如何突破瓶頸 輕松設計ZIGBEE應用系統(tǒng)

　　當前，華爾街的金融風暴來勢兇猛，許多技術領域都感到陣陣寒風，然而，具有綠色特點和節(jié)能特征的ZIGBEE技術，卻在這波風暴中，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，在自動跳頻處理，可靠網(wǎng)狀網(wǎng)絡多路徑自動路由選擇，大型復雜網(wǎng)絡，網(wǎng)絡安全等方面，取得了突破進展，使無線網(wǎng)絡功耗更低，運行更可靠；以TI/CHIPCON為代表的一批廠家，也陸續(xù)推出了完全免費的ZIGBEE協(xié)議棧和一大批新的無線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技術的產(chǎn)品化和實用化的步伐，使ZIGBEE技術以越來越快的速度，開始融入我們生活的方方面面，也越來越快的進入各行各業(yè)，在節(jié)能，環(huán)保，數(shù)字家庭，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，工業(yè)自動化，健康照顧等等領域，大顯神通；據(jù)有關市場研究機構估計，到2010年，全球將會銷售多達5億8千萬片ZIGBEE芯片。

　　一、突破ZIGBEE應用系統(tǒng)設計的瓶頸

　　ZIGBEE技術是建立在IEEE802.15.4國際標準上的一種自組織無線網(wǎng)絡技術，主要的硬件基礎是一個符合IEEE802.15.4國際標準硬件收發(fā)器和一個微控制器（可以是任何8、16、32位內(nèi)核的微控制器，國內(nèi)也稱為單片機），軟件主要是運行于單片機內(nèi)部的一套軟件，稱為ZIGBEE協(xié)議棧。

　　對于一個實際ZIGBEE應用系統(tǒng)的設計，設計者主要面對的技術難點有三個，通訊距離，高頻設計技術和無線軟件技術，這也是ZIGBEE技術走向應用的主要瓶頸。

　　1、通訊距離問題，由于一般的ZIGBEE前端RF部分輸出大部分只有0DBM,點對點開闊地帶 實際通訊距離只有幾十米，如果加上環(huán)境和阻擋因數(shù)，通訊距離還會縮水。雖然可以通過中繼路由來解決，都是很多應用還是有困難，像無線點菜系統(tǒng)，棉田滴灌系統(tǒng)，安防系統(tǒng)，樓宇監(jiān)控，醫(yī)院應用，糧庫監(jiān)控，電力線監(jiān)控，井下定位等等，都需要比較長的通訊距離才可以滿足需要；

　　2、ZIGBEE芯片工作在2.4GHZ和900MHZ的高頻率,硬件設計不可能繞開高頻設計和調試，需要的高頻設備如頻譜分析儀等，價格較高，也構成了一定技術門檻；

　　3、為了實時處理復雜的無線網(wǎng)絡管理和路由，ZIGBEE軟件協(xié)議棧代碼比較復雜，同時涉及比較多的無線技術知識背景，掌握這些無線軟件需要比較多的時間，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，也加長了開發(fā)和調試周期；

　　這些瓶頸，早已經(jīng)被相關廠家所重視，目前我們看到，很多廠家已經(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(nèi)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，實現(xiàn)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)絡通訊距離可以輕易在點對點開闊地帶通訊距離可以達到600米以上， 通過ZIGBEE網(wǎng)狀網(wǎng)絡的自動中繼路由 ，可以容易實現(xiàn)微功耗下數(shù)十公里的網(wǎng)絡 通訊和無線傳感器網(wǎng)絡。

　　由于大量模塊化產(chǎn)品的出現(xiàn)，也就同時解決了第二個應用瓶頸，這些模塊只有大約1平方英寸大小（隨著工藝改進還會越來越?。?，可以使用AA電池供電，也非常容易集成到用戶系統(tǒng)中去；對于用戶使用而言，從模塊入手，完全避免的高頻設計和調試的問題，可以將自己的主要精力主要集中到自己的應用系統(tǒng)設計。

　　而且由于目前的模塊，大多數(shù)在出廠時也配備了一套ZIGBEE串口通訊協(xié)議，這套協(xié)議將復雜的ZIGBEE應用，轉換為簡單的，具有ZIGBEE網(wǎng)絡功能的AT命令集，例如加入網(wǎng)絡，配置網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)收發(fā)等功能，都可以通過單片機向串口發(fā)送簡單的操作命令來完成，用戶只要會單片機串口編程，無需要深入研究ZIGBEE協(xié)議棧，就可以輕松使用ZIGBEE技術；這樣，就解決了第三個主要的技術瓶頸。

　　二、 標準產(chǎn)品和評估系統(tǒng)加快ZIGBEE應用系統(tǒng)集成

　　通過使用內(nèi)置ZIGBEE網(wǎng)絡功能的長距離微功耗模塊，基本解決了ZIGBEE技術走向實際應用的主要瓶頸，但是，對于系統(tǒng)集成商和應用集成商而言，要在自己熟悉的行業(yè)，將ZIGBEE技術容易的集成到自己的系統(tǒng)中去，還會面臨2個其他方面的困難。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，系統(tǒng)集成商在開始進行評估時，缺乏必要的實際評估系統(tǒng)，所以無法實際觀測和了解ZIGBEE技術實際效果，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(tǒng)如何設計，也心中無數(shù)；

　　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(tǒng)；

　　其實，標準產(chǎn)品，也可以用來作為快速評估系統(tǒng) ， 根據(jù)目前這樣的實際應用需要，不少廠家也陸續(xù)推出了各種ZIGBEE標準產(chǎn)品，包括網(wǎng)關（實現(xiàn)ZIGBEE網(wǎng)絡和GPRS,WI-FI,以太網(wǎng)，藍牙等網(wǎng)絡的互聯(lián)），路由器，低功耗節(jié)點，也推出了各種應用評估系統(tǒng)；圖二和圖三是目前已經(jīng)上市的部分ZIGBEE標準產(chǎn)品：

圖二 典型的無線路由器，低功耗節(jié)點標準產(chǎn)品

圖三 典型的無線網(wǎng)關產(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，在很短時間內(nèi)，對ZIGBEE技術進行現(xiàn)場測試，也很容易將這些標準產(chǎn)品集成到你自己的系統(tǒng)中去，實現(xiàn)一個長距離，微功耗的巨大網(wǎng)狀網(wǎng)絡和各種行業(yè)應用；

　　三、ZIGBEE應用系統(tǒng)設計的層次和實例

　　隨著ZIGBEE技術和無線傳感器網(wǎng)絡技術不斷向更加廣闊的應用領域深入，如果是采用由淺入深的路徑，大概順序如下：

　　1、系統(tǒng)集成，在這個層次，主要是要掌握ZIGBEE技術的應用特征，例如系統(tǒng)可靠性和網(wǎng)絡可靠性，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(tǒng)進行是比較好的進入點；
　　優(yōu)點是：入門需要的時間短，幾個小時或幾天；
　　缺點是：系統(tǒng)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(tǒng)組合設計，這要求對單片機技術比較熟悉，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AT命令集來操作復雜的ZIGBEE無線網(wǎng)絡，由于不需要分析無線協(xié)議棧代碼和進行高頻設計，用戶可以將主要精力集中在自己的應用代碼開發(fā)；
　　優(yōu)點是：入門時間是一星期或更短；（如果能夠使用帶有驅動源代碼的模塊開發(fā)系統(tǒng)，還可以進一步縮短上手時間）；
　　缺點是：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芯片進行自己的ZIGBEE應用系統(tǒng)設計；

　　如果不希望進行高頻設計，可以從模塊開始，直接使用TI等公司提供的ZIGBEE協(xié)議棧源代碼和庫文件，自己進行應用代碼的編寫，然后直接下載到模塊進行調試，由于EZ-Lbee這樣的通用，開放，開源模塊的出現(xiàn)，使這種開發(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開發(fā)系統(tǒng)，進行設計；
　　優(yōu)點是：可以實現(xiàn)單芯片化設計，最終產(chǎn)品成本最低；
　　缺點是：需要對軟件和ZIGBEE協(xié)議棧進行消化和分析，也需要高頻設計方面的知識和經(jīng)驗，需要的時間可能是數(shù)月或更長；

　　當然，我們也可以將上述過程看成一個對ZIGBEE技術逐步深入的過程的不同階段，而這些階段，也是一個入門和熟悉ZIGBEE技術的漸進過程。

　　下面，我們就以一個實際應用系統(tǒng)設計例子，來看看如何實現(xiàn)應用系統(tǒng)評估設計全過程：

　　應用實例：ZIGBEE無線溫度傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)

　　主要功能： 對溫濕度進行無線測量、監(jiān)控、記錄；

　　應用對象：高層字樓、醫(yī)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，濕度進行監(jiān)控，而且布線困難的應用。系統(tǒng)應用框圖（ 圖4）

圖四 ZIGBEE無線溫度傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)

　　應用系統(tǒng)的評估和開發(fā)過程：

　　評估： 采用評估系統(tǒng)，安裝電池，安裝PC監(jiān)控應用軟件，系統(tǒng)自動組網(wǎng)，PC軟件顯示出傳感器節(jié)點傳來的實時數(shù)據(jù)，10分鐘內(nèi)完成安裝，可以方便進行通訊距離，可靠性等評估；

　　模塊級別外置微控制器開發(fā)：

　　使用自己選擇的微控制器接口 標準產(chǎn)品模塊，采用ZIGBEE模塊開放系統(tǒng),在AT命令級別進行自己的軟件開發(fā)，下面是外置8051和STM32兩種ZIGBEE模塊開發(fā)平臺，軟件支持KEIL 8051和STM32位平臺。見圖五

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

模塊內(nèi)部軟件開發(fā)：
　　
　　將模塊從應用系統(tǒng)或者模塊開發(fā)系統(tǒng)20腳插座取下來，直接插入C51RF－3－PK這樣ZIGBEE開發(fā)系統(tǒng)的20腳插座，不需要任何硬件更改，就可以直接采用IAR等軟件開發(fā)平臺和TI免費ZIGBEE協(xié)議棧進行CC2430內(nèi)部ZIGBEE協(xié)議棧和應用軟件代碼開發(fā)，包括編譯，下載，調試等，實現(xiàn)單芯片，低成本的高級ZIGBEE應用；

　　從上面的這個例子我們可以看到，由于ZIGBEE芯片廠家和應用支持廠家大量推出各種標準產(chǎn)品和評估工具，開發(fā)系統(tǒng)，開放資源的模塊和模塊開發(fā)工具，免費ZIGBEE協(xié)議棧等，大大降低了ZIGBEE技術入門臺階，目前用戶可以方便的根據(jù)自己的實際情況，確定進入和入門的方式，輕松開始ZIGBEE應用系統(tǒng)設計和輕松將ZIGBEE技術集成在自己的行業(yè)應用中。