ZigBee – 新型低功耗无线标准

作者：Peter Forstner，德州仪器

越来越多的有线数据传输正被无线解决方案所取代。对用户而言除了无需使用线缆带来的方便之外，无线解决方案还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进成本是非常重要的考虑因素。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。因此，在无线网络中，每个节点的功耗便成为一个重要的考虑因素。所以超低功耗设计技术就变得至关重要，特别是在无线传感器节点许多年内均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一个现有无线标准或实施一个专用解决方案，并在内部完成全面系统开发。这两种方法各有利弊：

• 专用解决方案
  • 优点：硬件灵活性高且成本低，因为仅需实施必要的功能。
  • 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
  • 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。
  • 缺点：通常，该标准的软件部分为非必须的且在应用中未使用该软件部分。这就增加了软件和数据存储所需的存储器尺寸。

得到广泛认可的无线标准有多种，且每一种标准都针对一个特殊的应用领域。 其中最知名的 RF 标准为：

• Wi-Fi/802.11：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。
• 蓝牙：适用于低功耗短距离一般速度传输。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，利用一节小型电池就可使器件工作多年的超低功耗是至关重要的。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

由于 Wi-Fi/802.11 和蓝牙并非是传感器和控制应用的最佳解决方案，因此开发出了 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) 通过批准。该标准不但说明了个人局域网 (PAN) 中的点对点传输，而且还定义了低功耗、低速及稳健的 RF 传输的物理层 (PHY) 和媒体接入控制层 (MAC)。一般室内的传输距离从 10 米到 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，最长电池使用寿命可长达数年。

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带为 315MHz 和 915MHz。只有 2.4GHz 频带（Wi-Fi 和蓝牙也使用该频带）在全球通用。鉴于此，2.4 GHz 频率适用于遍布全球各地的各种应用。此外，就 868MHz 和 915MHz 而言，也可使用相同的天线。只要具有一个灵活的、自由可编程 RF 收发器，一款交替运行在 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带范围。这会增加成本物流 (cost logistics)，因为必须要分配两个不同版本的固件。

图 2 ZigBee 星形网络

图 4 ZigBee 栈架构

图 4 显示了 ZigBee 栈架构。底层的 PHY 和 MAC 均是由 IEEE 802.15.4 标准来定义。上述所有层均由 ZigBee 来定义的。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，并发送下一个 ZigBee 节点上接收到的数据包，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。具有一个射频功能的一个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，ZDO（ZigBee 设备对象）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。

ZigBee 配置文件

只有所有的 ZigBee 符合ZigBee 标准配置文件之一，才能实现 ZigBee 产品的厂商无关兼容性。ZigBee 联盟将配置文件定义为一种可确保应用级互操作性的方法。

除协议之外，配置文件还对发送至其他设备的数据内容进行了定义，例如，哪个数据内容将开启灯具，哪个数据内容又将灯具关闭。配置文件中的定义为：

• 独特的配置文件 ID
• 设备类型
• 报文格式、内容编码以及集群解释

已经定义的标准配置文件为：

• “家庭自动化”（自 2006 年 9 月开始，不再后向兼容以前的“家庭控制——照明”）
• “工业厂房监控”（自 2006 年第四季度开始）
• 包括 HVAC 在内的“商用楼宇自动化”（自 2007 年第一季度开始）

其他标准配置文件尚在讨论之中，如自动抄表、医疗保健等。专用配置文件可由客户来定义，但是这会限制共享这一配置文件的设备的应用互操作性。专用配置文件并不排斥网络级互操作性。

为了确保新开发的终端设备符合 ZigBee 标准以及标准配置文件之一， 必须要进行 ZigBee 一致性认证测试。一旦顺利通过该测试，则在该产品上就可以使用 ZigBee 徽标。

TI 推出的 ZigBee 解决方案

TI 推出了一系列完整的硬件和软件 ZigBee 解决方案。MSP430 微控制器产品系列由于其出色的超低功耗性能以及易于使用的开发工具而被熟知。自 2006 年起，该 16 位微控制器实现了架构升级，现在该微控制器具有高达 120k 的闪存以及高达 10k RAM 存储器。具有高于60k 闪存的MSP430 派生产品系列将于下月推出。MSP430 架构升级与现有的 MSP430 版本 100% 二进制后向兼容，并且仍然使用线性内存寻址范围。该解决方案实现了众所周知的易用性架构与现有 MSP430 编码 100% 重复使用性的结合。

此外，TI 还推出了首款符合 ZigBee 标准的收发器 CC2420。该 2.4 GHz 收发器被广泛用于 ZigBee 社区，功耗低且具有与其他任何 MSP430 微控制器轻松组合的特性。作为一种替代产品，CC2430是在一颗芯片上集成了CC2420 收发器与 8051 CPU的片上系统（ SoC）。

TI 还推出了用于 MSP430 + CC2420 和 SoC CC2430的ZigBee 软件栈 Z-Stack。Z-Stack 完全符合 ZigBee 标准，并提供了许多灵活的用户可选选项。

结论

ZigBee 是一种基于开放性全球标准、针对低功耗、无线网络化监控及控制产品的标准。该标准凭借经过测试的软硬件确保了快速的开发时间。厂商互操作性是符合 ZigBee 标准的产品的另一个优势。现在开始供应 ZigBee 硬件和软件。

参考文献

• 如欲了解 Zigbee 联盟的更多详情，敬请访问：www.zigbee.org。
• 如欲下载产品说明书或其他技术文档，敬请访问：www.ti.com/cc2420-ca 和 www.ti.com/cc2430-ca。
• 如欲了解 MSP430 解决方案的更多详情，敬请访问：www.ti.com/msp430。

作者简介

Peter Forstner，硕士工程师 (Dipl. Ing.)，现任 TI MSP430 现场应用工程师，此外他还是“科技委员会成员”。Peter 毕业于柏林科技大学 (Technical University in Berlin)，主修电子工程专业。