如何突破瓶颈 轻松设计ZIGBEE应用系统

2008-11-28 13:04:19来源: 无线龙公司 关键字:ZIGBEE  低功耗无线  嵌入式设计

  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的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的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的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。


                          
            图一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网络功能的长距离微功耗模块,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,可以容易的向搭积木一样,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:

                                图二    典型的无线路由器,低功耗节点标准产品


                                      
                                         图三   典型的无线网关产品

  这些标准产品都是“即插即用”的产品,你可以像搭积木一样,在很短时间内,对ZIGBEE技术进行现场测试,也很容易将这些标准产品集成到你自己的系统中去,实现一个长距离,微功耗的巨大网状网络和各种行业应用;

   三、 ZIGBEE应用系统设计的层次和实例

  随着ZIGBEE技术和无线传感器网络技术不断向更加广阔的应用领域深入,如果是采用由浅入深的路径,大概顺序如下:

  1、系统集成,在这个层次,主要是要掌握ZIGBEE技术的应用特征,例如系统可靠性和网络可靠性,通讯距离,抗干扰性能,低功耗性能等,使用标准产品和评估系统进行是比较好的进入点;
  优点是:入门需要的时间短,几个小时或几天;
  缺点是:系统灵活性可能不够,成本稍微高一些;

  2、采用模块和自己的单片机系统组合设计,这要求对单片机技术比较熟悉,当然最好是采用自己熟悉的单片机,主要工作是熟悉ZIGBEE AT命令集,如何通过AT命令集来操作复杂的ZIGBEE无线网络,由于不需要分析无线协议栈代码和进行高频设计,用户可以将主要精力集中在自己的应用代码开发;
  优点是:入门时间是一星期或更短;(如果能够使用带有驱动源代码的模块开发系统,还可以进一步缩短上手时间);
  缺点是:需要在模块后面,加上自己的微控制器,成本稍有增加;

  3、采用模块或者直接使用ZIGBEE芯片进行自己的ZIGBEE应用系统设计;

  如果不希望进行高频设计,可以从模块开始,直接使用TI等公司提供的ZIGBEE协议栈源代码和库文件,自己进行应用代码的编写,然后直接下载到模块进行调试,由于EZ-Lbee这样的通用,开放,开源模块的出现,使这种开发办法成为了可能。
  当然,也可以自己直接采用CC2430/CC2431等芯片,使用ZIGBEE开发系统,进行设计;
  优点是:可以实现单芯片化设计,最终产品成本最低;
  缺点是:需要对软件和ZIGBEE协议栈进行消化和分析,也需要高频设计方面的知识和经验,需要的时间可能是数月或更长;

  当然,我们也可以将上述过程看成一个对ZIGBEE技术逐步深入的过程的不同阶段,而这些阶段,也是一个入门和熟悉ZIGBEE技术的渐进过程。

  下面,我们就以一个实际应用系统设计例子,来看看如何实现应用系统评估设计全过程:

  应用实例:ZIGBEE无线温度传感器网络系统

  主要功能: 对温湿度进行无线测量、监控、记录;

  应用对象:高层字楼、医院、,成品库、醇化库、发酵库、储丝房、粮库、烟草库,温室大棚等,需要对温度,湿度进行监控,而且布线困难的应用。系统应用框图(  图4)


          
                                   图四   ZIGBEE无线温度传感器网络系统

  应用系统的评估和开发过程:

  评估: 采用评估系统,安装电池,安装PC监控应用软件,系统自动组网,PC软件显示出传感器节点传来的实时数据,10分钟内完成安装,可以方便进行通讯距离,可靠性等评估;

  模块级别外置微控制器开发:

  使用自己选择的微控制器接口 标准产品模块,采用ZIGBEE模块开放系统,在AT命令级别进行自己的软件开发,下面是外置8051和STM32两种ZIGBEE模块开发平台,软件支持KEIL 8051和STM32位平台。见图五

                        图五  外置8位和32位微控制器的ZIGBEE 模块开发系统      

       模块内部软件开发:
  
  将模块从应用系统或者模块开发系统20脚插座取下来,直接插入C51RF-3-PK这样ZIGBEE开发系统的20脚插座,不需要任何硬件更改,就可以直接采用IAR等软件开发平台和TI免费ZIGBEE协议栈进行CC2430内部ZIGBEE协议栈和应用软件代码开发,包括编译,下载,调试等,实现单芯片,低成本的高级ZIGBEE应用;
            
  从上面的这个例子我们可以看到,由于ZIGBEE芯片厂家和应用支持厂家大量推出各种标准产品和评估工具,开发系统,开放资源的模块和模块开发工具,免费ZIGBEE协议栈等,大大降低了ZIGBEE技术入门台阶,目前用户可以方便的根据自己的实际情况,确定进入和入门的方式,轻松开始ZIGBEE应用系统设计和轻松将ZIGBEE技术集成在自己的行业应用中。

关键字:ZIGBEE  低功耗无线  嵌入式设计

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2008/1128/article_826.html
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