突破瓶頸 輕松設(shè)計ZigBee應(yīng)用系統(tǒng)
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ZigBee聯(lián)盟最近推出了最新ZigBee PRO技術(shù)，在自動跳頻處理，可靠網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)多路徑自動路由選擇，大型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)安全等方面，取得了突破進展，使無線網(wǎng)絡(luò)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(shù)的產(chǎn)品化和實用化的步伐，使ZIGBEE技術(shù)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(lǐng)域，大顯神通。據(jù)有關(guān)市場研究機構(gòu)估計，到2010年，全球?qū)N售多達5億8千萬片ZigBee芯片。
一、突破ZigBee應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)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線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要的硬件基礎(chǔ)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(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計，設(shè)計者主要面對的技術(shù)難點有三個，通訊距離，高頻設(shè)計技術(shù)和無線軟件技術(shù)，這也是ZigBee技術(shù)走向應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)計不可能繞開高頻設(shè)計和調(diào)試，需要的高頻設(shè)備如頻譜分析儀等，價格較高，也構(gòu)成了一定技術(shù)門檻。
3、為了實時處理復(fù)雜的無線網(wǎng)絡(luò)管理和路由，ZigBee軟件協(xié)議棧代碼比較復(fù)雜，同時涉及比較多的無線技術(shù)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(diào)試周期。
這些瓶頸，早已經(jīng)被相關(guān)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(jié)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(shè)計的EZ-LBee模塊系列產(chǎn)品。
圖1 CC2591CC+2430設(shè)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(luò)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(luò) 通訊和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
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(yīng)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小)，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(shè)計和調(diào)試的問題，可以將自己的主要精力主要集中到自己的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)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(fù)雜的ZigBee應(yīng)用，轉(zhuǎn)換為簡單的，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(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(shù)。這樣就解決了第三個主要的技術(shù)瓶頸。
二、標準產(chǎn)品和評估系統(tǒng)加快ZigBee應(yīng)用系統(tǒng)集成
通過使用內(nèi)置ZigBee網(wǎng)絡(luò)功能長距離微功耗模塊，基本解決了ZigBee技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用的主要瓶頸，但是對于系統(tǒng)集成商和應(yīng)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(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(shù)，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(shù)實際效果，如通訊距離，抗干擾能力，功耗，環(huán)境適應(yīng)等，而且對這樣的系統(tǒng)如何設(shè)計，也心中無數(shù)。
第二方面的困難是，缺乏標準的應(yīng)用組件，可以容易像搭積木一樣，迅速采用這些標準部件，構(gòu)成自己需要的ZigBee系統(tǒng)。
其實，標準產(chǎn)品，也可以使用來作為快速評估系統(tǒng) ， 根據(jù)目前這樣的實際應(yīng)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(guān)(實現(xiàn)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(jié)點，也推出了各種應(yīng)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2 典型的無線路由器，低功耗節(jié)點標準產(chǎn)品
圖3 典型的無線網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品
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