突破瓶颈 轻松设计ZigBee应用系统

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        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(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。

CC2591CC+2430设计的EZ-LBee模块


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:

典型的无线路由器,低功耗节点标准产品


图2 典型的无线路由器,低功耗节点标准产品

 

 

典型的无线网关产品<p>


 图3 典型的无线网关产品 

 

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