ZigBee/IEEE802.15.4概述

總述

ZigBee聯盟［2］于2004年12月通過了ZigBee規范。它是針對低功耗、低成本無線嵌入式網絡而制定公開的，全球的標準。表1中列出了一些ZigBee 解決方案 適合的應用領域。

?應用領域

能源管理及輔助功能：

* 自動調溫器

* 加熱， 通風， 空調 （HVAC）

* 百葉窗等窗簾的控制

燈光控制系統：

* 電源插座

* 調光器

* 開關

* 遠程控制

環境及農業監控：

* 溫度

* 二氧化碳

* 濕度

* 振動

工業：

* 工業設備監控l

* 常規無線嵌入式傳感器網絡

* 總量控制

* 資產跟蹤

自動讀表系統：

* 電

* 氣

* 水

健康護理 / 醫療：

* 病人監護

安全報警系統：

* 家庭安全

* 煙霧探測

* 入室搶劫報警

·漏水系統

消費電子系統：

* 遠程控制

* 含ZigBee功能的手機， 例如， 支持遙主要控器功能

·PC周邊

ZigBee是建立在IEEE802.15.4［1］定義的可靠的物理層（PHY）和媒體訪問層（MAC）之上的標準。在PHY層和MAC層之上，ZigBee定義了具有數據安全特性和互操作應用界面的網狀網、星狀網和集群樹狀網絡拓撲結構。

ZigBee 規范

ZigBee規范是由ZigBee聯盟共同制定的，它定義了基于IEEE802.15.4PHY和MAC層之上的網絡，安全及應用層。ZigBee聯盟同時也制定了互操作性和兼容性測試的規范

ZigBee網絡層主要功能是發現設備并建立設備間無線鏈路，其網路層支持三種網絡拓撲結構，星狀網，網狀網（對等）和集群樹狀網結構。圖1展示了以上三種拓撲結構。

網狀網具有較高的可靠性和可測量性，因為其可以提供不止一條的網絡路徑。像這樣的網絡還具有所謂的“自修復”功能。例如，如果一個路由器節點出現故障，數據將由網絡中可選的其他路由器傳送，前提是路由器節點的密度足夠大。

圖1　ZigBee 網絡類型

ZigBee網絡的建立是非常簡單的，因為網絡的形成是自動完成的。此外，ZigBee網絡還具有很好的可測量性。

IEEE802.15.4 定義了兩類設備類型；精簡功能設備（RFD）和全功能設備（FFD）。在ZigBee系統中，這兩類設備指的是物理設備類型。

在ZigBee網絡中，一個節點可以有三種角色：ZigBee協調器，ZigBee路由器，和ZigBee終端設備。這些是ZigBee的邏輯設備類型。

ZigBee協調器的主要職責是建立網絡并設定他們的主要參數。（例如，選擇射頻通道，分配不同的網絡地址）。它可以通過ZigBee路由器來延伸網絡的通信范圍。這些路由器也可作為由于距離太遠而無法直接通訊的兩個設備間的中繼器。

FFD可以與RFD或其他FFD通訊，但RFD卻只能與FFD通訊。RFD是為了極其簡單的應用而設計的，如燈的開關或被動紅外傳感器；他們并不需要發射大量的數據，只是某一時間需要與一個FFD進行通訊。因此，RFD只需要使用最少的資源和存儲器空間，與FFD相比擁有較低的成本。FFD可以用來實現ZigBee三種邏輯設備類型但RFD只能充當終端設備。

IEEE 802.15.4 和 ZigBee RF-Ics

采用亞微級COMS 技術，具有高集成度的接收器和發射器結構，最優的系統劃分（硬件/軟件）和用于低功耗的經過優化的內嵌軟件，這些都是達到IEEE 802.15.4 /ZigBeeRF-ICs和系統底成本，低功耗要求的關鍵因素。

目前的RF-ICs 均使用具有高集成度的射頻結構，如zero-IF或low-IF接收器和直接變頻發射器。符合IEEE802.15.4規范的典型射頻收發芯片是來自Chipcon的CC2420.這是一顆2.4GHz射頻收發芯片，具有低功耗的特性，可快速應用到ZigBee產品中。這顆芯片使用0.18_m CMOS技術，使其在一塊小芯片的區域內便高度集成了數字硬件特性和完整的RF收發器。接收器采用低-中頻變頻接收，發射器采用直接變頻發射。在選擇性和靈敏度方面，CC2420的性能均超過了IEEE 802.15.4標準中所要求的性能指標，并且可以確保長距離、有效、可靠的通信。

圖2展示了CC2420RF-收發芯片的應用電路圖。可以看到由于其集成度很高所以所需的外圍元器件數目極少。CC2420在實際應用中必須外接外部單片機。

RF收發芯片的配置和數據的通訊均是通過SPI接口來完成的。一些對定時要求嚴格的MAC層功能都包含在RF-收發芯片中了，如CRC校驗，加密及一些定時功能。大部分的MAC層 功能都是在軟件中實現的，這些軟件同ZigBee協議棧、應用軟件共同運行在同一顆單片機上。

圖2　IEEE 802.15.4 RF-收發芯片的應用電路，外部單片機未標出

對于大多數的ZigBee系統來講低功耗是最關鍵的問題。因此，ZigBee RF-收發芯片和微控制器的低電流損耗就顯得尤其重要。然而，在睡眠模式下的超低功耗和從睡眠狀態到喚醒所需的極短的時間也同樣重要。如采用ZigBee技術的燈光開關（它是一個典型的ZigBee終端設備）在大多數情況下運行在無信標的模式下，僅在中斷觸發時發射數據，比如按鍵按下。為了延長電池的壽命，睡眠模式下的電流必須要求極低。

Chipcon使用自己的射頻收發芯片CC2420和瑞薩的微控制器M16C62P做出的一款ZigBee參考設計，展示了其超低的功率損耗。條件是在對等網絡通信情況下，用1Hz速率進行輪檢，使用電池容量為1800MAh的電池，其供電時間可超過10年。

CMOS技術使得開發真正的ZigBee系統級芯片變為可能。這樣一顆芯片應包括IEEE 802.15.4射頻收發器，微控制器，可編程/數據存儲器（flash和RAM）和必要的外圍器件。因為SOC具有高集成度，小型化及最重要的高成本效率。因此預計SOC對于ZigBee/IEEE 802.15.4系統將變得越來越重要。圖3展出了ZigBee　SOC的簡單的方框圖

圖3　理論上的ZigBee SoC　框圖

如何實現符合ZigBee協議的解決方案

開發符合ZigBee協議的最終產品，并使其能通過ZigBee認證獲得ZigBee標識的最好方法就是在符合ZigBee 聯盟所制定規范的開發平臺上進行開發。

符合ZigBee規范的開發平臺可以從不同的ZigBee技術提供商那里獲得，所包含的內容通常如下

* PCB板參考設計

o 符合IEEE802.15.4且經過測試的RF收發芯片

o 微控制器

o 必要的外圍元器件，如為了天線匹配所需的元器件，晶體的負載電容，去耦電容等

o 傳感器/制動器的連接線（這會因平臺不同而不同）

* 軟件

o 必要的MAC層功能

o ZigBee 軟件協議，包括應用框架

ZigBee聯盟定義了測試和互操作方式，以使ZigBee平臺供應商提供具有ZigBee適應性的開發平臺。

ZigBee適應性平臺可以表現為能夠被設計者復制的一個參考設計，或者作為一個獨立的射頻模塊。它是一個通用型的平臺并能用于不同的ZigBee應用中。隨著時間的推移經過優化的ZigBee適應性平臺，如終端設備將被提供。

為了縮短開發時間和降低測試成本，一個基本的要求是ZigBee 最終產品的制造商應該使用ZigBee開發平臺。根據最終產品所描述的功能，使用一個合適的ZigBee應用軟件界面。而產品特定的應用軟件需要被編寫。

根據公開的ZigBee應用軟件界面，只有通過ZigBee認證的產品具有ZigBee標識。最終產品必須通過兩家指定的ZigBee 測試機構（TUV Rheinland or National Technical Systems）之一的測試。另外，最終產品必須通過ZigBee互用性測試（這將被ZigBee聯盟做進一步的定義）。ZigBee聯盟為已經開發了ZigBee認證產品和想要使用ZigBee標識的的非ZigBee聯盟成員定義了使用該標識的商業條件。

注意是否受標準規定的認可不是ZigBee鑒定測試的一部分，這點是重要的。對于工作在2.4到2.4835GHz頻帶的射頻設備最重要的頻率規定是ETSI EN 300 440， ETSI EN 300 328， FCC CFR Part 15 and ARIB STD-T66。