ZIGBEE應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)突破瓶頸

當(dāng)前，華爾街的金融風(fēng)暴來勢兇猛，許多技術(shù)領(lǐng)域都感到陣陣寒風(fēng)，然而，具有綠色特點(diǎn)和節(jié)能特征的ZIGBEE技術(shù)，卻在這波風(fēng)暴中，依然紅火，發(fā)展迅速。

ZIGBEE聯(lián)盟最近推出了最新的ZIGBEE PRO技術(shù)，在自動跳頻處理，可靠網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)多路徑自動路由選擇，大型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)安全等方面，取得了突破進(jìn)展，使無線網(wǎng)絡(luò)功耗更低，運(yùn)行更可靠；以TI/CHIPCON為代表的一批廠家，也陸續(xù)推出了完全免費(fèi)的ZIGBEE協(xié)議棧和一大批新的無線SoC芯片和系列擴(kuò)展電路，這些芯片以低成本，微功耗為特征，加速了ZIGBEE技術(shù)的產(chǎn)品化和實(shí)用化的步伐，使ZIGBEE技術(shù)以越來越快的速度，開始融入我們生活的方方面面，也越來越快的進(jìn)入各行各業(yè)，在節(jié)能，環(huán)保，數(shù)字家庭，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，工業(yè)自動化，健康照顧等等領(lǐng)域，大顯神通；據(jù)有關(guān)市場研究機(jī)構(gòu)估計(jì)，到2010年，全球?qū)N售多達(dá)5億8千萬片ZIGBEE芯片。

一、突破ZIGBEE應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的瓶頸

ZIGBEE技術(shù)是建立在IEEE802.15.4國際標(biāo)準(zhǔn)上的一種自組織無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要的硬件基礎(chǔ)是一個符合IEEE802.15.4國際標(biāo)準(zhǔn)硬件收發(fā)器和一個微控制器（可以是任何8、16、32位內(nèi)核的微控制器，國內(nèi)也稱為單片機(jī)），軟件主要是運(yùn)行于單片機(jī)內(nèi)部的一套軟件，稱為ZIGBEE協(xié)議棧。

對于一個實(shí)際ZIGBEE應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者主要面對的技術(shù)難點(diǎn)有三個，通訊距離，高頻設(shè)計(jì)技術(shù)和無線軟件技術(shù)，這也是ZIGBEE技術(shù)走向應(yīng)用的主要瓶頸。

1、通訊距離問題，由于一般的ZIGBEE前端RF部分輸出大部分只有0DBM，點(diǎn)對點(diǎn)開闊地帶 實(shí)際通訊距離只有幾十米，如果加上環(huán)境和阻擋因數(shù)，通訊距離還會縮水。雖然可以通過中繼路由來解決，都是很多應(yīng)用還是有困難，像無線點(diǎn)菜系統(tǒng)，棉田滴灌系統(tǒng)，安防系統(tǒng)，樓宇監(jiān)控，醫(yī)院應(yīng)用，糧庫監(jiān)控，電力線監(jiān)控，井下定位等等，都需要比較長的通訊距離才可以滿足需要；

2、ZIGBEE芯片工作在2.4GHZ和900MHZ的高頻率，硬件設(shè)計(jì)不可能繞開高頻設(shè)計(jì)和調(diào)試，需要的高頻設(shè)備如頻譜分析儀等，價格較高，也構(gòu)成了一定技術(shù)門檻；

3、為了實(shí)時處理復(fù)雜的無線網(wǎng)絡(luò)管理和路由，ZIGBEE軟件協(xié)議棧代碼比較復(fù)雜，同時涉及比較多的無線技術(shù)知識背景，掌握這些無線軟件需要比較多的時間，加上協(xié)議棧在不斷升級，使用的微控制器也在不斷變化中，也加長了開發(fā)和調(diào)試周期；

這些瓶頸，早已經(jīng)被相關(guān)廠家所重視，目前我們看到，很多廠家已經(jīng)推出了各種比較完整的解決方法。

對于ZIGBEE通訊距離的擴(kuò)展，目前采用外部擴(kuò)展和內(nèi)部增加放大器兩套辦法，TI最近推出的CC2591放大器芯片，就是比較典型的外部擴(kuò)展的辦法，CC2591能夠和CC2430等ZIGBEE單芯片完整結(jié)合，以非常低的成本，實(shí)現(xiàn)ZIGBEE通訊距離的擴(kuò)展，圖一是CC2591原理和采用CC2591CC+2430設(shè)計(jì)的EZ-Lbee模塊系列產(chǎn)品。

圖一CC2591CC+2430設(shè)計(jì)的EZ-Lbee模塊

采用CC2591后，ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)通訊距離可以輕易在點(diǎn)對點(diǎn)開闊地帶通訊距離可以達(dá)到600米以上， 通過ZIGBEE網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的自動中繼路由 ，可以容易實(shí)現(xiàn)微功耗下數(shù)十公里的網(wǎng)絡(luò) 通訊和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

由于大量模塊化產(chǎn)品的出現(xiàn)，也就同時解決了第二個應(yīng)用瓶頸，這些模塊只有大約1平方英寸大小（隨著工藝改進(jìn)還會越來越?。梢允褂肁A電池供電，也非常容易集成到用戶系統(tǒng)中去；對于用戶使用而言，從模塊入手，完全避免的高頻設(shè)計(jì)和調(diào)試的問題，可以將自己的主要精力主要集中到自己的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

而且由于目前的模塊，大多數(shù)在出廠時也配備了一套ZIGBEE串口通訊協(xié)議，這套協(xié)議將復(fù)雜的ZIGBEE應(yīng)用，轉(zhuǎn)換為簡單的，具有ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)功能的AT命令集，例如加入網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)收發(fā)等功能，都可以通過單片機(jī)向串口發(fā)送簡單的操作命令來完成，用戶只要會單片機(jī)串口編程，無需要深入研究ZIGBEE協(xié)議棧，就可以輕松使用ZIGBEE技術(shù)；這樣，就解決了第三個主要的技術(shù)瓶頸。

二、 標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品和評估系統(tǒng)加快ZIGBEE應(yīng)用系統(tǒng)集成

通過使用內(nèi)置ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)功能的長距離微功耗模塊，基本解決了ZIGBEE技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用的主要瓶頸，但是，對于系統(tǒng)集成商和應(yīng)用集成商而言，要在自己熟悉的行業(yè)，將ZIGBEE技術(shù)容易的集成到自己的系統(tǒng)中去，還會面臨2個其他方面的困難。一是評估困難，二是缺乏部件化的標(biāo)準(zhǔn)組件。

第一方面的困難是：ZIGBEE是一種全新的技術(shù)，系統(tǒng)集成商在開始進(jìn)行評估時，缺乏必要的實(shí)際評估系統(tǒng)，所以無法實(shí)際觀測和了解ZIGBEE技術(shù)實(shí)際效果，如通訊距離，抗干擾能力，功耗，環(huán)境適應(yīng)等，而且對這樣的系統(tǒng)如何設(shè)計(jì)，也心中無數(shù)；

第二方面的困難是，缺乏標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用組件，可以容易的向搭積木一樣，迅速采用這些標(biāo)準(zhǔn)部件，構(gòu)成自己需要的ZIGBEE系統(tǒng)；

其實(shí)，標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，也可以用來作為快速評估系統(tǒng) ， 根據(jù)目前這樣的實(shí)際應(yīng)用需要，不少廠家也陸續(xù)推出了各種ZIGBEE標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，包括網(wǎng)關(guān)（實(shí)現(xiàn)ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)和GPRS，WI-FI，以太網(wǎng)，藍(lán)牙等網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)），路由器，低功耗節(jié)點(diǎn)，也推出了各種應(yīng)用評估系統(tǒng)；圖二和圖三是目前已經(jīng)上市的部分ZIGBEE標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品：

圖二 典型的無線路由器，低功耗節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品

圖三 典型的無線網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品

這些標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品都是“即插即用”的產(chǎn)品，你可以像搭積木一樣，在很短時間內(nèi)，對ZIGBEE技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場測試，也很容易將這些標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品集成到你自己的系統(tǒng)中去，實(shí)現(xiàn)一個長距離，微功耗的巨大網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和各種行業(yè)應(yīng)用；

三、ZIGBEE應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的層次和實(shí)例

隨著ZIGBEE技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷向更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域深入，如果是采用由淺入深的路徑，大概順序如下：

1、系統(tǒng)集成，在這個層次，主要是要掌握ZIGBEE技術(shù)的應(yīng)用特征，例如系統(tǒng)可靠性和網(wǎng)絡(luò)可靠性，通訊距離，抗干擾性能，低功耗性能等，使用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品和評估系統(tǒng)進(jìn)行是比較好的進(jìn)入點(diǎn)；

優(yōu)點(diǎn)是：入門需要的時間短，幾個小時或幾天；

缺點(diǎn)是：系統(tǒng)靈活性可能不夠，成本稍微高一些；

2、采用模塊和自己的單片機(jī)系統(tǒng)組合設(shè)計(jì)，這要求對單片機(jī)技術(shù)比較熟悉，當(dāng)然最好是采用自己熟悉的單片機(jī)，主要工作是熟悉ZIGBEE AT命令集，如何通過AT命令集來操作復(fù)雜的ZIGBEE無線網(wǎng)絡(luò)，由于不需要分析無線協(xié)議棧代碼和進(jìn)行高頻設(shè)計(jì)，用戶可以將主要精力集中在自己的應(yīng)用代碼開發(fā)；

優(yōu)點(diǎn)是：入門時間是一星期或更短；（如果能夠使用帶有驅(qū)動源代碼的模塊開發(fā)系統(tǒng)，還可以進(jìn)一步縮短上手時間）；

缺點(diǎn)是：需要在模塊后面，加上自己的微控制器，成本稍有增加；

3、采用模塊或者直接使用ZIGBEE芯片進(jìn)行自己的ZIGBEE應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

如果不希望進(jìn)行高頻設(shè)計(jì)，可以從模塊開始，直接使用TI等公司提供的ZIGBEE協(xié)議棧源代碼和庫文件，自己進(jìn)行應(yīng)用代碼的編寫，然后直接下載到模塊進(jìn)行調(diào)試，由于EZ-Lbee這樣的通用，開放，開源模塊的出現(xiàn)，使這種開發(fā)辦法成為了可能。

當(dāng)然，也可以自己直接采用CC2430/CC2431等芯片，使用ZIGBEE開發(fā)系統(tǒng)，進(jìn)行設(shè)計(jì)；

優(yōu)點(diǎn)是：可以實(shí)現(xiàn)單芯片化設(shè)計(jì)，最終產(chǎn)品成本最低；

缺點(diǎn)是：需要對軟件和ZIGBEE協(xié)議棧進(jìn)行消化和分析，也需要高頻設(shè)計(jì)方面的知識和經(jīng)驗(yàn)，需要的時間可能是數(shù)月或更長；

當(dāng)然，我們也可以將上述過程看成一個對ZIGBEE技術(shù)逐步深入的過程的不同階段，而這些階段，也是一個入門和熟悉ZIGBEE技術(shù)的漸進(jìn)過程。

下面，我們就以一個實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)例子，來看看如何實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)評估設(shè)計(jì)全過程：

應(yīng)用實(shí)例：ZIGBEE無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

主要功能： 對溫濕度進(jìn)行無線測量、監(jiān)控、記錄；

應(yīng)用對象：高層字樓、醫(yī)院、，成品庫、醇化庫、發(fā)酵庫、儲絲房、糧庫、煙草庫，溫室大棚等，需要對溫度，濕度進(jìn)行監(jiān)控，而且布線困難的應(yīng)用。系統(tǒng)應(yīng)用框圖（ 圖4）

圖四 ZIGBEE無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

應(yīng)用系統(tǒng)的評估和開發(fā)過程：

評估： 采用評估系統(tǒng)，安裝電池，安裝PC監(jiān)控應(yīng)用軟件，系統(tǒng)自動組網(wǎng)，PC軟件顯示出傳感器節(jié)點(diǎn)傳來的實(shí)時數(shù)據(jù)，10分鐘內(nèi)完成安裝，可以方便進(jìn)行通訊距離，可靠性等評估；

模塊級別外置微控制器開發(fā)：

使用自己選擇的微控制器接口 標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品模塊，采用ZIGBEE模塊開放系統(tǒng)，在AT命令級別進(jìn)行自己的軟件開發(fā)，下面是外置8051和STM32兩種ZIGBEE模塊開發(fā)平臺，軟件支持KEIL 8051和STM32位平臺。見圖五

圖五 外置8位和32位微控制器的ZIGBEE 模塊開發(fā)系統(tǒng)

模塊內(nèi)部軟件開發(fā)：

將模塊從應(yīng)用系統(tǒng)或者模塊開發(fā)系統(tǒng)20腳插座取下來，直接插入C51RF－3－PK這樣ZIGBEE開發(fā)系統(tǒng)的20腳插座，不需要任何硬件更改，就可以直接采用IAR等軟件開發(fā)平臺和TI免費(fèi)ZIGBEE協(xié)議棧進(jìn)行CC2430內(nèi)部ZIGBEE協(xié)議棧和應(yīng)用軟件代碼開發(fā)，包括編譯，下載，調(diào)試等，實(shí)現(xiàn)單芯片，低成本的高級ZIGBEE應(yīng)用；

從上面的這個例子我們可以看到，由于ZIGBEE芯片廠家和應(yīng)用支持廠家大量推出各種標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品和評估工具，開發(fā)系統(tǒng)，開放資源的模塊和模塊開發(fā)工具，免費(fèi)ZIGBEE協(xié)議棧等，大大降低了ZIGBEE技術(shù)入門臺階，目前用戶可以方便的根據(jù)自己的實(shí)際情況，確定進(jìn)入和入門的方式，輕松開始ZIGBEE應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)和輕松將ZIGBEE技術(shù)集成在自己的行業(yè)應(yīng)用中