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ZigBee PRO技術(shù)，在自動(dòng)跳頻處理,，可靠網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)多路徑自動(dòng)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)ZigBee協(xié)議棧" title="協(xié)議棧">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(dòng)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)?huì)銷售多達(dá)5億8千萬片ZigBee芯片。
一,、突破ZigBee應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)" title="系統(tǒng)設(shè)計(jì)">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(gè)符合IEEE802.15.4國際標(biāo)準(zhǔn)硬件收發(fā)器和一個(gè)微控制器" title="微控制器">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(duì)于一個(gè)實(shí)際ZIGBEE應(yīng)用系統(tǒng)" title="應(yīng)用系統(tǒng)">應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì),，設(shè)計(jì)者主要面對(duì)的技術(shù)難點(diǎn)有三個(gè),，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(duì)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(huì)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(jià)格較高,，也構(gòu)成了一定技術(shù)門檻。
3,、為了實(shí)時(shí)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(shí)涉及比較多的無線技術(shù)知識(shí)背景,，掌握這些無線軟件需要比較多的時(shí)間,，加上協(xié)議棧在不斷升級(jí)，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(duì)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1 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(duì)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(dòng)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(shí)解決了第二個(gè)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(huì)越來越小)，可以使用AA電池供電,，也非常容易集成到用戶系統(tǒng)中去,。對(duì)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(shí)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(huì)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(gè)主要的技術(shù)瓶頸。
二,、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品和評(píng)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(duì)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(huì)面臨2個(gè)其他方面的困難,。一是評(píng)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(píng)估時(shí)，缺乏必要的實(shí)際評(píng)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(duì)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,，可以容易像搭積木一樣,，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，也可以使用來作為快速評(píng)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(píng)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2 典型的無線路由器,，低功耗節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品
????????????????????????????????????????? 圖3 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”產(chǎn)品,，你可以像搭積木一樣，在很短時(shí)間內(nèi)對(duì)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(gè)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(gè)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(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行是比較好的進(jìn)入點(diǎn),。
優(yōu)點(diǎn)：入門需要的時(shí)間短,，幾個(gè)小時(shí)或幾天。缺點(diǎn)：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(duì)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)：入門時(shí)間是一星期或更短,。(如果能夠使用帶有驅(qū)動(dòng)源代碼的模塊開發(fā)系統(tǒng)" title="開發(fā)系統(tǒng)">開發(fā)系統(tǒng),，還可以進(jìn)一步縮短上手時(shí)間)。缺點(diǎn)：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)：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)：需要對(duì)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(shí)和經(jīng)驗(yàn),，需要的時(shí)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(gè)對(duì)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(gè)入門和熟悉ZigBee技術(shù)的漸進(jìn)過程,。
下面,，我們就以一個(gè)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(píng)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(duì)溫濕度進(jìn)行無線測量,、監(jiān)控,、記錄。
應(yīng)用對(duì)象：高層字樓,、醫(yī)院,、,，成品庫、醇化庫,、發(fā)酵庫,、儲(chǔ)絲房、糧庫,、煙草庫,，溫室大棚等，需要對(duì)溫度,，濕度進(jìn)行監(jiān)控,，而且布線困難的應(yīng)用。
圖4 ZigBee無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
應(yīng)用系統(tǒng)的評(píng)估和開發(fā)過程：
評(píng)估：采用評(píng)估系統(tǒng),，安裝電池,，安裝PC監(jiān)控應(yīng)用軟件，系統(tǒng)自動(dòng)組網(wǎng),，PC軟件顯示出傳感器節(jié)點(diǎn)傳來的實(shí)時(shí)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(píng)估,。
模塊級(jí)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(jí)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(tái)，軟件支持KEIL 8051和STM32位平臺(tái),。
???????????????????????????? 圖5 外置8位和32位微控制器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(tái)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(jí)ZigBee應(yīng)用,。
從上面的這個(gè)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(píng)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(tái)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。