原创 ZigBee方案评估要则一

要选择一个合用的ZigBee芯片，必须考虑极多的条件，包括收发器的支持频段、接受灵敏度、微控器的运算力及硬件资源，协定堆叠的完善与否，是否已通过平台认证，是否有辅助开发工具等… 
     现阶段(2008年)想挑选1个适当的ZigBee芯片方案，来开发自有的无线传感器网络(Wireless Sensor Network；WSN)应用，其抉择的困难度比蓝牙(Bluetooth)大上太多。 
     为何如此说？主要是可选择的芯片业者比蓝牙多，蓝牙市场经过数年的竞争后，几乎仅剩4家左右的业者，其中英国CSR(Cambridge Silicon Radio)就有将近一半的市占率。反踆igBee，ZigBee目前以美国TI(Texas Instruments，德州仪器，简称：德仪)为第一(附注1)，但之后至少也有8、9家业者积极抢攻ZigBee市场。 
     这些业者包括美国Ember、日本Oki Semiconductor(冲电气半导体)、美国Atmel(艾特梅)、台湾UBEC(达盛电子)、德国ZMD(Zentrum Mikroelektronik Dresden，泽恩帝)、韩国RadioPulse、美国Freescale Semiconductor(飞思卡尔半导体)、美国Integration Associates、英国Jennic...等等。 
     事实上，蓝牙在初期市场时也有十余家芯片业者积极投入，但之后仅数家业者能出线，而现在的ZigBee芯片也正在初期市场中，所以可选择的芯片业者众多，如此就造选择上的困难。

    家数多，仅是困难之一，还有其它的困难，蓝牙多半是消费性用途，但ZigBee则多半属于环境监督、控制应用，因此非常讲究耐抗性、稳定性，如此增加评估选择难度，这也是为何ZigBee标准出现后，仍有许多业者提出自有的WSN专属技术，因为WSN应用的适用性、稳定性等重要性，不见得低落于标准化，有些应用，甚至对稳定性要求胜于标准化需求。

进一步的，现阶段ZigBee的协定堆叠程序尚未很成熟，协定程序的好坏对运作的表现影响极大；再加上ZigBee 1.0、1.1、Pro等3个版本的标准，相互间不全然兼容，也使协定堆叠开发更加困难；此外ZigBee Alliance现有完成制定的应用型态(Application Profile)(附注2)仍偏少；以及认证、测试验证...等也刚起步，这些都增加了选择、评估上的困难。

     虽然有如此多的困难，但应用设计者依然要从诸多方案中选择一种来起步，如此避免错误的评估选择将很重要，反过来说即是如何用最少的心力找寻到最合用的ZigBee技术方案，以下本文将对此进行讨论。

独立封装、系统式封装、单芯片
    首先，先从最底层的硬件开始评估，现阶段由于业者投入力道与研发脚步不同，因此有3种型态的芯片可供选择，第1是独立封装的产品，即是1颗独立封装的IEEE 802.15.4无线收发器，搭配上1颗典型的微控制器；第2是使用系统式封装(System-in-Package；SiP)，将收发器芯片的裸晶与控制器的裸晶共同封装在一起；第3是芯片设计之初，就将收发器、控制器2者整合，然后一体化生产、封装，也就是所谓的系统单芯片(System-on-a-Chip；SoC)。

    3种型态，对应用开发者有何影响？如果开发者所设计的节点装置需要很省电，或节点装置必须很娇小时，就必须采SoC产品为优先考虑，次之为SiP，最后才是各自独立封装。

    不过，SoC的价格通常比较高，内建的硬件资源也较有限，虽然最省电的特性，使其最适合用于末端装置节点上，但较贵的价格也不适合大量的节点布建，不过随着半导体工艺技术成熟，SoC的价格会逐渐低廉，用量也会增多，预计成为未来ZigBee方案芯片的主流。

    那么何时使用SiP呢？SiP较耗电，但也通常拥有较多的硬件资源及运算能力，适合用在路由节点上，至于独立封装的作法则适用于不在意用电与体积的节点，通常会是重要的几个路由节点或协调节点上。

    由此看来，SoC型的芯片会逐渐成为主流，但在没有严苛用电与体积...等限制下，另2种作法依然会持续适用，但会逐渐减少使用。

支持频段、灵敏度、发送功率
    接着讨论收发器部分，收发器为类比/混讯属性的芯片，攸关实体层表现优劣，而ZigBee/IEEE 802.15.4支持868MHz、915MHz、以及2.4GHz等3个频段，不过并非所有收发器都支持这3个频段，许多仅支持最普及运用的2.4GHz，有的则同时支持2.4GHz与915MHz，这些必须在选用前就加以了解。

    另外接收灵敏度也很重要，有的为-90dBm、有的为-94dBm、有的为101dBm，灵敏度愈高愈好，如此在运作时将有较好的接收性。而发送功率方面，依据标准规定是不能超过0dBm(即1mW)，许多芯片也遵循此一标准，不过部分业者提供了弹性作法，允许应用工程师自行决定发波功率的多寡，可以比1mW更低或更高，好更适合各种特有应用场合的需求。

控制器运算力、程序存储器容量
    前面已概略提到，硬件资源的多寡决定该ZigBee芯片适合用来做何种节点，而硬件资源又可概分成2者：运算力与储存容量。

    先谈论运算力，如果是用于末端装置节点，该节点只负责环境感测、回传感测数据、或简易的控制等，如此只要用一般的8位微控器即可，但若是要做为路由节点，由于路由节点必须负责传递其它节点的信息，可谓是整个ZigBee网络中的交通枢纽、要冲，所以需要较大的运算力，对此不排除使用16位、32位的微控器。

    同样的，程序存储器方面也是如此，由于末端装置节点的工作较单纯，所以协定堆叠的程序占量也较少，可放置于32KB、64KB的程序存储器内(存储器内除了协定堆叠，也包含应用程序与若干算法)执行，反之若做为路由节点，就需要较大的程序存储器，一般需要64KB、128KB以上的容量才行。

硬件化加速设计
    在ZigBee系统中，IEEE 802.15.4收发器，通常只负责实体层(PHY)工作，而媒控层(MAC)的工作，有部分是由微控器再搭配上软件程序来实现，但也因此增加微控器的运算负荷，因此开始有业者提出将媒控层工作，进一步硬件化设计的方案，如此就可减轻微控器的运算负荷，多出来的运算力，将可以用在更复杂的网络层(NWK)运算、应用层(APP)运算上。

    不过，将媒控层的工作用硬件电路方式来实现，并不表示一定将整个媒控层的工作，都用硬件方式实现，碍于开发时间或芯片电路成本等考虑，依然只将部分的工作用电路方式呈现，还是有部分的工作，依然要倚赖微控器的程序运算来达成，但即便如此，依然可达到负荷减轻目的。

    至于网络层，有可能也以硬件方式实现吗？这问题的答案在于ZigBee标准成熟度，当ZigBee标准愈来愈成熟普及，兼容问题愈来愈少，错误修订愈来愈少，芯片业者会开始逐渐将网络层的基础机制，改用硬件方式实现，如此也可以再次降低微控器的运算负荷，但眼前似乎还不可能，仍是以软件方式来实现才经济，也较具弹性、并减少投资风险。