符合ZigBee协议的RF解决方案的实现

时间：2009-02-27 10:38:43

关键字： ZIGBEE协议 RF BSP IEEE802

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[导读]降低单位成本和功耗是用于短距离无线通信系统中的RF-IC新品开发的主要驱动力。使用性价比高的CMOS技术并采用具有高集成度的发射器与接受器结构是实现低成本，低功耗的关键。此外，CMOS技术的使用，使得用于无线通信的真正意义上的系统级芯片(SOCs)的实现变为可能。对于IEEE802.15.4/ZigBee所强调的市场，SOCs因其可以节省整个系统的成本，所以越来越受到重视和期待。

降低单位成本和功耗是用于短距离无线通信系统中的RF-IC新品开发的主要驱动力。使用性价比高的CMOS技术并采用具有高集成度的发射器与接受器结构是实现低成本，低功耗的关键。此外，CMOS技术的使用，使得用于无线通信的真正意义上的系统级芯片(SOCs)的实现变为可能。对于IEEE802.15.4/ZigBee所强调的市场，SOCs因其可以节省整个系统的成本，所以越来越受到重视和期待。

ZigBee/IEEE802.15.4概述

总述

ZigBee联盟[2]于2004年12月通过了ZigBee规范。它是针对低功耗、低成本无线嵌入式网络而制定公开的，全球的标准。表1中列出了一些ZigBee 解决方案适合的应用领域。

表 1. 应用领域

能源管理及辅助功能:

* 自动调温器

* 加热, 通风, 空调 (HVAC)

* 百叶窗等窗帘的控制

灯光控制系统:

* 电源插座

* 调光器

* 开关

* 远程控制

环境及农业监控:

* 温度

* 二氧化碳

* 湿度

* 振动

工业:

* 工业设备监控l

* 常规无线嵌入式传感器网络

* 总量控制

* 资产跟踪

自动读表系统:

* 电

* 气

* 水

健康护理 / 医疗:

* 病人监护

安全报警系统:

* 家庭安全

* 烟雾探测

* 入室抢劫报警

·漏水系统

消费电子系统:

* 远程控制

* 含ZigBee功能的手机, 例如，支持遥主要控器功能

·PC周边

ZigBee是建立在IEEE802.15.4[1]定义的可靠的物理层(PHY)和媒体访问层(MAC)之上的标准。在PHY层和MAC层之上，ZigBee定义了具有数据安全特性和互操作应用界面的网状网、星状网和集群树状网络拓扑结构。

ZigBee 规范

ZigBee规范是由ZigBee联盟共同制定的，它定义了基于IEEE802.15.4PHY和MAC层之上的网络，安全及应用层。ZigBee联盟同时也制定了互操作性和兼容性测试的规范

ZigBee网络层主要功能是发现设备并建立设备间无线链路，其网路层支持三种网络拓扑结构，星状网，网状网(对等)和集群树状网结构。图1展示了以上三种拓扑结构。

网状网具有较高的可靠性和可测量性，因为其可以提供不止一条的网络路径。像这样的网络还具有所谓的“自修复”功能。例如，如果一个路由器节点出现故障，数据将由网络中可选的其他路由器传送，前提是路由器节点的密度足够大。

图1 ZigBee 网络类型

ZigBee网络的建立是非常简单的，因为网络的形成是自动完成的。此外，ZigBee网络还具有很好的可测量性。

IEEE802.15.4 定义了两类设备类型；精简功能设备(RFD)和全功能设备(FFD).在ZigBee系统中，这两类设备指的是物理设备类型。

在ZigBee网络中，一个节点可以有三种角色：ZigBee协调器，ZigBee路由器，和ZigBee终端设备。这些是ZigBee的逻辑设备类型。

ZigBee协调器的主要职责是建立网络并设定他们的主要参数。(例如，选择射频通道，分配不同的网络地址)。它可以通过ZigBee路由器来延伸网络的通信范围。这些路由器也可作为由于距离太远而无法直接通讯的两个设备间的中继器。

FFD可以与RFD或其他FFD通讯,但RFD却只能与FFD通讯。RFD是为了极其简单的应用而设计的，如灯的开关或被动红外传感器；他们并不需要发射大量的数据，只是某一时间需要与一个FFD进行通讯。因此，RFD只需要使用最少的资源和存储器空间，与FFD相比拥有较低的成本。FFD可以用来实现ZigBee三种逻辑设备类型但RFD只能充当终端设备。

IEEE 802.15.4 和 ZigBee RF-Ics

采用亚微级COMS 技术，具有高集成度的接收器和发射器结构，最优的系统划分(硬件/软件)和用于低功耗的经过优化的内嵌软件，这些都是达到IEEE 802.15.4 /ZigBeeRF-ICs和系统底成本，低功耗要求的关键因素。

目前的RF-ICs 均使用具有高集成度的射频结构，如zero-IF或low-IF接收器和直接变频发射器。符合IEEE802.15.4规范的典型射频收发芯片是来自Chipcon的CC2420.这是一颗2.4GHz射频收发芯片，具有低功耗的特性，可快速应用到ZigBee产品中。这颗芯片使用0.18_m CMOS技术，使其在一块小芯片的区域内便高度集成了数字硬件特性和完整的RF收发器。接收器采用低-中频变频接收，发射器采用直接变频发射。在选择性和灵敏度方面，CC2420的性能均超过了IEEE 802.15.4标准中所要求的性能指标，并且可以确保长距离、有效、可靠的通信。

图2展示了CC2420RF-收发芯片的应用电路图。可以看到由于其集成度很高所以所需的外围元器件数目极少。CC2420在实际应用中必须外接外部单片机。

RF收发芯片的配置和数据的通讯均是通过SPI接口来完成的。一些对定时要求严格的MAC层功能都包含在RF-收发芯片中了，如CRC校验，加密及一些定时功能。大部分的MAC层功能都是在软件中实现的，这些软件同ZigBee协议栈、应用软件共同运行在同一颗单片机上。

图2 IEEE 802.15.4 RF-收发芯片的应用电路，外部单片机未标出

对于大多数的ZigBee系统来讲低功耗是最关键的问题。因此，ZigBee RF-收发芯片和微控制器的低电流损耗就显得尤其重要。然而，在睡眠模式下的超低功耗和从睡眠状态到唤醒所需的极短的时间也同样重要。如采用ZigBee技术的灯光开关(它是一个典型的ZigBee终端设备)在大多数情况下运行在无信标的模式下，仅在中断触发时发射数据，比如按键按下。为了延长电池的寿命，睡眠模式下的电流必须要求极低。

Chipcon使用自己的射频收发芯片CC2420和瑞萨的微控制器M16C62P做出的一款ZigBee参考设计，展示了其超低的功率损耗。条件是在对等网络通信情况下，用1Hz速率进行轮检，使用电池容量为1800MAh的电池，其供电时间可超过10年。

CMOS技术使得开发真正的ZigBee系统级芯片变为可能。这样一颗芯片应包括IEEE 802.15.4射频收发器，微控制器，可编程/数据存储器(flash和RAM)和必要的外围器件。因为SOC具有高集成度，小型化及最重要的高成本效率。因此预计SOC对于ZigBee/IEEE 802.15.4系统将变得越来越重要。图3展出了ZigBee　SOC的简单的方框图

图3 理论上的ZigBee SoC 框图

如何实现符合ZigBee协议的解决方案

开发符合ZigBee协议的最终产品，并使其能通过ZigBee认证获得ZigBee标识的最好方法就是在符合ZigBee 联盟所制定规范的开发平台上进行开发。

符合ZigBee规范的开发平台可以从不同的ZigBee技术提供商那里获得，所包含的内容通常如下

* PCB板参考设计

o 符合IEEE802.15.4且经过测试的RF收发芯片

o 微控制器

o 必要的外围元器件，如为了天线匹配所需的元器件，晶体的负载电容，去耦电容等

o 传感器/制动器的连接线（这会因平台不同而不同）

* 软件

o 必要的MAC层功能

o ZigBee 软件协议，包括应用框架

ZigBee联盟定义了测试和互操作方式，以使ZigBee平台供应商提供具有ZigBee适应性的开发平台。

ZigBee适应性平台可以表现为能够被设计者复制的一个参考设计，或者作为一个独立的射频模块。它是一个通用型的平台并能用于不同的ZigBee应用中。随着时间的推移经过优化的ZigBee适应性平台，如终端设备将被提供。

为了缩短开发时间和降低测试成本，一个基本的要求是ZigBee 最终产品的制造商应该使用ZigBee开发平台。根据最终产品所描述的功能，使用一个合适的ZigBee应用软件界面。而产品特定的应用软件需要被编写。

根据公开的ZigBee应用软件界面，只有通过ZigBee认证的产品具有ZigBee标识。最终产品必须通过两家指定的ZigBee 测试机构（TUV Rheinland or National Technical Systems）之一的测试。另外，最终产品必须通过ZigBee互用性测试（这将被ZigBee联盟做进一步的定义）。ZigBee联盟为已经开发了ZigBee认证产品和想要使用ZigBee标识的的非ZigBee联盟成员定义了使用该标识的商业条件。