ZigBee – 新型低功耗无线标准

1万 · 2013-9-29 18:31

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 1 免费频带的全球分配情况
IEEE 802.15.4 专门针对下列频率而定义：/p>

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的、低功耗、无线网络化监控并推出基于开放性全球标准的控制产品。ZigBee 联盟的原始会员公司包括 BM Spa 公司、Ember 公司、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。该联盟拥有超过 200 家会员公司并且这一数字还在不断增长。该联盟对 ZigBee 栈进行了定义，ZigBee 栈是 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 顶部的一种标准协议栈。ZigBee 的目标应用领域如下：

家庭自动化：
- 自动抄表 (AMR)
- 照明、制热、告警、安全
- 白色家电健康状态监
商业楼宇自动化
- 制热通风与空调系统 (HVAC)
- 能量管理
- 告警、安全
工业自动化
住院和病人护理
资产跟踪/有源 RFID
无线传感器网络

位于 IEEE 802.15.4 点对点通信协议顶部的 ZigBee 栈实现了 ZigBee 节点个人局域网 (PAN) 的实施。可以采用星形网络拓扑（请参见图 2），树形网络拓扑或网状网络拓扑（请参见图 3）。每一个 ZigBee PAN 都需要一个 PAN 协调器设备。该 PAN 协调器启动网络并向新网络分配一个 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 以及闪存要求也就大大降低了。这就使得精简功能终端设备（通常也是 ZigBee 节点的主要组成部分）颇具成本优势。精简功能终端设备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。

图 2 ZigBee 星形网络

图 3 ZigBee 网状网络
ZigBee 使用 16 位节点寻址，理论上允许了在一个 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 个节点是最为合适的。
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。照明开关就可以是一个精简功能终端设备且连续处于深睡眠模式。如果按下照明开关上的按钮，则微控制器将被唤醒，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），等待确认数据包并返回到睡眠模式。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。