ZigBee-新型低功耗無線標(biāo)準(zhǔn)

ZigBee-新型低功耗無線標(biāo)準(zhǔn)

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，通常節(jié)點也要從有線電源轉(zhuǎn)向電池供電。在無線網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點的功耗便成為一個重要因素。因此，超低功耗設(shè)計技術(shù)變得至關(guān)重要，特別是在無線傳感器節(jié)點許多年內(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：硬件靈活性高且成本低，因為僅需實現(xiàn)必要的功能。

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

* 標(biāo)準(zhǔn)解決方案

o 優(yōu)點：開發(fā)時間短，因為已有現(xiàn)成的軟件堆棧且經(jīng)過了多個用戶測試。與其他廠商的產(chǎn)品相兼容。

o 缺點：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)存儲所需的存儲器容量。

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

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，因為需要傳輸?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，對于傳感器和控制應(yīng)用而言，Wi-Fi/802.11和藍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)不但描述了個域網(wǎng)(PAN)中的點對點傳輸，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150 米。取決于具體應(yīng)用不同，電池使用壽命可長達數(shù)年。

圖 1 免費頻段的全球分配情況

在實施無線傳輸以前，還必要對傳輸頻率進行定義。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均為免費使用，而在美國，免費使用的頻段為315MHz和915MHz。只有2.4GHz頻段(Wi-Fi和藍牙也使用該頻段）在全球免費使用。此外，就868MHz和915MHz而言，可以使用相同的天線。只要具有一個靈活、自由可編程 的RF 收發(fā)器，一款可選擇運行在868MHz或915MHz上的全球解決方案也是一個不錯的選擇。在這種情況下，必須要確保將運行頻率轉(zhuǎn)換至設(shè)備運行地區(qū)所允許的頻段范圍。這會增加成本，因為必須要發(fā)布兩個不同的固件版本。

IEEE 802.15.4專門針對下列頻率而定義：

* 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)盟是一個由多家公司組成的行業(yè)協(xié)會，這些公司通力合作以實現(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)盟的推動者包括BM Spa、Ember、飛思卡爾、霍尼韋爾、華為、三菱電機、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：

* 家庭自動化：

o 自動抄表(AMR)

o 照明、制熱、警報、安全

o 白家電健康狀態(tài)監(jiān)控

* 商業(yè)樓宇自動化

o 采暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)(HVAC)

o 能量管理

o 警報、安全

* 工業(yè)自動化

* 住院和病患護理

* 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點對點通信協(xié)議之上的ZigBee棧，使ZigBee節(jié)點的個域網(wǎng)(PAN)實現(xiàn)成為可能?？梢圆捎眯切尉W(wǎng)絡(luò)拓?fù)?請參見圖2）、樹形或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?請參見圖3）。每一個ZigBee PAN 都需要一個PAN協(xié)調(diào)器設(shè)備。PAN 協(xié)調(diào)器啟動網(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，通常會有若干個具有ZigBee路由器功能的節(jié)點。這些路由器節(jié)點可將接收到的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至下一個ZigBee節(jié)點，并通過完整的ZigBee網(wǎng)絡(luò)以這種方式實現(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(PAN協(xié)調(diào)器或路由器)進行通信。這些終端設(shè)備的功能相對較少，因為它們不需要路由功能。精簡功能設(shè)備(RFD)的一個優(yōu)點就是棧尺寸明顯要小很多。因此，程序閃存、數(shù)據(jù)存儲器RAM以及閃存要求也大大降低。這就使得通常是ZigBee節(jié)點主要組成部分的RFD頗具成本優(yōu)勢。RFD特別適用于超低耗設(shè)計，因為在大部分時間里可以將微控制器和RF收發(fā)器關(guān)閉。一個具有路由功能的設(shè)備需要始終謹(jǐn)記，其必須要接收一個數(shù)據(jù)包。

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

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)器必須始終清楚會有一個數(shù)據(jù)包到達。因此，這些節(jié)點絕不能進入深睡眠模式。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。

圖4：ZigBee棧架構(gòu)。

圖4顯示了ZigBee棧架構(gòu)。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實現(xiàn)了兩個節(jié)點間的點對點通信。ZigBee NWK(網(wǎng)絡(luò)）層進行數(shù)據(jù)包路由，并將接收到的數(shù)據(jù)包發(fā)送至下一個ZigBee 節(jié)點，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)點內(nèi)針對某個應(yīng)用的數(shù)據(jù)包。具有射頻功能的一個ZigBee節(jié)點可處理若干個應(yīng)用，以開關(guān)為例，溫度測量和濕度測量就可在一個盒子里進行。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。首先，ZigBee設(shè)備對象(ZDO)有助于應(yīng)用軟件和ZigBee堆棧軟件的協(xié)同運行。一旦做出決定，還可集成一個安全服務(wù)以實現(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，才能實現(xiàn) ZigBee產(chǎn)品的廠商的獨立兼容性。ZigBee 聯(lián)盟將配置文件定義為一種可確保應(yīng)用級互操作性的方法。

除協(xié)議之外，配置文件還對發(fā)送至其他設(shè)備的數(shù)據(jù)內(nèi)容進行了定義，例如，哪個數(shù)據(jù)內(nèi)容將開啟燈具，哪個數(shù)據(jù)內(nèi)容又將燈具關(guān)閉。配置文件中的定義為：獨特的配置文件ID；設(shè)備類型；報文格式、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位微控制器實現(xiàn)了架構(gòu)升級，現(xiàn)在該微控制器具有高達120k的閃存以及高達10k的RAM存儲器。具有高于60k閃存的MSP430派生產(chǎn)品系列即將推出。MSP430架構(gòu)升級與現(xiàn)有的MSP430版本100%二進制后向兼容，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。

結(jié)論

ZigBee 是一種基于開放性全球標(biāo)準(zhǔn)、針對低功耗、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)時間。廠商互操作性是符合 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品的另一個優(yōu)勢。現(xiàn)在開始供應(yīng) ZigBee 硬件和軟件。