)點(diǎn)。

如果選用了ZigBee，你的下一個(gè)選擇就是頻段。在歐洲，只有一個(gè)選擇，即868MHz。在美國以及全球其它地區，2.4GHz頻段是最有用的，也是最多芯片和模塊工作的頻段。

現在只有少數915MHz模組可用，但它們的優(yōu)點(diǎn)是覆蓋距離較長(cháng)(戶(hù)外達1,000米)，而且對墻等障礙物的穿透力更強。ZigBee在2.4GHz頻段下的戶(hù)外最大覆蓋距離為400米，室內最大覆蓋距離在30米左右。它能穿透一層混凝土墻壁，但無(wú)法穿透兩層。

如果你對你的無(wú)線(xiàn)設計能力和編程能力感到放心，你可以購買(mǎi)自己的芯片然后繼續進(jìn)行下去。不要忘記需要一根好天線(xiàn)。這時(shí)，參考設計也很有幫助。ZigBee聯(lián)盟已認可了6種ZigBee兼容開(kāi)發(fā)平臺，并將推出更多。

由于芯片設計與IEEE 802.15.4和ZigBee聯(lián)盟標準的關(guān)系如此緊密，設計特性和規范非常類(lèi)似。你如何進(jìn)行區分呢？除了良好的參考設計和開(kāi)發(fā)平臺之外，還要選擇象高接收器靈敏度(為了實(shí)現更大的覆蓋距離和更高的可靠性)和睡眠電流消耗(為了實(shí)現較長(cháng)的電池壽命)等規范。

若你希望規避設計中的整個(gè)無(wú)線(xiàn)部分，可以選擇完整的模組。許多公司都在印制電路板上或在機箱或道爾芯片(dongle)中安裝有完整的封裝好的模塊，包括天線(xiàn)在內。要使用這種模塊，你所需做的只是把電池和用于監控應用的傳感器連接起來(lái)，或者是把電池和控制應用中的激勵器連接在一起。

在這一點(diǎn)上，你的設計涉及了程序編寫(xiě)或針對你的特定應用的代碼。請記住大多數芯片和模塊供應商都提供相應的軟件開(kāi)發(fā)平臺。此外，對流行應用而言，第三方軟件也正變得越來(lái)越普遍，尤其是傳感器網(wǎng)絡(luò )和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )。

ZigBee的未來(lái)發(fā)展

正如大多數無(wú)線(xiàn)技術(shù)，ZigBee也有一個(gè)發(fā)展藍圖。雖然我們中的大多數都沒(méi)有參與制定未來(lái)計劃，但我們可以根據慣例、暗示和常識來(lái)猜測在這個(gè)藍圖上有些什么。

首先，我們預計聯(lián)盟將開(kāi)發(fā)出更多的規范。也將有更多的產(chǎn)品面世，主要是軟件，可加快你的開(kāi)發(fā)速度。在硬件方面，我們也許能預期在未來(lái)某個(gè)時(shí)候會(huì )推出更高速度的版本。但目前對大多數應用來(lái)說(shuō)，速度還不成其為主要問(wèn)題。不過(guò)通過(guò)對調制進(jìn)行修整，設計人員應該能夠把現在的250kbps速度提高到兩倍。

最后，允許移動(dòng)應用的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)變革正在進(jìn)行中。目前的ZigBee也許能夠處理10到15mph(每小時(shí)所行駛之英里數)的一般移動(dòng)速度。但如果移動(dòng)節點(diǎn)需要100mph的速度，就需要對技術(shù)進(jìn)行變革，比如在RFID或其它移動(dòng)應用中。