ZigBee – 新型低功耗無線標(biāo)準(zhǔn)

作者：Peter Forstner，德州儀器

越來越多的有線數(shù)據(jù)傳輸正被無線解決方案所取代。對(duì)用戶而言除了無需使用線纜帶來的方便之外，無線解決方案還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)的安裝和改進(jìn)成本是非常重要的考慮因素。當(dāng)從有線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)向無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，通常節(jié)點(diǎn)也要從有線電源轉(zhuǎn)向電池供電。因此，在無線網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功耗便成為一個(gè)重要的考慮因素。所以超低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)就變得至關(guān)重要，特別是在無線傳感器節(jié)點(diǎn)許多年內(nèi)均使用一節(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一個(gè)現(xiàn)有無線標(biāo)準(zhǔn)或?qū)嵤┮粋�(gè)專用解決方案，并在內(nèi)部完成全面系統(tǒng)開發(fā)。這兩種方法各有利弊：

• 專用解決方案
• 優(yōu)點(diǎn)：硬件靈活性高且成本低，因?yàn)閮H需實(shí)施必要的功能。
• 缺點(diǎn)：軟件棧和傳輸協(xié)議開發(fā)時(shí)間長，且與其他設(shè)備不兼容
• 標(biāo)準(zhǔn)解決方案
• 優(yōu)點(diǎn)：開發(fā)時(shí)間短，因?yàn)橐延鞋F(xiàn)成的軟件堆棧且經(jīng)過了多個(gè)用戶測試。與其他廠商的產(chǎn)品相兼容。
• 缺點(diǎn)：通常，該標(biāo)準(zhǔn)的軟件部分為非必須的且在應(yīng)用中未使用該軟件部分。這就增加了軟件和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)所需的存儲(chǔ)器尺寸。

得到廣泛認(rèn)可的無線標(biāo)準(zhǔn)有多種，且每一種標(biāo)準(zhǔn)都針對(duì)一個(gè)特殊的應(yīng)用領(lǐng)域。 其中較知名的 RF 標(biāo)準(zhǔn)為：

• Wi-Fi/802.11：適用于相對(duì)較短距離和中等功耗的高速傳輸�？捎糜� PC 聯(lián)網(wǎng)、家庭聯(lián)網(wǎng)以及視頻分配。
• 藍(lán)牙：適用于低功耗短距離一般速度傳輸。可用于耳機(jī)、PC 外設(shè)、PDA 以及移動(dòng)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)小型電池就可使器件工作多年的超低功耗是至關(guān)重要的。高數(shù)據(jù)速率并非必需，因?yàn)樾枰獋鬏數(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)

由于 Wi-Fi/802.11 和藍(lán)牙并非是傳感器和控制應(yīng)用的較佳解決方案，因此開發(fā)出了 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) 通過批準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)不但說明了個(gè)人局域網(wǎng) (PAN) 中的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，而且還定義了低功耗、低速及穩(wěn)健的 RF 傳輸?shù)奈锢韺?(PHY) 和媒體接入控制層 (MAC)。一般室內(nèi)的傳輸距離從 10 米到 30 米不等，在室外較大傳輸距離可達(dá) 150 米。取決于具體應(yīng)用不同，較長電池使用壽命可長達(dá)數(shù)年。

在實(shí)施無線傳輸以前，還必要對(duì)傳輸頻率進(jìn)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(fèi)使用，而在美國免費(fèi)使用的頻帶為 315MHz 和 915MHz。只有 2.4GHz 頻帶（Wi-Fi 和藍(lán)牙也使用該頻帶）在全球通用。鑒于此，2.4 GHz 頻率適用于遍布全球各地的各種應(yīng)用。此外，就 868MHz 和 915MHz 而言，也可使用相同的天線。只要具有一個(gè)靈活的、自由可編程 RF 收發(fā)器，一款交替運(yùn)行在 868MHz 或 915MHz 上的全球解決方案也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。在這種情況下，必須要確保將運(yùn)行頻率轉(zhuǎn)換至設(shè)備運(yùn)行地區(qū)所允許的頻帶范圍。這會(huì)增加成本物流 (cost logistics)，因?yàn)楸仨氁�分配兩個(gè)不同版本的固件。

圖 1 免費(fèi)頻帶的全球分配情況

IEEE 802.15.4 專門針對(duì)下列頻率而定義：/p>

• 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(gè)由多家公司組成的行業(yè)協(xié)會(huì)，這些公司通力合作以實(shí)現(xiàn)可靠的、低功耗、無線網(wǎng)絡(luò)化監(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)盟的原始會(huì)員公司包括 BM Spa 公司、Ember 公司、飛思卡爾、霍尼韋爾、華為、三菱電機(jī)、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。該聯(lián)盟擁有超過 200 家會(huì)員公司并且這一數(shù)字還在不斷增長。該聯(lián)盟對(duì) ZigBee 棧進(jìn)行了定義，ZigBee 棧是 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 頂部的一種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧。ZigBee 的目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域如下：

• 家庭自動(dòng)化：
• 自動(dòng)抄表 (AMR)
• 照明、制熱、告警、安全
• 白色家電健康狀態(tài)監(jiān)
• 商業(yè)樓宇自動(dòng)化
• 制熱通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng) (HVAC)
• 能量管理
• 告警、安全
• 工業(yè)自動(dòng)化
• 住院和病人護(hù)理
• 資產(chǎn)跟蹤/有源 RFID
• 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

位于 IEEE 802.15.4 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)議頂部的 ZigBee 棧實(shí)現(xiàn)了 ZigBee 節(jié)點(diǎn)個(gè)人局域網(wǎng) (PAN) 的實(shí)施�？梢圆捎眯切尉W(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌ㄕ?qǐng)參見圖 2），樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠蚓W(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌ㄕ?qǐng)參見圖 3）。每一個(gè) ZigBee PAN 都需要一個(gè) PAN 協(xié)調(diào)器設(shè)備。該 PAN 協(xié)調(diào)器啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)并向新網(wǎng)絡(luò)分配一個(gè) 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(huì)有若干個(gè)具有 ZigBee 路由器功能的節(jié)點(diǎn)。這些路由器節(jié)點(diǎn)可將接收到的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至下一個(gè) ZigBee 節(jié)點(diǎn)，并通過完整的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)以這種方式實(shí)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(diǎn)(PAN 協(xié)調(diào)器或路由器)進(jìn)行通信。這些終端設(shè)備的功能相對(duì)較少，因?yàn)樗鼈儾恍杪酚晒δ堋＞�簡功能設(shè)備 (RFD) 的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是棧尺寸明顯要小很多。因此，程序閃存、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 以及閃存要求也就大大降低了。這就使得精簡功能終端設(shè)備（通常也是 ZigBee 節(jié)點(diǎn)的主要組成部分）頗具成本優(yōu)勢。精簡功能終端設(shè)備特別適用于超低耗設(shè)計(jì)，因?yàn)樵诖蟛糠謺r(shí)間里可以將微控制器和 RF 收發(fā)器關(guān)閉。一個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)包。

圖 2 ZigBee 星形網(wǎng)絡(luò)

圖 3 ZigBee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

ZigBee 使用 16 位節(jié)點(diǎn)尋址，理論上允許了在一個(gè) PAN 中有近 2^16 個(gè) ZigBee 節(jié)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)是較為合適的。

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)就可以是一個(gè)精簡功能終端設(shè)備且連續(xù)處于深睡眠模式。如果按下照明開關(guān)上的按鈕，則微控制器將被喚醒，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），等待確認(rèn)數(shù)據(jù)包并返回到睡眠模式。然后，該網(wǎng)絡(luò)將開始傳輸數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包較終跳轉(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(huì)有一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)。因此，這些節(jié)點(diǎn)絕不能進(jìn)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 均是由 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)來定義。上述所有層均由 ZigBee 來定義的。PHY 和 MAC 實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。ZigBee NWK（網(wǎng)絡(luò)）層進(jìn)行數(shù)據(jù)包路由，并發(fā)送下一個(gè) ZigBee 節(jié)點(diǎn)上接收到的數(shù)據(jù)包，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(diǎn)內(nèi)針對(duì)某個(gè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)包。具有一個(gè)射頻功能的一個(gè)ZigBee 節(jié)點(diǎn)可處理若干個(gè)應(yīng)用，以開關(guān)為例，溫度測量和濕度測量就可在一個(gè)盒子里進(jìn)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(diǎn)。首先，ZDO（ZigBee 設(shè)備對(duì)象）有助于應(yīng)用軟件和 ZigBee 堆棧軟件的協(xié)同運(yùn)行。一旦做出決定還可集成一個(gè)安全服務(wù)以實(shí)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(shí)現(xiàn) ZigBee 產(chǎn)品的廠商無關(guān)兼容性。ZigBee 聯(lián)盟將配置文件定義為一種可確保應(yīng)用級(jí)互操作性的方法。

除協(xié)議之外，配置文件還對(duì)發(fā)送至其他設(shè)備的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行了定義，例如，哪個(gè)數(shù)據(jù)內(nèi)容將開啟燈具，哪個(gè)數(shù)據(jù)內(nèi)容又將燈具關(guān)閉。配置文件中的定義為：

• 獨(dú)特的配置文件 ID
• 設(shè)備類型
• 報(bào)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(dòng)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(dòng)化”（自 2007 年第一季度開始）

其他標(biāo)準(zhǔn)配置文件尚在討論之中，如自動(dòng)抄表、醫(yī)療保健等。專用配置文件可由客戶來定義，但是這會(huì)限制共享這一配置文件的設(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(jí)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(jìn)行 ZigBee 一致性認(rèn)證測試。一旦順利通過該測試，則在該產(chǎn)品上就可以使用 ZigBee 徽標(biāo)。

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(shí)現(xiàn)了架構(gòu)升級(jí)，現(xiàn)在該微控制器具有高達(dá) 120k 的閃存以及高達(dá) 10k RAM 存儲(chǔ)器。具有高于60k 閃存的MSP430 派生產(chǎn)品系列將于下月推出。MSP430 架構(gòu)升級(jí)與現(xiàn)有的 MSP430 版本 100% 二進(jìn)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(shí)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)

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