ZigBee成為2006年最熱的短距離無線技術(shù)

市場上推行一種的新的技術(shù)或標(biāo)準(zhǔn)所需的時(shí)間似乎總是比預(yù)期的更長。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，無線技術(shù)的追隨者們已經(jīng)聽聞了業(yè)界在開發(fā)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用上所付出的巨大努力。

現(xiàn)在，隨著ZigBee硬件和軟件都已在市場上出現(xiàn)，我們可以預(yù)期今年市場上將出現(xiàn)真正的ZigBee產(chǎn)品。盡管其整個(gè)開發(fā)周期比藍(lán)牙和Wi-Fi要短，但為了達(dá)到這一目標(biāo)業(yè)界付出了巨大的努力。今天，對于那些一直等待著想把無線功能添加到他們設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)工程師而言，ZigBee已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。

先讓我們看看藍(lán)牙技術(shù)成功所需的時(shí)間。現(xiàn)在，藍(lán)牙應(yīng)用廣泛，如手機(jī)、耳機(jī)、膝上型電腦、PDA以及外圍設(shè)備。它已變得如此常見，以至于它已被當(dāng)作理所當(dāng)然之事，這也是一種技術(shù)成功的標(biāo)志。

藍(lán)牙特別興趣小組(SIG)執(zhí)行董事Mike Foley博士表示，迄今已有超過5億塊藍(lán)牙芯片出貨，目前的出貨量為每周950萬塊。ZigBee會(huì)有如此之大的市場潛力嗎？ZigBee聯(lián)盟董事長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(biāo)準(zhǔn)覆蓋了協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層和安全層，以及應(yīng)用框架和規(guī)范。

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)101

ZigBee是用于個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(PAN)的短程無線技術(shù)的綽號，它基于ZigBee聯(lián)盟開發(fā)的IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)及其指導(dǎo)方針。

IEEE標(biāo)準(zhǔn)定義了無線電的物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)層。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)則對此進(jìn)行了有效的擴(kuò)展，覆蓋了協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層和安全層，以及應(yīng)用框架和規(guī)范(圖1)。ZigBee聯(lián)盟也已確定了測試和驗(yàn)證計(jì)劃以保證不同ZigBee供應(yīng)商之間的互操作性。

802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了三個(gè)開放(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(shù)供應(yīng)商會(huì)為了達(dá)到最大批量選擇2.4GHz頻段也就不足為奇。

802.15.4的數(shù)據(jù)速率比大多數(shù)其它無線標(biāo)準(zhǔn)的都要低：868MHz頻段為20kbps，915MHz頻段為40kbps，2.4GHz頻段為250kbps。但對監(jiān)控和控制應(yīng)用而言，這些低數(shù)據(jù)速率也已足夠快了。868MHz和915MHz無線電使用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)(DSSS)和二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)調(diào)制技術(shù)。2.4GHz無線電使用DSSS和偏移正交相移鍵控(O-QPSK)。

802.15.4標(biāo)準(zhǔn)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)。它支持競爭式和無競爭的訪問方式。最大數(shù)據(jù)包為128字節(jié)，包括達(dá)104字節(jié)的可變有效載荷(payload)。此外，802.15.4標(biāo)準(zhǔn)還采用64位和16位地址，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)可支持多達(dá)65,000以上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

MAC可以實(shí)現(xiàn)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(biāo)的可選超級幀結(jié)構(gòu)。而且，它的保證時(shí)間槽機(jī)制支持更高優(yōu)先級別的通信。這種訪問方法是免碰撞的載波偵聽多址訪問(CSMA-CA)。

此外，802.15.4標(biāo)準(zhǔn)無線技術(shù)在給定信噪比(SNR)下，誤碼率(BER)是最低的。ZigBee很容易擊敗藍(lán)牙、Wi-Fi甚至ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)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：對于簡單的系統(tǒng)來說，目前最流行的方法是星型拓樸結(jié)構(gòu)。

ZigBee增加了聯(lián)網(wǎng)功能

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)基于802.15.4堆協(xié)議棧而建立，定義了設(shè)備如何聯(lián)網(wǎng)。它支持三種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和簇狀結(jié)構(gòu)(Cluster tree)。

這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持三類節(jié)點(diǎn)。第一種是ZigBee協(xié)調(diào)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(jiān)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(shè)備(ZigBee End Device，ZED)，它只有監(jiān)視或控制功能，不做路由或中繼之用。

在IEEE標(biāo)準(zhǔn)中，ZED被稱為精簡功能設(shè)備(Reduced-Function Device，RFD)，ZC和ZR節(jié)點(diǎn)稱作全功能設(shè)備(full-function device，F(xiàn)FD)。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含具有IEEE和ZigBee協(xié)議堆棧以及最小的RAM和ROM的無線收發(fā)器再加上一個(gè)嵌入式控制器。

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

對簡單系統(tǒng)(圖2)來說，最流行的方法是星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，多個(gè)節(jié)點(diǎn)可彼此間進(jìn)行短距通話(圖3)。而且每一個(gè)節(jié)點(diǎn)還能用作其它節(jié)點(diǎn)的中繼器。如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)距離目標(biāo)節(jié)點(diǎn)太遠(yuǎn)，則信息可經(jīng)由兩個(gè)作為中繼器的其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送。

這種功能極大地延伸了任何給定節(jié)點(diǎn)的覆蓋距離，超出了無線電傳播物理學(xué)所允許的正常視距(line-of-sight)范圍。而且，即使某個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送失敗，信息仍然能夠通過網(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(xiàn)自我功能恢復(fù)，故非常具有吸引力。節(jié)點(diǎn)搜索其它節(jié)點(diǎn)，并利用軟件“選中”某個(gè)節(jié)點(diǎn)后進(jìn)行自動(dòng)鏈接。它指定地址，提供路由表以識(shí)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)來提供認(rèn)證和加密。

盡管802.15.4和ZigBee標(biāo)準(zhǔn)本身都具有聯(lián)網(wǎng)能力，但是由應(yīng)用來定義總體功能的。應(yīng)用是根據(jù)某種特定需要或規(guī)范(如用于藍(lán)牙中的)而被執(zhí)行的。一種規(guī)范定義某一特定應(yīng)用(如傳感器網(wǎng)絡(luò)或工業(yè)控制)的節(jié)點(diǎn)行為。ZigBee聯(lián)盟已經(jīng)完成了一項(xiàng)家庭照明和控制規(guī)范。目前要開發(fā)用于構(gòu)建監(jiān)控及控制、安全、自動(dòng)抄表(AMR)、工業(yè)機(jī)械和處理監(jiān)控、ZigBee網(wǎng)關(guān)及其它領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)范尚有困難。

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)是專為活動(dòng)時(shí)間低于1%的低占空比應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。傳感器網(wǎng)絡(luò)是最常見的實(shí)例。其它的還包括照明控制、安全系統(tǒng)和AMR。由于占空比很低，節(jié)點(diǎn)能夠采用電池供電，且電池壽命可達(dá)好幾年。

沒有進(jìn)行發(fā)射時(shí)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入耗電僅為數(shù)微安的睡眠模式。在大約15微秒后，節(jié)點(diǎn)能夠喚醒。傳感器節(jié)點(diǎn)可被周期性詢問，或者在編程時(shí)它們也能自己喚醒。鑒于ZigBee具有低功率特性，且電池壽命高達(dá)數(shù)年，它適用于某些其它無線技術(shù)根本無法適應(yīng)的應(yīng)用。

如果你期望利用網(wǎng)狀無線結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，ZigBee是一個(gè)絕佳的選擇。它把網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)所需數(shù)量減至最少。

圖3：在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，多個(gè)節(jié)點(diǎn)可彼此間進(jìn)行短距離通話。

ZigBee應(yīng)用

這么說吧，ZigBee能夠用于藍(lán)牙、Wi-Fi、超寬帶(UWB)、手機(jī)及其它無線技術(shù)不能覆蓋的大部分應(yīng)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)品的某些部分無線化的工程師們充滿了誘惑力。而且，利用完全定義的標(biāo)準(zhǔn)和可獲得的軟硬件，可以相當(dāng)輕松容易地增添ZigBee無線技術(shù)。無線技術(shù)的“即剝即貼(peel and stick)”階段已經(jīng)準(zhǔn)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(yīng)用。一旦應(yīng)用數(shù)量很大(正如藍(lán)牙在手機(jī)中的應(yīng)用情況)，ZigBee模塊成本下降，低于5美元將成為現(xiàn)實(shí)，然后ZigBee就能進(jìn)入其它眾多的小批量應(yīng)用。

最具潛力的部分是家庭自動(dòng)化產(chǎn)品。業(yè)內(nèi)已經(jīng)確定了200多種可能的家庭無線應(yīng)用，建立了使ZigBee能夠在無線領(lǐng)域稱霸所需的數(shù)量。但由于消費(fèi)者企盼的是最便宜最易于使用的產(chǎn)品，各大公司仍繼續(xù)謹(jǐn)慎以待。

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

利用ZigBee進(jìn)行設(shè)計(jì)

假設(shè)你要進(jìn)行一個(gè)無線應(yīng)用設(shè)計(jì)，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(jì)入其內(nèi)，其中主要是無線技術(shù)專業(yè)能力和軟件開發(fā)能力。目前有6項(xiàng)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，只能在視距以內(nèi)，而且中間不能有障礙物。其數(shù)據(jù)率為16Mbps。

ISM無線技術(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，但沒有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。對真正的簡單應(yīng)用而言，這是最佳選擇。

藍(lán)牙技術(shù)：這種快速(達(dá)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(guī)范，并能提供PAN ad-hoc(非網(wǎng)狀結(jié)構(gòu))聯(lián)網(wǎng)能力。

Wi-Fi：也叫做802.11a/b/g，它的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。盡管比較昂貴，但Wi-Fi具有達(dá)54Mbps的極高數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)率(至250kbps)來換取極低功耗和固有網(wǎng)狀能力。目前正式規(guī)范尚未出籠，但已在開發(fā)之中。隨著批量的逐步增加，其價(jià)格將下降。在所有無線技術(shù)中，它的潛力最大。

UWB：超寬帶現(xiàn)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(fèi)產(chǎn)品中的視頻和高速數(shù)據(jù)(USB)解決方案。目前沒有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)能力。

通過使用無線中繼以更低的成本提供更長的覆蓋距離，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)大大擴(kuò)展了你的無線可能性。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)還有一個(gè)主要的優(yōu)勢，即可靠性。它解決了和無線技術(shù)采用有關(guān)的許多問題。順便提一句，只有在ZigBee提供網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(qū)，2.4GHz頻段是最有用的，也是最多芯片和模塊工作的頻段。

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

如果你對你的無線設(shè)計(jì)能力和編程能力感到放心，你可以購買自己的芯片然后繼續(xù)進(jìn)行下去。不要忘記需要一根好天線。這時(shí)，參考設(shè)計(jì)也很有幫助。ZigBee聯(lián)盟已認(rèn)可了6種ZigBee兼容開發(fā)平臺(tái)，并將推出更多。

由于芯片設(shè)計(jì)與IEEE 802.15.4和ZigBee聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系如此緊密，設(shè)計(jì)特性和規(guī)范非常類似。你如何進(jìn)行區(qū)分呢？除了良好的參考設(shè)計(jì)和開發(fā)平臺(tái)之外，還要選擇象高接收器靈敏度(為了實(shí)現(xiàn)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(xiàn)較長的電池壽命)等規(guī)范。

若你希望規(guī)避設(shè)計(jì)中的整個(gè)無線部分，可以選擇完整的模組。許多公司都在印制電路板上或在機(jī)箱或道爾芯片(dongle)中安裝有完整的封裝好的模塊，包括天線在內(nèi)。要使用這種模塊，你所需做的只是把電池和用于監(jiān)控應(yīng)用的傳感器連接起來，或者是把電池和控制應(yīng)用中的激勵(lì)器連接在一起。

在這一點(diǎn)上，你的設(shè)計(jì)涉及了程序編寫或針對你的特定應(yīng)用的代碼。請記住大多數(shù)芯片和模塊供應(yīng)商都提供相應(yīng)的軟件開發(fā)平臺(tái)。此外，對流行應(yīng)用而言，第三方軟件也正變得越來越普遍，尤其是傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee的未來發(fā)展

正如大多數(shù)無線技術(shù)，ZigBee也有一個(gè)發(fā)展藍(lán)圖。雖然我們中的大多數(shù)都沒有參與制定未來計(jì)劃，但我們可以根據(jù)慣例、暗示和常識(shí)來猜測在這個(gè)藍(lán)圖上有些什么。

首先，我們預(yù)計(jì)聯(lián)盟將開發(fā)出更多的規(guī)范。也將有更多的產(chǎn)品面世，主要是軟件，可加快你的開發(fā)速度。在硬件方面，我們也許能預(yù)期在未來某個(gè)時(shí)候會(huì)推出更高速度的版本。但目前對大多數(shù)應(yīng)用來說，速度還不成其為主要問題。不過通過對調(diào)制進(jìn)行修整，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該能夠把現(xiàn)在的250kbps速度提高到兩倍。

最后，允許移動(dòng)應(yīng)用的無線電技術(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(shù))的一般移動(dòng)速度。但如果移動(dòng)節(jié)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(yīng)用中。