新型低功耗無線標(biāo)準(zhǔn)-ZigBee

　 越來越多的有線數(shù)據(jù)傳輸正在被無線解決方案取代。對(duì)用戶而言，線纜的棄用不僅帶來了更多方便，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(yīng)用中，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的安裝和改造成本是重要的考量因素。當(dāng)從有線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)向無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，通常節(jié)點(diǎn)也要從有線電源轉(zhuǎn)向電池供電。在無線網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功耗便成為一個(gè)重要因素。因此，超低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)變得至關(guān)重要，特別是在無線傳感器節(jié)點(diǎn)許多年內(nèi)只使用一節(jié)電池供電的情況下。

　　如果確定要使用無線網(wǎng)絡(luò)，那么第一步就是要選擇現(xiàn)有無線標(biāo)準(zhǔn)或?qū)嵤Ｓ薪鉀Q方案，并在內(nèi)部完成全面系統(tǒng)開發(fā)。這兩種方法各有利弊：

　　* 專有解決方案

　　o 優(yōu)點(diǎn)：硬件靈活性高且成本低，因?yàn)閮H需實(shí)現(xiàn)必要的功能。

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

　　* 標(biāo)準(zhǔn)解決方案

　　o 優(yōu)點(diǎn)：開發(fā)時(shí)間短，因?yàn)橐延鞋F(xiàn)成的軟件堆棧且經(jīng)過了多個(gè)用戶測試。與其他廠商的產(chǎn)品相兼容。

　　o 缺點(diǎn)：通常，標(biāo)準(zhǔn)的軟件部分為非必須的且在應(yīng)用中未予以使用。這就增加了軟件和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)所需的存儲(chǔ)器容量。

　　得到廣泛認(rèn)可的無線標(biāo)準(zhǔn)有多種，且每一種都針對(duì)某特定應(yīng)用領(lǐng)域。例如目前大家熟悉的 Wi-Fi/802.11和藍(lán)牙RF標(biāo)準(zhǔn)，前者適用于相對(duì)較短距離和中等功耗的高速傳輸。可用于PC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(jī)、PC外設(shè)、PDA以及移動(dòng)電話連接。

　　在大多數(shù)控制應(yīng)用中，這些標(biāo)準(zhǔn)都不是很理想。例如，就傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，利用一節(jié)小電池就可使器件工作多年的超低功耗最為關(guān)鍵。高數(shù)據(jù)速率并非必需，因?yàn)樾枰獋鬏數(shù)闹挥袠O少數(shù)控制指令和某些測量值。

　　IEEE 802.15.4——ZigBee的基礎(chǔ)

　　因此，對(duì)于傳感器和控制應(yīng)用而言，Wi-Fi/802.11和藍(lán)牙并非是最佳解決方案。也正因如此，業(yè)內(nèi)開發(fā)了IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，并于2003年10月推出。2006年6月，IEEE 802.15.4-2006 （Rev B）獲得通過。該標(biāo)準(zhǔn)不但描述了個(gè)域網(wǎng)（PAN）中的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，而且還定義了面向低功耗、低速度及可靠RF傳輸?shù)腜HY和MAC層。一般室內(nèi)的傳輸距離從10到30米不等，在室外最大傳輸距離可達(dá)150 米。取決于具體應(yīng)用不同，電池使用壽命可長達(dá)數(shù)年。

　　圖 1 免費(fèi)頻段的全球分配情況

　　在實(shí)施無線傳輸以前，還必要對(duì)傳輸頻率進(jìn)行定義。圖1顯示了當(dāng)今全球頻率的分配情況。全球各地區(qū)低于1GHz的頻率使用情況不盡相同。在歐洲，433MHz和868MHz均為免費(fèi)使用，而在美國，免費(fèi)使用的頻段為315MHz和915MHz。只有2.4GHz 頻段（Wi-Fi和藍(lán)牙也使用該頻段）在全球免費(fèi)使用。此外，就868MHz和915MHz而言，可以使用相同的天線。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(yùn)行在868MHz或915MHz上的全球解決方案也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。在這種情況下，必須要確保將運(yùn)行頻率轉(zhuǎn)換至設(shè)備運(yùn)行地區(qū)所允許的頻段范圍。這會(huì)增加成本，因?yàn)楸仨氁l(fā)布兩個(gè)不同的固件版本。

　　IEEE 802.15.4專門針對(duì)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(qū)）

　　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(xiàn)可靠、低成本、低功耗、無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控并推出基于開放性全球標(biāo)準(zhǔn)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(jī)、摩托羅拉、飛利浦、三星、施耐德電氣、意法半導(dǎo)體、西門子以及TI等公司。該聯(lián)盟擁有超過200家成員，并且這一數(shù)字還在不斷增長。該聯(lián)盟定義了ZigBee棧：是在IEEE 802.15.4 PHY和MAC之上的一種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧。ZigBee的目標(biāo)應(yīng)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(bào)、安全

　　o 白家電健康狀態(tài)監(jiān)控

　　* 商業(yè)樓宇自動(dòng)化

　　o 采暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）

　　o 能量管理

　　o 警報(bào)、安全

　　* 工業(yè)自動(dòng)化

　　* 住院和病患護(hù)理

　　* 資產(chǎn)跟蹤/有源 RFID

　　* 無線傳感器網(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(duì)點(diǎn)通信協(xié)議之上的ZigBee棧，使ZigBee節(jié)點(diǎn)的個(gè)域網(wǎng)（PAN）實(shí)現(xiàn)成為可能?？梢圆捎眯切尉W(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌ㄕ?qǐng)參見圖2）、樹形或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌ㄕ?qǐng)參見圖3）。每一個(gè)ZigBee PAN 都需要一個(gè)PAN協(xié)調(diào)器設(shè)備。PAN 協(xié)調(diào)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(diào)器通常還具有數(shù)據(jù)包路由功能。在樹形和網(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(jié)點(diǎn)。這些路由器節(jié)點(diǎn)可將接收到的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至下一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)，并通過完整的ZigBee網(wǎng)絡(luò)以這種方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包從發(fā)送者到接收者的跳轉(zhuǎn)。

　　ZigBee終端設(shè)備僅與其母節(jié)點(diǎn)（PAN協(xié)調(diào)器或路由器）進(jìn)行通信。這些終端設(shè)備的功能相對(duì)較少，因?yàn)樗鼈儾恍枰酚晒δ堋＞喒δ茉O(shè)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM以及閃存要求也大大降低。這就使得通常是ZigBee節(jié)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(shè)計(jì)，因?yàn)樵诖蟛糠謺r(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(shè)備需要始終謹(jǐn)記，其必須要接收一個(gè)數(shù)據(jù)包。

　　ZigBee使用16位節(jié)點(diǎn)尋址，理論上允許一個(gè)PAN中有近2^16個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)的數(shù)量受數(shù)據(jù)包延遲限制。就星形網(wǎng)絡(luò)而言，《2000個(gè)節(jié)點(diǎn)最為合適。

　　談及 ZigBee，一種比較簡單的情況就是開啟和關(guān)閉燈具的照明開關(guān)。照明開關(guān)可以是一個(gè)RFD且連續(xù)處于深睡眠模式。如果按下照明開關(guān)上的按鈕，則微控制器被喚醒，開啟射頻并將要求的數(shù)據(jù)包發(fā)送至其母設(shè)備（路由器或PAN協(xié)調(diào)器），等待數(shù)據(jù)包確認(rèn)并返回到睡眠模式。然后，該網(wǎng)絡(luò)將開始傳輸數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包最終跳轉(zhuǎn)至目標(biāo)地址—— 燈具。路由器和PAN協(xié)調(diào)器必須始終清楚會(huì)有一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)。因此，這些節(jié)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，則不存在功耗問題。

　　底層的PHY和MAC均由IEEE？802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義。上述所有層均由 ZigBee定義。PHY和MAC實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。ZigBee NWK（網(wǎng)絡(luò)）層進(jìn)行數(shù)據(jù)包路由，并將接收到的數(shù)據(jù)包發(fā)送至下一個(gè)ZigBee 節(jié)點(diǎn)，或?qū)⑵滢D(zhuǎn)發(fā)至APS（應(yīng)用支持子層）。然后，APS將處理ZigBee節(jié)點(diǎn)內(nèi)針對(duì)某個(gè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)包。具有射頻功能的一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)可處理若干個(gè)應(yīng)用，以開關(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來決定哪些應(yīng)用是數(shù)據(jù)包的終點(diǎn)。首先，ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）有助于應(yīng)用軟件和ZigBee堆棧軟件的協(xié)同運(yùn)行。一旦做出決定，還可集成一個(gè)安全服務(wù)以實(shí)現(xiàn)安全的數(shù)據(jù)傳輸。

　　ZigBee配置文件

　　只有所有的ZigBee符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)配置文件之一，才能實(shí)現(xiàn) ZigBee產(chǎn)品的廠商的獨(dú)立兼容性。ZigBee 聯(lián)盟將配置文件定義為一種可確保應(yīng)用級(jí)互操作性的方法。

　　除協(xié)議之外，配置文件還對(duì)發(fā)送至其他設(shè)備的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行了定義，例如，哪個(gè)數(shù)據(jù)內(nèi)容將開啟燈具，哪個(gè)數(shù)據(jù)內(nèi)容又將燈具關(guān)閉。配置文件中的定義為：獨(dú)特的配置文件ID；設(shè)備類型；報(bào)文格式、內(nèi)容編碼以及集群解釋。

　　已經(jīng)定義的標(biāo)準(zhǔn)配置文件為：“家庭自動(dòng)化”（自2006年9月開始，不再后向兼容以前的“家庭控制——照明”）；“工業(yè)廠房監(jiān)控”（自2006年第四季度開始）；包括HVAC在內(nèi)的“商用樓宇自動(dòng)化”（自2007年第一季度開始）。

　　其他更多的標(biāo)準(zhǔn)配置文件尚在討論之中，如自動(dòng)抄表、醫(yī)療保健等。專有配置文件可由客戶來定義，但是這會(huì)限制共享該配置文件設(shè)備的應(yīng)用互操作性。專用配置文件并不排斥網(wǎng)絡(luò)級(jí)互操作性。

　　為了確保新開發(fā)的終端設(shè)備符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)以及標(biāo)準(zhǔn)配置文件之一，必須要進(jìn)行ZigBee一致性認(rèn)證測試。一旦順利通過測試，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發(fā)工具而被熟知。自2006年起，該16位微控制器實(shí)現(xiàn)了架構(gòu)升級(jí)，現(xiàn)在該微控制器具有高達(dá)120k的閃存以及高達(dá)10k的RAM存儲(chǔ)器。具有高于60k閃存的 MSP430派生產(chǎn)品系列即將推出。MSP430架構(gòu)升級(jí)與現(xiàn)有的MSP430版本100%二進(jìn)制后向兼容，并且仍然使用線性內(nèi)存尋址范圍。該解決方案實(shí)現(xiàn)了眾所周知的易用性架構(gòu)與現(xiàn)有MSP430編碼100%重復(fù)使用性的結(jié)合。

　　此外，TI 還推出了首款符合 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器 CC2420。該 2.4？GHz 收發(fā)器被廣泛用于 ZigBee 社區(qū)，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(tǒng)（ 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(biāo)準(zhǔn)，并提供了許多靈活的用戶可選選項(xiàng)。

　　結(jié)論

　　ZigBee 是一種基于開放性全球標(biāo)準(zhǔn)、針對(duì)低功耗、無線網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控及控制產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)憑借經(jīng)過測試的軟硬件確保了快速的開發(fā)時(shí)間。廠商互操作性是符合 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品的另一個(gè)優(yōu)勢?，F(xiàn)在開始供應(yīng) ZigBee 硬件和軟件。