ZigBee成為2006年最熱的短距離無線技術

市場上推行一種的新的技術或標準所需的時間似乎總是比預期的更長。實際上，從概念提出到實際采納所需的時間常常要好幾年之久。ZigBee也不例外。幾年來，無線技術的追隨者們已經聽聞了業界在開發ZigBee標準及其應用上所付出的巨大努力。

現在，隨著ZigBee硬件和軟件都已在市場上出現，我們可以預期今年市場上將出現真正的ZigBee產品。盡管其整個開發周期比藍牙和Wi-Fi要短，但為了達到這一目標業界付出了巨大的努力。今天，對于那些一直等待著想把無線功能添加到他們設計中的設計工程師而言，ZigBee已經準備就緒。

先讓我們看看藍牙技術成功所需的時間。現在，藍牙應用廣泛，如手機、耳機、膝上型電腦、PDA以及外圍設備。它已變得如此常見，以至于它已被當作理所當然之事，這也是一種技術成功的標志。

藍牙特別興趣小組(SIG)執行董事Mike Foley博士表示，迄今已有超過5億塊藍牙芯片出貨，目前的出貨量為每周950萬塊。ZigBee會有如此之大的市場潛力嗎？ZigBee聯盟董事長Bob Heile的答案是肯定的。事實上，ZigBee的總體潛力可能更大。

圖1：ZigBee標準覆蓋了協議的網絡層和安全層，以及應用框架和規范。

IEEE 802.15.4標準101

ZigBee是用于個人區域網(PAN)的短程無線技術的綽號，它基于ZigBee聯盟開發的IEEE 802.15.4標準及其指導方針。

IEEE標準定義了無線電的物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)層。ZigBee標準則對此進行了有效的擴展，覆蓋了協議的網絡層和安全層，以及應用框架和規范(圖1)。ZigBee聯盟也已確定了測試和驗證計劃以保證不同ZigBee供應商之間的互操作性。

802.15.4標準定義了三個開放(FCC Part 15)工作頻段：868MHz、915MHz、2.4GHz。868MHz頻段用于歐洲，915MHz頻段用于美國，2.4GHz則全球通用。因此大多數供應商會為了達到最大批量選擇2.4GHz頻段也就不足為奇。

802.15.4的數據速率比大多數其它無線標準的都要低：868MHz頻段為20kbps，915MHz頻段為40kbps，2.4GHz頻段為250kbps。但對監控和控制應用而言，這些低數據速率也已足夠快了。868MHz和915MHz無線電使用直接序列擴頻技術(DSSS)和二進制相移鍵控(BPSK)調制技術。2.4GHz無線電使用DSSS和偏移正交相移鍵控(O-QPSK)。

802.15.4標準的其它性能還包括接收器能量檢測、鏈路質量指示和空閑信道評估(CCA)。它支持競爭式和無競爭的訪問方式。最大數據包為128字節，包括達104字節的可變有效載荷(payload)。此外，802.15.4標準還采用64位和16位地址，每個網絡可支持多達65,000以上的網絡節點。

MAC可以實現網絡聯合和網絡分離。它包含具有時間同步信標的可選超級幀結構。而且，它的保證時間槽機制支持更高優先級別的通信。這種訪問方法是免碰撞的載波偵聽多址訪問(CSMA-CA)。

此外，802.15.4標準無線技術在給定信噪比(SNR)下，誤碼率(BER)是最低的。ZigBee很容易擊敗藍牙、Wi-Fi甚至ISM(工業、科學、醫療)頻段頻移鍵控(FSK)。在可靠性方面，你也很難找到有什么技術能夠超越ZigBee。

圖2：對于簡單的系統來說，目前最流行的方法是星型拓樸結構。

ZigBee增加了聯網功能

ZigBee標準基于802.15.4堆協議棧而建立，定義了設備如何聯網。它支持三種主要的自組織無線網絡類型，即星型結構、網狀結構(Mesh)和簇狀結構(Cluster tree)。

這些拓撲結構支持三類節點。第一種是ZigBee協調器(ZigBee Coordinator，ZC)，它可用于初始化網絡信息。每個網絡只有一個ZC。第二個是ZigBee路由器(ZigBee Router，ZR)，它起監視或控制作用，但它也是用跳頻方式傳遞信息的路由器或中繼器。第三是ZigBee終端設備(ZigBee End Device，ZED)，它只有監視或控制功能，不做路由或中繼之用。

在IEEE標準中，ZED被稱為精簡功能設備(Reduced-Function Device，RFD)，ZC和ZR節點稱作全功能設備(full-function device，FFD)。每一個節點都包含具有IEEE和ZigBee協議堆棧以及最小的RAM和ROM的無線收發器再加上一個嵌入式控制器。

這些電池供電單功能設備的主要功能是發送來自傳感器的數據或接收來自主控制器的指令。FFD的功能更強大，具有額外的存儲器。它們可以用作中繼器或網絡協調器。ZC和ZR可以與另一個ZC和ZR或任一ZED通話，但ZED只能和ZC或ZR通話。

對簡單系統(圖2)來說，最流行的方法是星型拓撲結構。它以一個FFD為中心，四周有多個RFD。但使ZigBee的優勢得到充分發揮的是網狀結構，在這種結構中，多個節點可彼此間進行短距通話(圖3)。而且每一個節點還能用作其它節點的中繼器。如果某個節點距離目標節點太遠，則信息可經由兩個作為中繼器的其它節點發送。

這種功能極大地延伸了任何給定節點的覆蓋距離，超出了無線電傳播物理學所允許的正常視距(line-of-sight)范圍。而且，即使某個節點傳送失敗，信息仍然能夠通過網格中的其它網絡路徑被傳送出去，從而使通信更為可靠。

由于ZigBee網絡是自組織的，并能實現自我功能恢復，故非常具有吸引力。節點搜索其它節點，并利用軟件“選中”某個節點后進行自動鏈接。它指定地址，提供路由表以識別已經證實的通信伙伴。在安全性方面，ZigBee采用AES-128加密技術來提供認證和加密。

盡管802.15.4和ZigBee標準本身都具有聯網能力，但是由應用來定義總體功能的。應用是根據某種特定需要或規范(如用于藍牙中的)而被執行的。一種規范定義某一特定應用(如傳感器網絡或工業控制)的節點行為。ZigBee聯盟已經完成了一項家庭照明和控制規范。目前要開發用于構建監控及控制、安全、自動抄表(AMR)、工業機械和處理監控、ZigBee網關及其它領域的應用規范尚有困難。

ZigBee無線網絡是專為活動時間低于1%的低占空比應用而設計的。傳感器網絡是最常見的實例。其它的還包括照明控制、安全系統和AMR。由于占空比很低，節點能夠采用電池供電，且電池壽命可達好幾年。

沒有進行發射時，節點進入耗電僅為數微安的睡眠模式。在大約15微秒后，節點能夠喚醒。傳感器節點可被周期性詢問，或者在編程時它們也能自己喚醒。鑒于ZigBee具有低功率特性，且電池壽命高達數年，它適用于某些其它無線技術根本無法適應的應用。

如果你期望利用網狀無線結構的優勢，ZigBee是一個絕佳的選擇。它把網狀結構設計和軟件開發所需數量減至最少。

圖3：在網狀結構中，多個節點可彼此間進行短距離通話。

ZigBee應用

這么說吧，ZigBee能夠用于藍牙、Wi-Fi、超寬帶(UWB)、手機及其它無線技術不能覆蓋的大部分應用領域。

ZigBee所具有的低成本、低功率、小尺寸以及保證的互操作能力等特性，都對那些希望將其產品的某些部分無線化的工程師們充滿了誘惑力。而且，利用完全定義的標準和可獲得的軟硬件，可以相當輕松容易地增添ZigBee無線技術。無線技術的“即剝即貼(peel and stick)”階段已經準備就緒。

對產業而言，關鍵的是首先要處理最被關注的最具批量潛力的應用。一旦應用數量很大(正如藍牙在手機中的應用情況)，ZigBee模塊成本下降，低于5美元將成為現實，然后ZigBee就能進入其它眾多的小批量應用。

最具潛力的部分是家庭自動化產品。業內已經確定了200多種可能的家庭無線應用，建立了使ZigBee能夠在無線領域稱霸所需的數量。但由于消費者企盼的是最便宜最易于使用的產品，各大公司仍繼續謹慎以待。

至今，這一產業領域在ZigBee應用名單上仍處于首要位置，尤其是用于建立監控及控制和AMR的產品。測試、確認和改進工業用/商用ZigBee將實現更好的家用產品。的確，應用是無限的。

利用ZigBee進行設計

假設你要進行一個無線應用設計，首要任務是決定采用哪一種技術。成本、可行性、速度、覆蓋范圍以及功耗等都必須考慮到。但不用忘記把上市時間和你能支配的工程資源也計入其內，其中主要是無線技術專業能力和軟件開發能力。目前有6項技術選擇：

紅外技術(IR)：這是所有技術中成本最低的，但它的工作距離也最短，只能在視距以內，而且中間不能有障礙物。其數據率為16Mbps。

ISM無線技術：這些價廉的芯片工作在315、433和902到928MHz頻段。還有大量同樣價廉的模組，但沒有標準協議。對真正的簡單應用而言，這是最佳選擇。

藍牙技術：這種快速(達3Mbps)低成本技術的典型使用距離在10到100米間。它已高度成熟，具有多種規范，并能提供PAN ad-hoc(非網狀結構)聯網能力。

Wi-Fi：也叫做802.11a/b/g，它的應用領域廣泛。盡管比較昂貴，但Wi-Fi具有達54Mbps的極高數據率和最大的覆蓋范圍(100米)。Wi-Fi收發器的功耗較大，集成到網狀網絡也比較困難。

ZigBee：這是最新技術。它選擇了低數據率(至250kbps)來換取極低功耗和固有網狀能力。目前正式規范尚未出籠，但已在開發之中。隨著批量的逐步增加，其價格將下降。在所有無線技術中，它的潛力最大。

UWB：超寬帶現在已有芯片和模組產品。它的速度極高(100到480Mbps)，但覆蓋距離很短(小于10米)，這決定了它往往被用作消費產品中的視頻和高速數據(USB)解決方案。目前沒有網狀網絡能力。

通過使用無線中繼以更低的成本提供更長的覆蓋距離，網狀結構網絡大大擴展了你的無線可能性。網狀結構還有一個主要的優勢，即可靠性。它解決了和無線技術采用有關的許多問題。順便提一句，只有在ZigBee提供網狀結構時，才有這一優點。

如果選用了ZigBee，你的下一個選擇就是頻段。在歐洲，只有一個選擇，即868MHz。在美國以及全球其它地區，2.4GHz頻段是最有用的，也是最多芯片和模塊工作的頻段。

現在只有少數915MHz模組可用，但它們的優點是覆蓋距離較長(戶外達1,000米)，而且對墻等障礙物的穿透力更強。ZigBee在2.4GHz頻段下的戶外最大覆蓋距離為400米，室內最大覆蓋距離在30米左右。它能穿透一層混凝土墻壁，但無法穿透兩層。

如果你對你的無線設計能力和編程能力感到放心，你可以購買自己的芯片然后繼續進行下去。不要忘記需要一根好天線。這時，參考設計也很有幫助。ZigBee聯盟已認可了6種ZigBee兼容開發平臺，并將推出更多。

由于芯片設計與IEEE 802.15.4和ZigBee聯盟標準的關系如此緊密，設計特性和規范非常類似。你如何進行區分呢？除了良好的參考設計和開發平臺之外，還要選擇象高接收器靈敏度(為了實現更大的覆蓋距離和更高的可靠性)和睡眠電流消耗(為了實現較長的電池壽命)等規范。

若你希望規避設計中的整個無線部分，可以選擇完整的模組。許多公司都在印制電路板上或在機箱或道爾芯片(dongle)中安裝有完整的封裝好的模塊，包括天線在內。要使用這種模塊，你所需做的只是把電池和用于監控應用的傳感器連接起來，或者是把電池和控制應用中的激勵器連接在一起。

在這一點上，你的設計涉及了程序編寫或針對你的特定應用的代碼。請記住大多數芯片和模塊供應商都提供相應的軟件開發平臺。此外，對流行應用而言，第三方軟件也正變得越來越普遍，尤其是傳感器網絡和網狀網絡。

ZigBee的未來發展

正如大多數無線技術，ZigBee也有一個發展藍圖。雖然我們中的大多數都沒有參與制定未來計劃，但我們可以根據慣例、暗示和常識來猜測在這個藍圖上有些什么。

首先，我們預計聯盟將開發出更多的規范。也將有更多的產品面世，主要是軟件，可加快你的開發速度。在硬件方面，我們也許能預期在未來某個時候會推出更高速度的版本。但目前對大多數應用來說，速度還不成其為主要問題。不過通過對調制進行修整，設計人員應該能夠把現在的250kbps速度提高到兩倍。

最后，允許移動應用的無線電技術變革正在進行中。目前的ZigBee也許能夠處理10到15mph(每小時所行駛之英里數)的一般移動速度。但如果移動節點需要100mph的速度，就需要對技術進行變革，比如在RFID或其它移動應用中。