ZigBee将成为最热的短距离无线技术[转]

在市场上推行一种的新的技术或标准所需的时间似乎总是比预期的更长。实际上，从概念提出到实际采纳所需的时间常常要好几年之久。ZigBee也不例外。几年来，无线技术的追随者们已经听闻了业界在开发ZigBee标准及其应用上所付出的巨大努力。

现在，随着ZigBee硬件和软件都已在市场上出现，我们可以预期今年市场上将出现真正的ZigBee产品。尽管其整个开发周期比蓝牙和Wi-Fi要短，但为了达到这一目标业界付出了巨大的努力。今天，对于那些一直等待着想把无线功能添加到他们设计中的设计工程师而言，ZigBee已经准备就绪。

先让我们看看蓝牙技术成功所需的时间。现在，蓝牙应用广泛，如手机、耳机、膝上型电脑、PDA以及外围设备。它已变得如此常见，以至于它已被当作理所当然之事，这也是一种技术成功的标志。

蓝牙特别兴趣小组(SIG)执行董事Mike Foley博士表示，迄今已有超过5亿块蓝牙芯片出货，目前的出货量为每周950万块。ZigBee会有如此之大的市场潜力吗？ZigBee联盟董事长Bob Heile的答案是肯定的。事实上，ZigBee的总体潜力可能更大。

图1：ZigBee标准覆盖了协议的网络层和安全层，以及应用框架和规范。

IEEE 802.15.4标准101

ZigBee是用于个人区域网(PAN)的短程无线技术的绰号，它基于ZigBee联盟开发的IEEE 802.15.4标准及其指导方针。

IEEE标准定义了无线电的物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)层。ZigBee标准则对此进行了有效的扩展，覆盖了协议的网络层和安全层，以及应用框架和规范(图1)。ZigBee联盟也已确定了测试和验证计划以保证不同ZigBee供应商之间的互操作性。

802.15.4标准定义了三个开放(FCC Part 15)工作频段：868MHz、915MHz、2.4GHz。868MHz频段用于欧洲，915MHz频段用于美国，2.4GHz则全球通用。因此大多数供应商会为了达到最大批量选择2.4GHz频段也就不足为奇。

802.15.4的数据速率比大多数其它无线标准的都要低：868MHz频段为20kbps，915MHz频段为40kbps，2.4GHz频段为250kbps。但对监控和控制应用而言，这些低数据速率也已足够快了。868MHz和915MHz无线电使用直接序列扩频技术(DSSS)和二进制相移键控(BPSK)调制技术。2.4GHz无线电使用DSSS和偏移正交相移键控(O-QPSK)。

802.15.4标准的其它性能还包括接收器能量检测、链路质量指示和空闲信道评估(CCA)。它支持竞争式和无竞争的访问方式。最大数据包为128字节，包括达104字节的可变有效载荷(payload)。此外，802.15.4标准还采用64位和16位地址，每个网络可支持多达65,000以上的网络节点。

MAC可以实现网络联合和网络分离。它包含具有时间同步信标的可选超级帧结构。而且，它的保证时间槽机制支持更高优先级别的通信。这种访问方法是免碰撞的载波侦听多址访问(CSMA-CA)。

此外，802.15.4标准无线技术在给定信噪比(SNR)下，误码率(BER)是最低的。ZigBee很容易击败蓝牙、Wi-Fi甚至ISM(工业、科学、医疗)频段频移键控(FSK)。在可靠性方面，你也很难找到有什么技术能够超越ZigBee。

图2：对于简单的系统来说，目前最流行的方法是星型拓朴结构。

ZigBee增加了联网功能

ZigBee标准基于802.15.4堆协议栈而建立，定义了设备如何联网。它支持三种主要的自组织无线网络类型，即星型结构、网状结构(Mesh)和簇状结构(Cluster tree)。

这些拓扑结构支持三类节点。第一种是ZigBee协调器(ZigBee Coordinator，ZC)，它可用于初始化网络信息。每个网络只有一个ZC。第二个是ZigBee路由器(ZigBee Router，ZR)，它起监视或控制作用，但它也是用跳频方式传递信息的路由器或中继器。第三是ZigBee终端设备(ZigBee End Device，ZED)，它只有监视或控制功能，不做路由或中继之用。

在IEEE标准中，ZED被称为精简功能设备(Reduced-Function Device，RFD)，ZC和ZR节点称作全功能设备(full-function device，FFD)。每一个节点都包含具有IEEE和ZigBee协议堆栈以及最小的RAM和ROM的无线收发器再加上一个嵌入式控制器。

这些电池供电单功能设备的主要功能是发送来自传感器的数据或接收来自主控制器的指令。FFD的功能更强大，具有额外的存储器。它们可以用作中继器或网络协调器。ZC和ZR可以与另一个ZC和ZR或任一ZED通话，但ZED只能和ZC或ZR通话。

对简单系统(图2)来说，最流行的方法是星型拓扑结构。它以一个FFD为中心，四周有多个RFD。但使ZigBee的优势得到充分发挥的是网状结构，在这种结构中，多个节点可彼此间进行短距通话(图3)。而且每一个节点还能用作其它节点的中继器。如果某个节点距离目标节点太远，则信息可经由两个作为中继器的其它节点发送。

这种功能极大地延伸了任何给定节点的覆盖距离，超出了无线电传播物理学所允许的正常视距(line-of-sight)范围。而且，即使某个节点传送失败，信息仍然能够通过网格中的其它网络路径被传送出去，从而使通信更为可靠。

由于ZigBee网络是自组织的，并能实现自我功能恢复，故非常具有吸引力。节点搜索其它节点，并利用软件“选中”某个节点后进行自动链接。它指定地址，提供路由表以识别已经证实的通信伙伴。在安全性方面，ZigBee采用AES-128加密技术来提供认证和加密。

尽管802.15.4和ZigBee标准本身都具有联网能力，但是由应用来定义总体功能的。应用是根据某种特定需要或规范(如用于蓝牙中的)而被执行的。一种规范定义某一特定应用(如传感器网络或工业控制)的节点行为。ZigBee联盟已经完成了一项家庭照明和控制规范。目前要开发用于构建监控及控制、安全、自动抄表(AMR)、工业机械和处理监控、ZigBee网关及其它领域的应用规范尚有困难。

ZigBee无线网络是专为活动时间低于1%的低占空比应用而设计的。传感器网络是最常见的实例。其它的还包括照明控制、安全系统和AMR。由于占空比很低，节点能够采用电池供电，且电池寿命可达好几年。

没有进行发射时，节点进入耗电仅为数微安的睡眠模式。在大约15微秒后，节点能够唤醒。传感器节点可被周期性询问，或者在编程时它们也能自己唤醒。鉴于ZigBee具有低功率特性，且电池寿命高达数年，它适用于某些其它无线技术根本无法适应的应用。

如果你期望利用网状无线结构的优势，ZigBee是一个绝佳的选择。它把网状结构设计和软件开发所需数量减至最少。

图3：在网状结构中，多个节点可彼此间进行短距离通话。

ZigBee应用

这么说吧，ZigBee能够用于蓝牙、Wi-Fi、超宽带(UWB)、手机及其它无线技术不能覆盖的大部分应用领域。

ZigBee所具有的低成本、低功率、小尺寸以及保证的互操作能力等特性，都对那些希望将其产品的某些部分无线化的工程师们充满了诱惑力。而且，利用完全定义的标准和可获得的软硬件，可以相当轻松容易地增添ZigBee无线技术。无线技术的“即剥即贴(peel and stick)”阶段已经准备就绪。

对产业而言，关键的是首先要处理最被关注的最具批量潜力的应用。一旦应用数量很大(正如蓝牙在手机中的应用情况)，ZigBee模块成本下降，低于5美元将成为现实，然后ZigBee就能进入其它众多的小批量应用。

最具潜力的部分是家庭自动化产品。业内已经确定了200多种可能的家庭无线应用，建立了使ZigBee能够在无线领域称霸所需的数量。但由于消费者企盼的是最便宜最易于使用的产品，各大公司仍继续谨慎以待。

至今，这一产业领域在ZigBee应用名单上仍处于首要位置，尤其是用于建立监控及控制和AMR的产品。测试、确认和改进工业用/商用ZigBee将实现更好的家用产品。的确，应用是无限的。

利用ZigBee进行设计

假设你要进行一个无线应用设计，首要任务是决定采用哪一种技术。成本、可行性、速度、覆盖范围以及功耗等都必须考虑到。但不用忘记把上市时间和你能支配的工程资源也计入其内，其中主要是无线技术专业能力和软件开发能力。目前有6项技术选择：

红外技术(IR)：这是所有技术中成本最低的，但它的工作距离也最短，只能在视距以内，而且中间不能有障碍物。其数据率为16Mbps。

ISM无线技术：这些价廉的芯片工作在315、433和902到928MHz频段。还有大量同样价廉的模组，但没有标准协议。对真正的简单应用而言，这是最佳选择。

蓝牙技术：这种快速(达3Mbps)低成本技术的典型使用距离在10到100米间。它已高度成熟，具有多种规范，并能提供PAN ad-hoc(非网状结构)联网能力。

Wi-Fi：也叫做802.11a/b/g，它的应用领域广泛。尽管比较昂贵，但Wi-Fi具有达54Mbps的极高数据率和最大的覆盖范围(100米)。Wi-Fi收发器的功耗较大，集成到网状网络也比较困难。

ZigBee：这是最新技术。它选择了低数据率(至250kbps)来换取极低功耗和固有网状能力。目前正式规范尚未出笼，但已在开发之中。随着批量的逐步增加，其价格将下降。在所有无线技术中，它的潜力最大。

UWB：超宽带现在已有芯片和模组产品。它的速度极高(100到480Mbps)，但覆盖距离很短(小于10米)，这决定了它往往被用作消费产品中的视频和高速数据(USB)解决方案。目前没有网状网络能力。

通过使用无线中继以更低的成本提供更长的覆盖距离，网状结构网络大大扩展了你的无线可能性。网状结构还有一个主要的优势，即可靠性。它解决了和无线技术采用有关的许多问题。顺便提一句，只有在ZigBee提供网状结构时，才有这一优点。

如果选用了ZigBee，你的下一个选择就是频段。在欧洲，只有一个选择，即868MHz。在美国以及全球其它地区，2.4GHz频段是最有用的，也是最多芯片和模块工作的频段。

现在只有少数915MHz模组可用，但它们的优点是覆盖距离较长(户外达1,000米)，而且对墙等障碍物的穿透力更强。ZigBee在2.4GHz频段下的户外最大覆盖距离为400米，室内最大覆盖距离在30米左右。它能穿透一层混凝土墙壁，但无法穿透两层。

如果你对你的无线设计能力和编程能力感到放心，你可以购买自己的芯片然后继续进行下去。不要忘记需要一根好天线。这时，参考设计也很有帮助。ZigBee联盟已认可了6种ZigBee兼容开发平台，并将推出更多。

由于芯片设计与IEEE 802.15.4和ZigBee联盟标准的关系如此紧密，设计特性和规范非常类似。你如何进行区分呢？除了良好的参考设计和开发平台之外，还要选择象高接收器灵敏度(为了实现更大的覆盖距离和更高的可靠性)和睡眠电流消耗(为了实现较长的电池寿命)等规范。

若你希望规避设计中的整个无线部分，可以选择完整的模组。许多公司都在印制电路板上或在机箱或道尔芯片(dongle)中安装有完整的封装好的模块，包括天线在内。要使用这种模块，你所需做的只是把电池和用于监控应用的传感器连接起来，或者是把电池和控制应用中的激励器连接在一起。

在这一点上，你的设计涉及了程序编写或针对你的特定应用的代码。请记住大多数芯片和模块供应商都提供相应的软件开发平台。此外，对流行应用而言，第三方软件也正变得越来越普遍，尤其是传感器网络和网状网络。

ZigBee的未来发展

正如大多数无线技术，ZigBee也有一个发展蓝图。虽然我们中的大多数都没有参与制定未来计划，但我们可以根据惯例、暗示和常识来猜测在这个蓝图上有些什么。

首先，我们预计联盟将开发出更多的规范。也将有更多的产品面世，主要是软件，可加快你的开发速度。在硬件方面，我们也许能预期在未来某个时候会推出更高速度的版本。但目前对大多数应用来说，速度还不成其为主要问题。不过通过对调制进行修整，设计人员应该能够把现在的250kbps速度提高到两倍。

最后，允许移动应用的无线电技术变革正在进行中。目前的ZigBee也许能够处理10到15mph(每小时所行驶之英里数)的一般移动速度。但如果移动节点需要100mph的速度，就需要对技术进行变革，比如在RFID或其它移动应用中。