作者：Peter Forstner，德州儀器

越來越多的有線數據傳輸正被無線解決方案所取代。對用戶而言除了無需使用線纜帶來的方便之外，無線解決方案還大大降低了安裝成本。特別是在傳感器網絡和控制應用中，現有網絡的安裝和改進成本是非常重要的考慮因素。當從有線網絡轉向無線網絡時，通常節點也要從有線電源轉向電池供電。因此，在無線網絡中，每個節點的功耗便成為一個重要的考慮因素。所以超低功耗設計技術就變得至關重要，特別是在無線傳感器節點許多年內均使用一節電池供電的情況下。

如果確定要使用無線網絡，那么第一步就是要選擇一個現有無線標準或實施一個專用解決方案，并在內部完成全面系統開發。這兩種方法各有利弊：

• 專用解決方案
• 優點：硬件靈活性高且成本低，因為僅需實施必要的功能。
• 缺點：軟件棧和傳輸協議開發時間長，且與其他設備不兼容
• 標準解決方案
• 優點：開發時間短，因為已有現成的軟件堆棧且經過了多個用戶測試。與其他廠商的產品相兼容。
• 缺點：通常，該標準的軟件部分為非必須的且在應用中未使用該軟件部分。這就增加了軟件和數據存儲所需的存儲器尺寸。

得到廣泛認可的無線標準有多種，且每一種標準都針對一個特殊的應用領域。 其中較知名的 RF 標準為：

• Wi-Fi/802.11：適用于相對較短距離和中等功耗的高速傳輸。可用于 PC 聯網、家庭聯網以及視頻分配。
• 藍牙：適用于低功耗短距離一般速度傳輸。可用于耳機、PC 外設、PDA 以及移動電話連接。

在大多數控制應用中，這些標準都不是很理想。例如，就傳感器網絡而言，利用一節小型電池就可使器件工作多年的超低功耗是至關重要的。高數據速率并非必需，因為需要傳輸的只有極少數控制指令和某些測量值。

IEEE 802.15.4——ZigBee 的基礎

由于 Wi-Fi/802.11 和藍牙并非是傳感器和控制應用的較佳解決方案，因此開發出了 IEEE 802.15.4 標準，并于 2003 年 10 月推出。2006 年 6 月 IEEE 802.15.4-2006 (Rev B) 通過批準。該標準不但說明了個人局域網 (PAN) 中的點對點傳輸，而且還定義了低功耗、低速及穩健的 RF 傳輸的物理層 (PHY) 和媒體接入控制層 (MAC)。一般室內的傳輸距離從 10 米到 30 米不等，在室外較大傳輸距離可達 150 米。取決于具體應用不同，較長電池使用壽命可長達數年。

在實施無線傳輸以前，還必要對傳輸頻率進行定義。圖 1 顯示了當今全球頻率的分配情況。全球各地區低于 1GHz 的頻率使用情況不盡相同。在歐洲，433MHz 和 868MHz 均為免費使用，而在美國免費使用的頻帶為 315MHz 和 915MHz。只有 2.4GHz 頻帶（Wi-Fi 和藍牙也使用該頻帶）在全球通用。鑒于此，2.4 GHz 頻率適用于遍布全球各地的各種應用。此外，就 868MHz 和 915MHz 而言，也可使用相同的天線。只要具有一個靈活的、自由可編程 RF 收發器，一款交替運行在 868MHz 或 915MHz 上的全球解決方案也是一個不錯的選擇。在這種情況下，必須要確保將運行頻率轉換至設備運行地區所允許的頻帶范圍。這會增加成本物流 (cost logistics)，因為必須要分配兩個不同版本的固件。

圖 1 免費頻帶的全球分配情況

IEEE 802.15.4 專門針對下列頻率而定義：/p>

• 868MHz、1 通道、20kbps … 100kbps（僅適用于歐洲）
• 915MHz、10 通道、40kbps … 250kbps（僅適用于美國）
• 2.4GHz、16 通道、250kbps（適用于全球各地區）

ZigBee——軟件棧

ZigBee 聯盟是一個由多家公司組成的行業協會，這些公司通力合作以實現可靠的、低功耗、無線網絡化監控并推出基于開放性全球標準的控制產品。ZigBee 聯盟的原始會員公司包括 BM Spa 公司、Ember 公司、飛思卡爾、霍尼韋爾、華為、三菱電機、摩托羅拉、飛利浦、三星、施耐德電氣、意法半導體、西門子以及 TI。該聯盟擁有超過 200 家會員公司并且這一數字還在不斷增長。該聯盟對 ZigBee 棧進行了定義，ZigBee 棧是 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 頂部的一種標準協議棧。ZigBee 的目標應用領域如下：

• 家庭自動化：
• 自動抄表 (AMR)
• 照明、制熱、告警、安全
• 白色家電健康狀態監
• 商業樓宇自動化
• 制熱通風與空調系統 (HVAC)
• 能量管理
• 告警、安全
• 工業自動化
• 住院和病人護理
• 資產跟蹤/有源 RFID
• 無線傳感器網絡

位于 IEEE 802.15.4 點對點通信協議頂部的 ZigBee 棧實現了 ZigBee 節點個人局域網 (PAN) 的實施。可以采用星形網絡拓撲（請參見圖 2），樹形網絡拓撲或網狀網絡拓撲（請參見圖 3）。每一個 ZigBee PAN 都需要一個 PAN 協調器設備。該 PAN 協調器啟動網絡并向新網絡分配一個 PAN-ID。此外， PAN 協調器通常還具有數據包路由功能。在樹形和網狀網絡中，通常會有若干個具有 ZigBee 路由器功能的節點。這些路由器節點可將接收到的數據包轉發至下一個 ZigBee 節點，并通過完整的 ZigBee 網絡以這種方式實現數據包從發送者到接收者的跳轉。

ZigBee 終端設備僅與其母節點(PAN 協調器或路由器)進行通信。這些終端設備的功能相對較少，因為它們不需路由功能。精簡功能設備 (RFD) 的一個優點就是棧尺寸明顯要小很多。因此，程序閃存、數據存儲器 RAM 以及閃存要求也就大大降低了。這就使得精簡功能終端設備（通常也是 ZigBee 節點的主要組成部分）頗具成本優勢。精簡功能終端設備特別適用于超低耗設計，因為在大部分時間里可以將微控制器和 RF 收發器關閉。一個具有路由功能的設備需要始終謹記其必須要接收一個數據包。

圖 2 ZigBee 星形網絡

圖 3 ZigBee 網狀網絡

ZigBee 使用 16 位節點尋址，理論上允許了在一個 PAN 中有近 2^16 個 ZigBee 節點。在實際應用中，節點的數量受數據包延遲限制。就星形網絡而言， 2000 個節點是較為合適的。

談及 ZigBee，一種比較簡單的情況就是開啟和關閉燈具的照明開關。照明開關就可以是一個精簡功能終端設備且連續處于深睡眠模式。如果按下照明開關上的按鈕，則微控制器將被喚醒，開啟射頻并將要求的數據包發送至其母設備（路由器或 PAN 協調器），等待確認數據包并返回到睡眠模式。然后，該網絡將開始傳輸數據包，數據包較終跳轉至目標地址——燈具。路由器和 PAN 協調器必須始終清楚會有一個數據包到達。因此，這些節點絕不能進入深睡眠模式。但是在該示例中，如果路由器位于與主電源相連的燈具中，則不存在功耗問題。

圖 4 ZigBee 棧架構

圖 4 顯示了 ZigBee 棧架構。底層的 PHY 和 MAC 均是由 IEEE 802.15.4 標準來定義。上述所有層均由 ZigBee 來定義的。PHY 和 MAC 實現了兩個節點間的點對點通信。ZigBee NWK（網絡）層進行數據包路由，并發送下一個 ZigBee 節點上接收到的數據包，或將其轉發至 APS（應用支持子層）。然后，APS 將處理 ZigBee 節點內針對某個應用的數據包。具有一個射頻功能的一個ZigBee 節點可處理若干個應用，以開關為例，溫度測量和濕度測量就可在一個盒子里進行。在這種情況下，由 APS 來決定哪些應用是數據包的終點。首先，ZDO（ZigBee 設備對象）有助于應用軟件和 ZigBee 堆棧軟件的協同運行。一旦做出決定還可集成一個安全服務以實現安全的數據傳輸。

ZigBee 配置文件

只有所有的 ZigBee 符合ZigBee 標準配置文件之一，才能實現 ZigBee 產品的廠商無關兼容性。ZigBee 聯盟將配置文件定義為一種可確保應用級互操作性的方法。

除協議之外，配置文件還對發送至其他設備的數據內容進行了定義，例如，哪個數據內容將開啟燈具，哪個數據內容又將燈具關閉。配置文件中的定義為：

• 獨特的配置文件 ID
• 設備類型
• 報文格式、內容編碼以及集群解釋

已經定義的標準配置文件為：

• “家庭自動化”（自 2006 年 9 月開始，不再后向兼容以前的“家庭控制——照明”）
• “工業廠房監控”（自 2006 年第四季度開始）
• 包括 HVAC 在內的“商用樓宇自動化”（自 2007 年第一季度開始）

其他標準配置文件尚在討論之中，如自動抄表、醫療保健等。專用配置文件可由客戶來定義，但是這會限制共享這一配置文件的設備的應用互操作性。專用配置文件并不排斥網絡級互操作性。

為了確保新開發的終端設備符合 ZigBee 標準以及標準配置文件之一， 必須要進行 ZigBee 一致性認證測試。一旦順利通過該測試，則在該產品上就可以使用 ZigBee 徽標。

TI 推出的 ZigBee 解決方案

TI 推出了一系列完整的硬件和軟件 ZigBee 解決方案。MSP430 微控制器產品系列由于其出色的超低功耗性能以及易于使用的開發工具而被熟知。自 2006 年起，該 16 位微控制器實現了架構升級，現在該微控制器具有高達 120k 的閃存以及高達 10k RAM 存儲器。具有高于60k 閃存的MSP430 派生產品系列將于下月推出。MSP430 架構升級與現有的 MSP430 版本 100% 二進制后向兼容，并且仍然使用線性內存尋址范圍。該解決方案實現了眾所周知的易用性架構與現有 MSP430 編碼 100% 重復使用性的結合。

此外，TI 還推出了首款符合 ZigBee 標準的收發