突破瓶颈 轻松设计ZigBee应用系统
2008-11-26
作者：吴线
当前华尔街的金融风暴来势凶猛，许多技术领域都感到阵阵寒风，然而具有绿色特点和节能特征ZigBee技术，却在这波风暴中，依然红火，发展迅速。
ZigBee联盟最近推出了最新ZigBee PRO技术，在自动跳频处理，可靠网状网络多路径自动路由选择，大型复杂网络，网络安全等方面，取得了突破进展，使无线网络功耗更低，运行更可靠。以TI/CHIPCON为代表的一批厂家，也陆续推出了完全免费ZigBee协议栈" title="协议栈">协议栈和一大批新的无线SoC芯片和系列扩展电路，这些芯片以低成本，微功耗为特征，加速了ZigBee技术的产品化和实用化的步伐，使ZIGBEE技术以越来越快的速度，开始融入我们生活的方方面面，也越来越快的进入各行各业，在节能，环保，数字家庭，现代农业，工业自动化，健康照顾等等领域，大显神通。据有关市场研究机构估计，到2010年，全球将会销售多达5亿8千万片ZigBee芯片。
一、突破ZigBee应用系统设计" title="系统设计">系统设计的瓶颈
ZigBee技术是建立在IEEE802.15.4国际标准上的一种自组织无线网络技术，主要的硬件基础是一个符合IEEE802.15.4国际标准硬件收发器和一个微控制器" title="微控制器">微控制器(可以是任何8、16、32位内核的微控制器，国内也称为单片机)，软件主要是运行于单片机内部的一套软件，称为ZigBee协议栈。
对于一个实际ZIGBEE应用系统" title="应用系统">应用系统的设计，设计者主要面对的技术难点有三个，通讯距离，高频设计技术和无线软件技术，这也是ZigBee技术走向应用的主要瓶颈。
1、通讯距离问题，由于一般的ZigBee前端RF部分输出大部分只有0DBM，点对点开阔地带实际通讯距离只有几十米，如果加上环境和阻挡因数，通讯距离还会缩水。虽然可以通过中继路由来解决，都是很多应用还是有困难，像无线点菜系统，棉田滴灌系统，安防系统，楼宇监控，医院应用，粮库监控，电力线监控，井下定位等等，都需要比较长的通讯距离才可以满足需要。
2、ZigBee芯片工作在2.4GHZ和900MHZ的高频率，硬件设计不可能绕开高频设计和调试，需要的高频设备如频谱分析仪等，价格较高，也构成了一定技术门槛。
3、为了实时处理复杂的无线网络管理和路由，ZigBee软件协议栈代码比较复杂，同时涉及比较多的无线技术知识背景，掌握这些无线软件需要比较多的时间，加上协议栈在不断升级，使用的微控制器也在不断变化中，也加长了开发和调试周期。
这些瓶颈，早已经被相关厂家所重视，目前我们看到，很多厂家已经推出了各种比较完整的解决方法。对于ZIGBEE通讯距离的扩展，目前采用外部扩展和内部增加放大器两套办法，TI最近推出的CC2591放大器芯片，就是比较典型的外部扩展的办法，CC2591能够和CC2430等ZigBee单芯片完整结合，以非常低的成本，实现ZIGBEE通讯距离的扩展，图一是CC2591原理和采用CC2591CC+2430设计的EZ-LBee模块系列产品。
图1 CC2591CC+2430设计的EZ-LBee模块
采用CC2591后，ZigBee网络通讯距离可以轻易在点对点开阔地带通讯距离可以达到600米以上，通过ZigBee网状网络的自动中继路由，可以容易实现微功耗下数十公里的网络 通讯和无线传感器网络。
由于大量模块化产品的出现，也就同时解决了第二个应用瓶颈，这些模块只有大约1平方英寸大小(随着工艺改进还会越来越小)，可以使用AA电池供电，也非常容易集成到用户系统中去。对于用户使用而言，从模块入手，完全避免的高频设计和调试的问题，可以将自己的主要精力主要集中到自己的应用系统设计。
而且由于目前的模块，大多数在出厂时也配备了一套ZigBee串口通讯协议，这套协议将复杂的ZigBee应用，转换为简单的，具有ZigBee网络功能的AT命令集，例如加入网络，配置网络，数据收发等功能，都可以通过单片机向串口发送简单的操作命令来完成，用户只要会单片机串口编程，无需要深入研究ZigBee协议栈，就可以轻松使用ZigBee技术。这样就解决了第三个主要的技术瓶颈。
二、标准产品和评估系统加快ZigBee应用系统集成
通过使用内置ZigBee网络功能长距离微功耗模块，基本解决了ZigBee技术走向实际应用的主要瓶颈，但是对于系统集成商和应用集成商而言，要在自己熟悉的行业，将ZigBee技术容易的集成到自己的系统中去，还会面临2个其他方面的困难。一是评估困难，二是缺乏部件化的标准组件。
第一方面的困难是：ZigBee是一种全新的技术，系统集成商在开始进行评估时，缺乏必要的实际评估系统，所以无法实际观测和了解ZigBee技术实际效果，如通讯距离，抗干扰能力，功耗，环境适应等，而且对这样的系统如何设计，也心中无数。
第二方面的困难是，缺乏标准的应用组件，可以容易像搭积木一样，迅速采用这些标准部件，构成自己需要的ZigBee系统。
其实，标准产品，也可以使用来作为快速评估系统 ， 根据目前这样的实际应用需要，不少厂家也陆续推出了各种ZigBee标准产品，包括网关(实现ZigBee网络和GPRS，WI-FI，以太网，蓝牙等网络的互联)，路由器，低功耗节点，也推出了各种应用评估系统。图二和图三是目前已经上市的部分ZigBee标准产品：
图2 典型的无线路由器，低功耗节点标准产品
图3 典型的无线网关产品
这些标准产品都是“即插即用”产品，你可以像搭积木一样，在很短时间内对ZigBee技术进行现场测试，也很容易将这些标准产品集成到你自己的系统中去，实现一个长距离，微功耗的巨大网状网络和各种行业应用。
三、ZigBee应用系统设计的层次和实例
随着ZigBee技术和无线传感器网络技术不断向更加广阔的应用领域深入，如果是采用由浅入深的路径，大概顺序如下：
1、系统集成，在这个层次，主要是要掌握ZigBee技术的应用特征，例如系统可靠性和网络可靠性，通讯距离，抗干扰性能，低功耗性能等，使用标准产品和评估系统进行是比较好的进入点。
优点：入门需要的时间短，几个小时或几天。缺点：系统灵活性可能不够，成本稍微高一些。
2、采用模块和自己的单片机系统组合设计，这要求对单片机技术比较熟悉，当然最好是采用自己熟悉的单片机，主要工作是熟悉ZigBee AT命令集，如何通过AT命令集来操作复杂ZigBee无线网络，由于不需要分析无线协议栈代码和进行高频设计，用户可以将主要精力集中在自己的应用代码开发。
优点：入门时间是一星期或更短。(如果能够使用带有驱动源代码的模块开发系统" title="开发系统">开发系统，还可以进一步缩短上手时间)。缺点：需要在模块后面，加上自己的微控制器，成本稍有增加。
3、采用模块或者直接使用ZigBee芯片进行自己的ZigBee应用系统设计。
如果不希望进行高频设计，可以从模块开始，直接使用TI等公司提供的ZigBee协议栈源代码和库文件，自己进行应用代码的编写，然后直接下载到模块进行调试，由于EZ-LBee这样的通用，开放，开源模块的出现，使这种开发办法成为了可能。
当然，也可以自己直接采用CC2430/CC2431等芯片，使用ZigBee开发系统，进行设计。
优点：可以实现单芯片化设计，最终产品成本最低。缺点：需要对软件和ZigBee协议栈进行消化和分析，也需要高频设计方面的知识和经验，需要的时间可能是数月或更长。
当然，我们也可以将上述过程看成一个对ZigBee技术逐步深入的过程的不同阶段，而这些阶段，也是一个入门和熟悉ZigBee技术的渐进过程。
下面，我们就以一个实际应用系统设计例子，来看看如何实现应用系统评估设计全过程：
应用实例：ZigBee无线温度传感器网络系统
主要功能： 对温湿度进行无线测量、监控、记录。
应用对象：高层字楼、医院、，成品库、醇化库、发酵库、储丝房、粮库、烟草库，温室大棚等，需要对温度，湿度进行监控，而且布线困难的应用。
图4 ZigBee无线温度传感器网络系统
应用系统的评估和开发过程：
评估：采用评估系统，安装电池，安装PC监控应用软件，系统自动组网，PC软件显示出传感器节点传来的实时数据，10分钟内完成安装，可以方便进行通讯距离，可靠性等评估。
模块级别外置微控制器开发：
使用自己选择的微控制器接口 标准产品模块，采用ZigBee模块开放系统，在AT命令级别进行自己的软件开发，下面是外置8051和STM32两种ZigBee模块开发平台，软件支持KEIL 8051和STM32位平台。
图5 外置8位和32位微控制器ZigBee模块开发系统
模块内部软件开发：
将模块从应用系统或者模块开发系统20脚插座取下来，直接插入C51RF-3-PK这样ZigBee开发系统的20脚插座，不需要任何硬件更改，就可以直接采用IAR等软件开发平台和TI免费ZigBee协议栈进行CC2430内部ZigBee协议栈和应用软件代码开发，包括编译，下载，调试等，实现单芯片，低成本的高级ZigBee应用。
从上面的这个例子我们可以看到，由于ZigBee芯片厂家和应用支持厂家大量推出各种标准产品和评估工具，开发系统，开放资源的模块和模块开发工具，免费ZigBee协议栈等，大大降低了ZigBee技术入门台阶，目前用户可以方便的根据自己的实际情况，确定进入和入门的方式，轻松开始ZigBee应用系统设计和轻松将ZigBee技术集成在自己的行业应用中。