原创 ZigBee——新型低功耗无线标准

越来越多的有线数据传输正在被无线解决方案取代。对用户而言，线缆的弃用不仅带来了更多方便，而且大大降低了安装成本。特别是在传感器网络和控制应用中，现有网络的安装和改造成本是重要的考量因素。当从有线网络转向无线网络时，通常节点也要从有线电源转向电池供电。在无线网络中，每个节点的功耗便成为一个重要因素。因此，超低功耗设计技术变得至关重要，特别是在无线传感器节点许多年内只使用一节电池供电的情况下。

如果确定要使用无线网络，那么第一步就是要选择现有无线标准或实施专有解决方案，并在内部完成全面系统开发。这两种方法各有利弊：

* 专有解决方案

o 优点：硬件灵活性高且成本低，因为仅需实现必要的功能。

o 缺点：软件栈和传输协议开发时间长，且与其他设备不兼容

* 标准解决方案

o 优点：开发时间短，因为已有现成的软件堆栈且经过了多个用户测试。与其他厂商的产品相兼容。

o 缺点：通常，标准的软件部分为非必须的且在应用中未予以使用。这就增加了软件和数据存储所需的存储器容量。

得到广泛认可的无线标准有多种，且每一种都针对某特定应用领域。例如目前大家熟悉的 Wi-Fi/802.11和蓝牙RF标准，前者适用于相对较短距离和中等功耗的高速传输。可用于PC联网、家庭联网以及视频分配；而后者则面型低功耗短距离中速传输。可用于耳机、PC外设、PDA以及移动电话连接。

在大多数控制应用中，这些标准都不是很理想。例如，就传感器网络而言，利用一节小电池就可使器件工作多年的超低功耗最为关键。高数据速率并非必需，因为需要传输的只有极少数控制指令和某些测量值。

IEEE 802.15.4——ZigBee的基础

因此，对于传感器和控制应用而言，Wi-Fi/802.11和蓝牙并非是最佳解决方案。也正因如此，业内开发了IEEE 802.15.4 标准，并于2003年10月推出。2006年6月，IEEE 802.15.4-2006 (Rev B)获得通过。该标准不但描述了个域网(PAN)中的点对点传输，而且还定义了面向低功耗、低速度及可靠RF传输的PHY和MAC层。一般室内的传输距离从10到30米不等，在室外最大传输距离可达150 米。取决于具体应用不同，电池使用寿命可长达数年。

图 1 免费频段的全球分配情况

在实施无线传输以前，还必要对传输频率进行定义。图1显示了当今全球频率的分配情况。全球各地区低于1GHz的频率使用情况不尽相同。在欧洲，433MHz和868MHz均为免费使用，而在美国，免费使用的频段为315MHz和915MHz。只有2.4GHz频段(Wi-Fi和蓝牙也使用该频段）在全球免费使用。此外，就868MHz和915MHz而言，可以使用相同的天线。只要具有一个灵活、自由可编程 的RF 收发器，一款可选择运行在868MHz或915MHz上的全球解决方案也是一个不错的选择。在这种情况下，必须要确保将运行频率转换至设备运行地区所允许的频段范围。这会增加成本，因为必须要发布两个不同的固件版本。

IEEE 802.15.4专门针对下列频率而定义：

* 868MHz、1通道 20kbps … 100kbps(仅适用于欧洲）

* 915MHz、10通道 40kbps … 250kbps(仅适用于美国）

* 2.4GHz、16 通道 250kbps(适用于全球各地区）

ZigBee——软件栈

ZigBee联盟是一个由多家公司组成的行业协会，这些公司通力合作以实现可靠、低成本、低功耗、无线网络监控并推出基于开放性全球标准的控制产品。ZigBee联盟的推动者包括BM Spa、Ember、飞思卡尔、霍尼韦尔、华为、三菱电机、摩托罗拉、飞利浦、三星、施耐德电气、意法半导体、西门子以及TI等公司。该联盟拥有超过200家成员，并且这一数字还在不断增长。该联盟定义了ZigBee栈：是在IEEE 802.15.4 PHY和MAC之上的一种标准协议栈。ZigBee的目标应用领域如下：

* 家庭自动化：

o 自动抄表(AMR)

o 照明、制热、警报、安全

o 白家电健康状态监控

* 商业楼宇自动化

o 采暖、通风和空调系统(HVAC)

o 能量管理

o 警报、安全

* 工业自动化

* 住院和病患护理

* 资产跟踪/有源 RFID

* 无线传感器网络

图 2 ZigBee 星形网络

图 3 ZigBee 网状网络

位于IEEE 802.15.4点对点通信协议之上的ZigBee栈，使ZigBee节点的个域网(PAN)实现成为可能。可以采用星形网络拓扑(请参见图2）、树形或网状网络拓扑(请参见图3）。每一个ZigBee PAN 都需要一个PAN协调器设备。PAN 协调器启动网络，并向新网络分配PAN-ID。此外，PAN协调器通常还具有数据包路由功能。在树形和网状网络中，通常会有若干个具有ZigBee路由器功能的节点。这些路由器节点可将接收到的数据包转发至下一个ZigBee节点，并通过完整的ZigBee网络以这种方式实现数据包从发送者到接收者的跳转。

ZigBee终端设备仅与其母节点(PAN协调器或路由器)进行通信。这些终端设备的功能相对较少，因为它们不需要路由功能。精简功能设备(RFD)的一个优点就是栈尺寸明显要小很多。因此，程序闪存、数据存储器RAM以及闪存要求也大大降低。这就使得通常是ZigBee节点主要组成部分的RFD颇具成本优势。RFD特别适用于超低耗设计，因为在大部分时间里可以将微控制器和RF收发器关闭。一个具有路由功能的设备需要始终谨记，其必须要接收一个数据包。

ZigBee使用16位节点寻址，理论上允许一个PAN中有近2^16个ZigBee节点。在实际应用中，节点的数量受数据包延迟限制。就星形网络而言，<2000个节点最为合适。

谈及 ZigBee，一种比较简单的情况就是开启和关闭灯具的照明开关。照明开关可以是一个RFD且连续处于深睡眠模式。如果按下照明开关上的按钮，则微控制器被唤醒，开启射频并将要求的数据包发送至其母设备(路由器或PAN协调器），等待数据包确认并返回到睡眠模式。然后，该网络将开始传输数据包，数据包最终跳转至目标地址——灯具。路由器和PAN协调器必须始终清楚会有一个数据包到达。因此，这些节点绝不能进入深睡眠模式。但是在该示例中，如果路由器位于与主电源相连的灯具中，则不存在功耗问题。

图4：ZigBee栈架构。

图4显示了ZigBee栈架构。底层的PHY和MAC均由IEEE?802.15.4标准定义。上述所有层均由 ZigBee定义。PHY和MAC实现了两个节点间的点对点通信。ZigBee NWK(网络）层进行数据包路由，并将接收到的数据包发送至下一个ZigBee 节点，或将其转发至APS(应用支持子层）。然后，APS将处理ZigBee节点内针对某个应用的数据包。具有射频功能的一个ZigBee节点可处理若干个应用，以开关为例，温度测量和湿度测量就可在一个盒子里进行。在这种情况下，由 APS来决定哪些应用是数据包的终点。首先，ZigBee设备对象(ZDO)有助于应用软件和ZigBee堆栈软件的协同运行。一旦做出决定，还可集成一个安全服务以实现安全的数据传输。