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ZigBee:以开放姿态 席卷短距离无线通信

记者:郭晶 张慧娟



在1Mbps速率以下的多种无线通信标准中,ZigBee以其特性受到更多专有低功耗无线电广播应用的关注,它也是唯一符合低成本、低耗电无线感应器网络之特殊需求的标准导向技术。ZigBee的物理层和链路层协议主要基于IEEE802.15.4规范,这是一种经济、高效、 低数据速率、工作在2.4GHz和868/928 MHz的无线技术,用于个人区域网和对等网状网络。据ABI Research数据显示,从2005年至2012年,IEEE 802.15.4与ZigBee芯片组收入年复合年增长率为63%,其中基于802.15.4的芯片组和SoC收入增长平稳,而ZigBee 与专有协议栈节点收入增长迅速,年复合增长率将为159%。尽管现在ZigBee技术依然只在工业控制领域中得到最多认可,但其未来发展前景依然不容小视。


ZigBee特性与应用

ZigBee技术专注于低传输应用,数据传输 速率低,只有10k字节/秒到250k字节/秒。其最大的特点表现在它的低功耗与低成本特性。超长的低功耗待机特性是ZigBee支持者所一直引以为豪的独特优势,并且由于ZigBee数据传输速率低、 协议简单,免收专利费,所以大大降低了成本。此外ZigBee还具有网络容量大、时延短、安全、有效范围小、工作频段灵活等优势。

目前,ZigBee、蓝牙、Wi-Fi、UWB等几大无线传输标准依据数据速率和网络结构,形成各自分明的应用领域。其中ZigBee定位为网状网络控制,应用于短距离无线通信。ZigBee的主流市场包括居家建设及工业自动化、能耗管理、居家控制/安全、医疗/患者监测、后勤及资产追踪,同时还包括传感器网络及主动射频识别(RFID)。此外,由于802.15.4物理层提供250Kps速度,所以在消费电子中娱乐、PC外设以及音频方面,也可进行简单应用。

其中,由于目前各国政府对能源成本的严格要求,能源管理(AMR/AMI)成为ZigBee市场中最热门的应用领域,这也是各家ZigBee平台制造厂商目前所着力的重点所在。现在,美国、加拿大和欧盟都在推行自动测量仪表的使用,与现有的读表系统相比,基于ZigBee技术的自动抄表系统能节省很多时间和成本。由于得到政府的支持和 大型电气公司的推进, ZigBee技术得以应用在能源管理的各个基础架构中。

家庭应用是ZigBee未来拓展的重心之一,几十个甚至上百个支持ZigBee的模块将会被安装在各种家用电器中,通过ZigBee收集各种关于它们的信息传送到中央控制装置,或通过遥控从而达到远程控制的目的,这将使家居生活更为自动化、网络化与智能化。


联盟中的ZigBee

将ZigBee技术推广至各个应用领域和地区的ZigBee Alliance成立于2001年8月,是专门针对家用、商用、工业方面的应用提供无线解决方案的协会组织。2002年下半年,英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布加盟“ZigBee 联盟”,以研发名为“ZigBee”的下一代无线通信标准,2004年底ZigBee联盟正式提出了相关标准。现在,ZigBee联盟致力于标准互操作性和一致性测试,以及ZigBee标准全球品牌推广。日前,ZigBee联盟在京举办的无线解决方案论坛大会正是其重要的市场推进活动之一,多家联盟会员公司参与展示了ZigBee最新产品和技术方案。其中颇具代表性的,当属飞思卡尔与德州仪器公司的ZigBee芯片技术与解决方案。

Freescale是最早加入ZigBee联盟的厂商之一,在联盟一直处于领导地位。2004年Freescale推出了第一款ZigBee平台,目前已覆盖RFIC、MCU、软件的完整方案。
相 比于较早进入ZigBee领域的Freescale,直至2006年TI才以完成ZigBee主要芯片供应商Chipcon收购,来正式发力Zigebee技术领域。Chipcon为TI带来了成熟的产品和解决方案,包括符合2.4GHz IEEE 802.15.4标准且具备ZigBee功能的RF收发器,符合ZigBee标准的片上系统解决方案,以及Z-Stack ZigBee协议软件。


ZigBee平台与解决方案

ZigBee芯片是产业链中发展最为成熟的一个环节,相对于常见的无线通信标准,ZigBee协议套件紧凑而简单,其具体实现的要求很低,8位处理器和32kbytes的ROM存储器即可满足需求。

Freescale第三代ZigBee产品MC1322x系列采用PiP技术,内嵌32位微控制器,具有更大的处理和存储能力。PiP技术是全集成芯片,不需要外部RF匹配组件或不平衡变压器,只需天线和晶体,参考设计面积小于150mm2,比SOC集成更多器件功能。应用此类ZigBee平台,只需简单设计,无需考虑射频部分布线问题,可自行开发软件平台。

TI ZigBee芯片CC2430/CC2431是单芯片集成SoC,采用标准的8051处理器,有人说8051“老矣”,怕不能担此重任,这种说法并不全面。8051有一大优势,那就是它诞生几十年后的普及程度,这是其他许多处理器望尘莫及的,使用8051开发不需要重新学习微处理器结构原理,也不需要重新熟悉编译/调试工具,对于初涉无线领域的工程师而言,这点尤为重要。所以尽管8051性能稍逊,但其易于开发、上手容易的特点,使其在满足ZigBee性能的基本需求同时,应用广泛,初次开发也可快速应用。

ZigBee协议栈(Z-STACK)是ZigBee技术的核心软件,是开发802.15.4/ZigBee技术必须的关键软件。ZigBee协议栈将无线装置连接,形成无线网络。TI的Z-Stack协议软件符合ZigBee 2006规范要求,支持包括CC2431、CC2430与CC2420+MSP430在内的多种平台。Z-Stack被ZigBee测试机构德国莱茵集团评为ZigBee联盟参考平台水平,目前已经开放,可免费下载。

此外,由于ZigBee在家庭应用方面成长缓慢,Freescale对此专门推出了基于IEEE 802.15.4协议的家庭射频娱乐控制方案。这一款家庭射频娱乐控制方案(EC平台)是点对点通讯平台,建立家庭CE产品的通信网络,在产品中通过双向通信方式,扩展控制范围,从而实现家庭控制网络标准化。目前Freescale的802.15.4解决方案只可在其一家产品中实现通讯,但Freescale相信,这款方案将很快拓展至ZigBee统一平台,以实现不同厂商产品之间的互相兼容和通讯。

《世界电子元器件》2007.11
         
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