符合ZigBee協(xié)議的RF解決方案的實(shí)現(xiàn)

ZigBee/IEEE802.15.4概述 

總述 

ZigBee聯(lián)盟[2]于2004年12月通過了ZigBee規(guī)范。它是針對低功耗、低成本無線嵌入式網(wǎng)絡(luò)而制定公開的，全球的標(biāo)準(zhǔn)。表1中列出了一些ZigBee 解決方案 適合的應(yīng)用領(lǐng)域。 

表 1. 應(yīng)用領(lǐng)域 

能源管理及輔助功能:

* 自動(dòng)調(diào)溫器 

* 加熱, 通風(fēng), 空調(diào) (HVAC) 

* 百葉窗等窗簾的控制 

燈光控制系統(tǒng): 

* 電源插座 

* 調(diào)光器 

* 開關(guān) 

* 遠(yuǎn)程控制 

環(huán)境及農(nóng)業(yè)監(jiān)控: 

* 溫度 

* 二氧化碳 

* 濕度 

* 振動(dòng) 

工業(yè): 

* 工業(yè)設(shè)備監(jiān)控l 

* 常規(guī)無線嵌入式傳感器網(wǎng)絡(luò) 

* 總量控制 

* 資產(chǎn)跟蹤 

自動(dòng)讀表系統(tǒng):

* 電 

* 氣 

* 水 

健康護(hù)理 / 醫(yī)療: 

* 病人監(jiān)護(hù) 

安全報(bào)警系統(tǒng): 

* 家庭安全 

* 煙霧探測 

* 入室搶劫報(bào)警 

·漏水系統(tǒng) 

消費(fèi)電子系統(tǒng): 

* 遠(yuǎn)程控制 

* 含ZigBee功能的手機(jī), 例如， 支持遙主要控器功能 

·PC周邊 

ZigBee是建立在IEEE802.15.4[1]定義的可靠的物理層(PHY)和媒體訪問層(MAC)之上的標(biāo)準(zhǔn)。在PHY層和MAC層之上，ZigBee定義了具有數(shù)據(jù)安全特性和互操作應(yīng)用界面的網(wǎng)狀網(wǎng)、星狀網(wǎng)和集群樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 

ZigBee 規(guī)范 

ZigBee規(guī)范是由ZigBee聯(lián)盟共同制定的，它定義了基于IEEE802.15.4PHY和MAC層之上的網(wǎng)絡(luò)，安全及應(yīng)用層。ZigBee聯(lián)盟同時(shí)也制定了互操作性和兼容性測試的規(guī)范 

ZigBee網(wǎng)絡(luò)層主要功能是發(fā)現(xiàn)設(shè)備并建立設(shè)備間無線鏈路，其網(wǎng)路層支持三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，星狀網(wǎng)，網(wǎng)狀網(wǎng)(對等)和集群樹狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)。圖1展示了以上三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 

網(wǎng)狀網(wǎng)具有較高的可靠性和可測量性，因?yàn)槠淇梢蕴峁┎恢挂粭l的網(wǎng)絡(luò)路徑。像這樣的網(wǎng)絡(luò)還具有所謂的“自修復(fù)”功能。例如，如果一個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)將由網(wǎng)絡(luò)中可選的其他路由器傳送，前提是路由器節(jié)點(diǎn)的密度足夠大。 

圖1  ZigBee 網(wǎng)絡(luò)類型 

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立是非常簡單的，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的形成是自動(dòng)完成的。此外，ZigBee網(wǎng)絡(luò)還具有很好的可測量性。 

IEEE802.15.4 定義了兩類設(shè)備類型；精簡功能設(shè)備(RFD)和全功能設(shè)備(FFD).在ZigBee系統(tǒng)中，這兩類設(shè)備指的是物理設(shè)備類型。 

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以有三種角色：ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee路由器，和ZigBee終端設(shè)備。這些是ZigBee的邏輯設(shè)備類型。

ZigBee協(xié)調(diào)器的主要職責(zé)是建立網(wǎng)絡(luò)并設(shè)定他們的主要參數(shù)。(例如，選擇射頻通道，分配不同的網(wǎng)絡(luò)地址)。它可以通過ZigBee路由器來延伸網(wǎng)絡(luò)的通信范圍。這些路由器也可作為由于距離太遠(yuǎn)而無法直接通訊的兩個(gè)設(shè)備間的中繼器。 

FFD可以與RFD或其他FFD通訊,但RFD卻只能與FFD通訊。RFD是為了極其簡單的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，如燈的開關(guān)或被動(dòng)紅外傳感器；他們并不需要發(fā)射大量的數(shù)據(jù)，只是某一時(shí)間需要與一個(gè)FFD進(jìn)行通訊。因此，RFD只需要使用最少的資源和存儲(chǔ)器空間，與FFD相比擁有較低的成本。FFD可以用來實(shí)現(xiàn)ZigBee三種邏輯設(shè)備類型但RFD只能充當(dāng)終端設(shè)備。 

IEEE 802.15.4 和 ZigBee RF-Ics 

采用亞微級(jí)COMS 技術(shù)，具有高集成度的接收器和發(fā)射器結(jié)構(gòu)，最優(yōu)的系統(tǒng)劃分(硬件/軟件)和用于低功耗的經(jīng)過優(yōu)化的內(nèi)嵌軟件，這些都是達(dá)到IEEE 802.15.4 /ZigBeeRF-ICs和系統(tǒng)底成本，低功耗要求的關(guān)鍵因素。 

目前的RF-ICs 均使用具有高集成度的射頻結(jié)構(gòu)，如zero-IF或low-IF接收器和直接變頻發(fā)射器。符合IEEE802.15.4規(guī)范的典型射頻收發(fā)芯片是來自Chipcon的CC2420.這是一顆2.4GHz射頻收發(fā)芯片，具有低功耗的特性，可快速應(yīng)用到ZigBee產(chǎn)品中。這顆芯片使用0.18_m CMOS技術(shù)，使其在一塊小芯片的區(qū)域內(nèi)便高度集成了數(shù)字硬件特性和完整的RF收發(fā)器。接收器采用低-中頻變頻接收，發(fā)射器采用直接變頻發(fā)射。在選擇性和靈敏度方面，CC2420的性能均超過了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中所要求的性能指標(biāo)，并且可以確保長距離、有效、可靠的通信。 

圖2展示了CC2420RF-收發(fā)芯片的應(yīng)用電路圖。可以看到由于其集成度很高所以所需的外圍元器件數(shù)目極少。CC2420在實(shí)際應(yīng)用中必須外接外部單片機(jī)。 

RF收發(fā)芯片的配置和數(shù)據(jù)的通訊均是通過SPI接口來完成的。一些對定時(shí)要求嚴(yán)格的MAC層功能都包含在RF-收發(fā)芯片中了，如CRC校驗(yàn)，加密及一些定時(shí)功能。大部分的MAC層 功能都是在軟件中實(shí)現(xiàn)的，這些軟件同ZigBee協(xié)議棧、應(yīng)用軟件共同運(yùn)行在同一顆單片機(jī)上。 

圖2  IEEE 802.15.4 RF-收發(fā)芯片的應(yīng)用電路，外部單片機(jī)未標(biāo)出 

對于大多數(shù)的ZigBee系統(tǒng)來講低功耗是最關(guān)鍵的問題。因此，ZigBee RF-收發(fā)芯片和微控制器的低電流損耗就顯得尤其重要。然而，在睡眠模式下的超低功耗和從睡眠狀態(tài)到喚醒所需的極短的時(shí)間也同樣重要。如采用ZigBee技術(shù)的燈光開關(guān)(它是一個(gè)典型的ZigBee終端設(shè)備)在大多數(shù)情況下運(yùn)行在無信標(biāo)的模式下，僅在中斷觸發(fā)時(shí)發(fā)射數(shù)據(jù)，比如按鍵按下。為了延長電池的壽命，睡眠模式下的電流必須要求極低。 

Chipcon使用自己的射頻收發(fā)芯片CC2420和瑞薩的微控制器M16C62P做出的一款ZigBee參考設(shè)計(jì)，展示了其超低的功率損耗。條件是在對等網(wǎng)絡(luò)通信情況下，用1Hz速率進(jìn)行輪檢，使用電池容量為1800MAh的電池，其供電時(shí)間可超過10年。 

CMOS技術(shù)使得開發(fā)真正的ZigBee系統(tǒng)級(jí)芯片變?yōu)榭赡?。這樣一顆芯片應(yīng)包括IEEE 802.15.4射頻收發(fā)器，微控制器，可編程/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(flash和RAM)和必要的外圍器件。因?yàn)?span lang="EN-US">SOC具有高集成度，小型化及最重要的高成本效率。因此預(yù)計(jì)SOC對于ZigBee/IEEE 802.15.4系統(tǒng)將變得越來越重要。圖3展出了ZigBee　SOC的簡單的方框圖 

圖3  理論上的ZigBee SoC  框圖 

如何實(shí)現(xiàn)符合ZigBee協(xié)議的解決方案 

開發(fā)符合ZigBee協(xié)議的最終產(chǎn)品，并使其能通過ZigBee認(rèn)證獲得ZigBee標(biāo)識(shí)的最好方法就是在符合ZigBee 聯(lián)盟所制定規(guī)范的開發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)。 

符合ZigBee規(guī)范的開發(fā)平臺(tái)可以從不同的ZigBee技術(shù)提供商那里獲得，所包含的內(nèi)容通常如下 

* PCB板參考設(shè)計(jì) 

o 符合IEEE802.15.4且經(jīng)過測試的RF收發(fā)芯片 

o 微控制器 

o 必要的外圍元器件，如為了天線匹配所需的元器件，晶體的負(fù)載電容，去耦電容等 

o 傳感器/制動(dòng)器的連接線（這會(huì)因平臺(tái)不同而不同） 

* 軟件 

o 必要的MAC層功能 

o ZigBee 軟件協(xié)議，包括應(yīng)用框架 

ZigBee聯(lián)盟定義了測試和互操作方式，以使ZigBee平臺(tái)供應(yīng)商提供具有ZigBee適應(yīng)性的開發(fā)平臺(tái)。 

ZigBee適應(yīng)性平臺(tái)可以表現(xiàn)為能夠被設(shè)計(jì)者復(fù)制的一個(gè)參考設(shè)計(jì)，或者作為一個(gè)獨(dú)立的射頻模塊。它是一個(gè)通用型的平臺(tái)并能用于不同的ZigBee應(yīng)用中。隨著時(shí)間的推移經(jīng)過優(yōu)化的ZigBee適應(yīng)性平臺(tái)，如終端設(shè)備將被提供。 

為了縮短開發(fā)時(shí)間和降低測試成本，一個(gè)基本的要求是ZigBee 最終產(chǎn)品的制造商應(yīng)該使用ZigBee開發(fā)平臺(tái)。根據(jù)最終產(chǎn)品所描述的功能，使用一個(gè)合適的ZigBee應(yīng)用軟件界面。而產(chǎn)品特定的應(yīng)用軟件需要被編寫。 

根據(jù)公開的ZigBee應(yīng)用軟件界面，只有通過ZigBee認(rèn)證的產(chǎn)品具有ZigBee標(biāo)識(shí)。最終產(chǎn)品必須通過兩家指定的ZigBee 測試機(jī)構(gòu)（TUV Rheinland or National Technical Systems）之一的測試。另外，最終產(chǎn)品必須通過ZigBee互用性測試（這將被ZigBee聯(lián)盟做進(jìn)一步的定義）。ZigBee聯(lián)盟為已經(jīng)開發(fā)了ZigBee認(rèn)證產(chǎn)品和想要使用ZigBee標(biāo)識(shí)的的非ZigBee聯(lián)盟成員定義了使用該標(biāo)識(shí)的商業(yè)條件。 

注意是否受標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的認(rèn)可不是ZigBee鑒定測試的一部分，這點(diǎn)是重要的。對于工作在2.4到2.4835GHz頻帶的射頻設(shè)備最重要的頻率規(guī)定是ETSI EN 300 440, ETSI EN 300 328, FCC CFR Part 15 and ARIB STD-T66。