摆脱线缆的束缚 探寻ZigBee无线技术

　　摆脱线缆的束缚，一直以来都是多数用户的梦想。很多用户对Wi-Fi和蓝牙无线技术及产品都有一定的了解，而对新兴的以NFC和ZigBee技术为代表的近距离无线技术了解却不多。经过几年的发展，如今新兴的ZigBee技术已被广泛的应用在了近距离无线通信、家用电器遥控及自动抄表应用等领域。而ZigBee技术究竟有何特点呢?

　　一、ZigBee无线技术的特点

　　ZigBee无线技术是一种无线个域网(WPAN)技术，具备近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本(每块芯片的价格不超过2美元，且免专利费)的特点。从应用来看，其是一种介于蓝牙和RFID无线标记技术之间的技术，主要用于近距离无线连接。

　　ZigBee无线技术基于802.15.4标准。IEEE 802.15.4做为一种新兴的低速率、短距离无线标准，诞生了ZigBee和6LowPan等具备典型特点的技术。其主要用于开发可以靠电池运行1-5年的紧凑型低功率廉价嵌入式无线设备(两节普通的5号电池便可以工作半年到2年)，如无线传感器。

　　图1 ZigBee无线技术的应用

　　802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。一般利用运行在2.4GHz频带上的无线电收发器传送信息，有16个信道，信道间隔为5MHz，能够提供250kb/s的传输速率。其使用的频带与Wi-Fi和蓝牙相同，但功率大约只有Wi-Fi的1%，并且更简单、功率和费用也更低。一般在10-75米的个人操作空间内运行，基本速率是250kb/s，当降低到28kb/s时，传输范围可扩大到134米。

　　ZigBee网络支持星形、网状和簇状拓扑结构。其由全功能设备协调器(FFD，类似于无线路由器)和精简协调器(RFD，类似于无线网卡)终端构成网络，FFD可以和FFD、RFD通信，而RFD只能和FFD通信。每个全能协调器(类似于交换机或路由器)可连接255个节点，几个协调器还可构成一个网络，最多可容纳65535个节点。其安全层可保证此类便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，设备搜索时延为30ms，休眠激活时延为15ms。

　　而在去年IEEE公布的802.15.4-2006新规范中，IEEE对802.15.4做了特别的改进和修正，并将和802.15.4-2003兼容。新规范明确了一些模糊的概念，减少了不必要的复杂性，增加了安全密钥使用的灵活性，并将一些新的频率分配考虑在内。

　　图2 ZigBee无线模块

　　新版本802.15.4规定了物理层(PHY)和媒体接入控制亚层(MAC)与固定、便携式及移动设备之间的低数据率无线连接的新规范，这些设备都没有电池，或者电池电量和功耗要求都很小。根据应用的不同，也可以采取更大的范围和更低的数据率来作为一个权衡方案。新修改的目的在于使之可以和其它与IEEE及其它共存任务组相关的设备相共存，例如IEEE 802.15.2和802.11/ETSI-BRAN/MMAC 5GSG。

　　从以上我们可以看出，做为基于802.15.4的无线技术，在802.15.4规定了物理层(PHY)和媒体接入控制亚层(MAC)的基础上，网络层和应用层则由ZigBee联盟(成立于2001年8月，由Invensys、三菱、摩托罗拉、飞利浦等公司组成，有上百家芯片公司参于)自行制定。

　　二、ZigBee无线技术的现状

　　ZigBee无线技术做为无线个域网(WPAN)新技术的代表，其应应范畴相当广泛。在照明、空调、电视、碟机、便携电脑、无线键鼠、游戏设备、交互式玩具、工控设备等需要较远距离进行控制的场合都有很大的应用前景。

　　图3 ZigBee无线模块

　　德州仪器(Texas Instruments)、Ember、Oki Semiconductor、Silicon Laboratories等公司是IEEE 802.15.4(Zigbee)芯片技术研发和供应的主要厂商。In-Stat(In-Stat是全球著名的行业研究机构，针对半导体、电信及消费电子领域进行研究、评估与预测，善于针对新兴市场提供可执行的真知灼见)指出，到2009年，经ZigBee规范网络层及其他专有协议实现的IEEE 802.15.4无线个人局域网市场有望增长200%，年交付量有望突破1.5亿个。

　　做为芯片大厂，TI提供了一系列与ZigBee兼容的芯片解决方案，可以应用在键盘/鼠标、VoIP方案、遥控和游戏配件、工业应用中警报和安全、监控和控制设备、家庭和楼宇自动化和医疗电子产品等领域。以其CC25系列芯片为例，该射频收发器能够与高度可配置的基带调制解调器相集成，该调制解调器支持各种调制格式，具有高达500kbps的可配置数据速率，通过启用集成在调制解调器中的正向纠错选项，可以扩大通信范围。

　　Jennic新推出的以JN-5139微处理器为基础的模块，已经通过欧洲与美国规范FCC与ETSI的认证。该JN-5139模块是以Jennic第二代自行研发生产的JN-5139无线芯片为基础设计，在传输效能及功耗方面作了相当大的改善。主要提供两个模块系列：提供给仿真开发用的内建陶瓷天线版本及SMA接头版本，另一个是提供给大量生产用的uFI接头的版本。

　　飞思卡尔半导体今年推出基于ZigBee规范的MC1322x单芯片平台解决方案，可将电池寿命延长到20年。该解决方案在单一封装中集成了ZigBee应用的所有必要组件，从而可减少组件数量并降低系统成本。MC1322x单芯片平台整合了一个32位微控制器(MCU)，一个完全符合IEEE 802.15.4标准的收发器，以及不平衡变压器和射频(RF)匹配组件，可以将节点之间的数据速率提高到每秒2兆比特。

　　图4 ZigBee USB无线模块

　　Silicon Laboratories推出的基于8051的MCU也是802.15.4和ZigBee应用的理想选择之一。该设备将高精密模拟外围设备与低流耗、高吞吐量(最高可达100MIPS)8051 CPU和最高可达128kB的片上闪存有机地结合起来，为多种多样的无线自动化应用、工业应用、医疗应用、住宅监视应用和控制应用提供了较佳平台。

　　而美国微芯科技公司(Microchip Technology)也在今年初推出三项用于802.15.4无线网络的新产品。其中，MRF24J40是一个针对ZigBee协议及专有无线协议的收发器，适用于要求低功耗和卓越射频性能的射频应用。

　　一些国内公司也在这方面发力，如北京威讯紫晶公司便于07年10月1日正式发布了基于802.15.4a的无线个域网介质层控制(MAC)软件包，该软件可为客户开发和使用中、低数据率(250kbps-1Mbps)的无线通讯网、传感器个域网产品提供完整的MAC层协议栈软件支持。

　　总之，ZigBee技术正走向成熟，目前各厂芯片厂商对ZigBee这种技术都较为看好，大都推出了相应的解决方案，ZigBee无线技术正在市场上风起云涌。将无线网络技术应用于各种网络系统中亦已成为势不可挡的趋势，无线网络不仅可以提供更大的灵活性、流动性，还可省去花在综合布线上的费用和精力，这无疑更符合未来网络的通讯特点。