ZigBee技術(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)模式分析

引言
當(dāng)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)線通信技術(shù)，正有力地推動(dòng)著低速率無(wú)線個(gè)人區(qū)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(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用于無(wú)線監(jiān)測(cè)與控制應(yīng)用的全球性無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)調(diào)簡(jiǎn)單易用、近距離、低速率、低功耗(長(zhǎng)電池壽命)且極廉價(jià)的市場(chǎng)定位，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、家庭自動(dòng)化、醫(yī)療護(hù)理、智能農(nóng)業(yè)、消費(fèi)類電子和遠(yuǎn)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)線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在很多相似之處，故很多研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)把它作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信平臺(tái)。目前在藍(lán)牙技術(shù)復(fù)雜，應(yīng)用系統(tǒng)費(fèi)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(yīng)用前景。

1 ZigBee的結(jié)構(gòu)體系
相對(duì)于其他無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，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(jié)構(gòu)由底層硬件模塊、中間協(xié)議層和高端應(yīng)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(shè)備都必須包括底層模塊。它主要由射頻RF(Radio-Frequency)、ZigBee無(wú)線RF收發(fā)器和底層控制模塊組成。
ZigBee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議定義了兩個(gè)物理層(PHY)標(biāo)準(zhǔn)，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(kuò)頻DSSS技術(shù)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式；區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制方式、信號(hào)處理過(guò)程和傳輸速率。
底層控制模塊定義了物理無(wú)線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無(wú)線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)；物理層管理服務(wù)維護(hù)一個(gè)由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)服務(wù)主要包括：激活和休眠射頻收發(fā)器，收發(fā)數(shù)據(jù)，信道能量檢
測(cè)，鏈路質(zhì)量指示和空閑信道評(píng)估。
信道能量檢測(cè)：為網(wǎng)絡(luò)層提供信道選擇依據(jù)。它主要測(cè)量目標(biāo)信道中接收信號(hào)的功率強(qiáng)度，由于這個(gè)檢測(cè)本身不需要進(jìn)行解碼操作，所以檢測(cè)結(jié)果是有效信號(hào)功率和噪聲信號(hào)功率之和。
鏈路質(zhì)量指示：為MAC層或者應(yīng)用層提供接收數(shù)據(jù)幀時(shí)無(wú)線信號(hào)的強(qiáng)度和質(zhì)量信息。與信道能量檢測(cè)不同的是，它要對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼，生成一個(gè)信噪比指標(biāo)。這個(gè)信噪比指標(biāo)和物理層數(shù)據(jù)單元一起提交給上層處理。
空閑信道評(píng)估：判斷信道是否空閑。ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)定義了3種空閑信道評(píng)估模式：第一種是判斷信道的信號(hào)能量，若信號(hào)能量低于某一個(gè)門(mén)限量，則認(rèn)為信道空閑；第二種是判斷無(wú)線信道的特征，這個(gè)特征主要包括兩方面，即擴(kuò)頻信號(hào)和載波頻率；第三種模式是前兩種模式
的綜合，同時(shí)檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)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(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)幀傳輸，而LLC子層在MAC子層的基礎(chǔ)上，在設(shè)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(shù)據(jù)服務(wù)和MAC層管理服務(wù)。前者保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中的正確收發(fā)；后者維護(hù)一個(gè)存儲(chǔ)MAC子層協(xié)議狀態(tài)相關(guān)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。
NWK層：負(fù)責(zé)建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接。它獨(dú)立處理傳人數(shù)據(jù)請(qǐng)求、關(guān)聯(lián)、解除關(guān)聯(lián)和孤立通知請(qǐng)求。
SSCS和IEEE 802.2 LLC：只是ZigBee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中可能的上層協(xié)議.并不在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的定義范圍之內(nèi)。SSCS為IEEE 802.15.4的MAC層接入IEEE802.2標(biāo)準(zhǔn)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)接口訪問(wèn)IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)，為應(yīng)用層提供鏈路層服務(wù)。

1.3 高端應(yīng)用層
高端應(yīng)用層位于ZigBee協(xié)議棧的最上面，主要包括以下5部分：應(yīng)用支持(APS)子層、ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)子層、ZigBee設(shè)備配置(ZDC)子層、應(yīng)用層(APL)和用戶應(yīng)用程序組成。
APS子層：主要提供ZigBee端點(diǎn)接口。應(yīng)用程序?qū)⑹褂迷搶哟蜷_(kāi)或關(guān)閉一個(gè)或多個(gè)端點(diǎn)，并且獲取或發(fā)送數(shù)據(jù)。
ZDO子層：通過(guò)打開(kāi)和處理目標(biāo)端點(diǎn)接口來(lái)響應(yīng)接收和處理遠(yuǎn)程設(shè)備的不同請(qǐng)求。與其他的端點(diǎn)接口不同，目標(biāo)端點(diǎn)接口總是在啟動(dòng)時(shí)就被打開(kāi)并假設(shè)綁定到任何發(fā)往該端口的輸入數(shù)據(jù)幀。
ZDC子層：提供標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee配置服務(wù)，定義和處理描述符請(qǐng)求。遠(yuǎn)程設(shè)備可以通過(guò)ZDO子層請(qǐng)求任何標(biāo)準(zhǔn)的描述符信息。當(dāng)接收到這些請(qǐng)求時(shí)，ZDO會(huì)調(diào)用配置對(duì)象以獲取相應(yīng)的描述符值。
APL層：提供高級(jí)協(xié)議棧管理功能。用戶應(yīng)用程序使用此模塊來(lái)管理協(xié)議棧功能。
用戶應(yīng)用程序：主要包括廠家預(yù)置的應(yīng)用軟件。同時(shí)，為了給用戶提供更廣泛的應(yīng)用，該層還提供了面向儀器控制、信息電器和通信設(shè)備的嵌入式API.從而可以更廣泛地實(shí)現(xiàn)設(shè)備與用戶的應(yīng)用軟件間的交互。

2 ZigBee硬件的實(shí)現(xiàn)
隨著ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布.世界各大無(wú)線芯片生產(chǎn)廠商陸續(xù)推出了支持ZigBee的節(jié)點(diǎn)模塊。圖2為ZigBee單芯片硬件模塊結(jié)構(gòu)圖。微處理器通過(guò)SPI總線和一些離散控制信號(hào)與RF收發(fā)器相連。微處理器充當(dāng)SPI主器件，而RF收發(fā)器充當(dāng)從器件。控制器實(shí)現(xiàn)了IEEE 802.15.4 MAC子層和ZigBee協(xié)議層，還包含了特定應(yīng)用的邏輯，并且使用SPI總線與RF收發(fā)器交互。

圖2 ZigBee單芯片硬件模塊結(jié)構(gòu)圖
總結(jié)起來(lái).一個(gè)典型的ZigBee節(jié)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(hào)、控制和協(xié)調(diào)各部分器件的工作，具體地說(shuō).就是負(fù)責(zé)比特流調(diào)制和解調(diào)后的所有比特級(jí)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(shè)備的核心，任何ZigBee設(shè)備都要有射頻收發(fā)器。它與用于廣播的普通無(wú)線收發(fā)器的不同之處在于體積小，功耗低.支持電池供電的設(shè)備。射頻收發(fā)器的主要功能包括：信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)、信號(hào)的發(fā)送和接收，以及幀定時(shí)恢復(fù)等。
• 一根天線，可以是PCB上的引線形成的天線或單根天線。近程通信中最常用的天線有單極天線、螺旋形天線和環(huán)形天線。對(duì)于低功耗應(yīng)用，建議使用范圍最佳且簡(jiǎn)單的1／4波長(zhǎng)單極天線。天線必須盡可能靠近集成電路連接。如果天線位置遠(yuǎn)離輸入引腳.則必須與提供的傳輸線匹配(50Ω)。

Freescale公司推出的ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊的應(yīng)用模型如圖3所示。

3 CC2420無(wú)線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)線收發(fā)芯片，可快速應(yīng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理
CC2420的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(hào)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(hào)的同相分量和正交分量。兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波和放大后，直接通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。后繼的處理(如自動(dòng)增益控制、最終信道選擇、解調(diào)以及幀同步等)，都是以數(shù)字信號(hào)形式處理的。

CC2420發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，使用直接正交上變頻?；鶐盘?hào)的同相分量和正交分量直接被D／A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，通過(guò)低通濾波器后，直
接變頻到設(shè)定的信道上。
CC2420射頻信號(hào)的收發(fā)采用差分方式傳送，其最佳差分負(fù)載是(115+j180)Ω，阻抗匹配電路應(yīng)該根據(jù)該數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。如果使用單端天線，則需要使用平衡／非平衡阻抗轉(zhuǎn)換電路(BALUN，巴倫電路)，以達(dá)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(shù)據(jù)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(nèi)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(nèi)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(yīng)該在4O1O-6以內(nèi)。圖5給出了CC2420應(yīng)用電路的一個(gè)實(shí)例。

3.2 基本功能及應(yīng)用
CC2420工作于全球統(tǒng)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(dá)250 kbps；采用了直接序列擴(kuò)頻方式，抗噪聲干擾能力強(qiáng)；用硬件實(shí)現(xiàn)了IEEE 802.15.4的MAC子層基于128位的AES數(shù)據(jù)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、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(diào)試；MAC子層支持信息包處理、數(shù)據(jù)緩存、突發(fā)傳輸、地址識(shí)別、信道能量檢測(cè)、鏈路質(zhì)量指示和空閑信道評(píng)估等功能，從而可減輕主控制器負(fù)擔(dān)，且可與低成本的控制器配合使用。CC242O單芯片適合于在計(jì)算機(jī)遙測(cè)遙控、家庭及樓宇自動(dòng)化、消費(fèi)類電子、汽車儀表數(shù)據(jù)讀取等無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射／接收系統(tǒng)中使用。

ZigBee技術(shù)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低的無(wú)線通信技術(shù)，它使得在低電能和低吞吐量的應(yīng)用環(huán)境中使用無(wú)線連接成為可能。本文所描述的ZigBee技術(shù)硬件實(shí)現(xiàn)模式分析，只是ZigBee核心技術(shù)中的一小部分，隨著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(zhuǎn)移到應(yīng)用的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)、互聯(lián)互通測(cè)試和市場(chǎng)推廣等方面。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，會(huì)有越來(lái)越多的ZigBee設(shè)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。