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符合ZigBee协议的RF解决方案的实现详细讲解

2019年02月27日

  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订公开的,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。

  应用领域

  能源管理及辅助功能:

  * 主动调温器

  * 加热, 透风, 空调 (HVAC)

  * 百叶窗等窗帘的控制

  灯光控制体系:

  * 电源插座

  * 调光器

  * 开关

  * 长途控制

  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

  主动读表体系:

  * 电

  * 气

  * 水

  健康护理 / 医疗:

  * 病人监护

  安全报警体系:

  * 家庭安全

  * 烟雾探测

  * 入室抢劫报警

  ·漏水体系

  消耗电子体系:

  * 长途控制

  * 含ZigBee功能的手机, 例如, 支撑遥重要控器功能

  ·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定义了具稀有据安全特征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联盟共同制订的,它定义了基于IEEE802.15.4PHY和MAC层之上的网络,安全及应用层。ZigBee联盟同时也制订了互操作性和兼容性测试的规范

  ZigBee网络层重要功能是发现设备并建立设备间无线链路,其网路层支撑三种网络拓扑结构,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,由于其可以提供不止一条的网络路径。像如许的网络还具有所谓的“自修复”功能。例如,假如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充足大。

吻合ZigBee协议的RF解决方案的实现细致讲解

  图1 ZigBee 网络类型

  ZigBee网络的建立是特别很是简单的,由于网络的形成是主动完成的。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体系中,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和谐器,ZigBee路由器,和ZigBee终端设备。这些是ZigBee的逻辑设备类型。

  ZigBee和谐器的重要职责是建立网络并设定他们的重要参数。(例如,选择射频通道,分配不同的网络地址)。它可以通过ZigBee路由器来延长网络的通讯范围。这些路由器也可作为因为距离太远而无法直接通信的两个设备间的中继器。

  FFD可以与RFD或其他FFD通信,但RFD却只能与FFD通信。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;他们并不必要发射大量的数据,只是某临时间必要与一个FFD进行通信。因此,RFD只必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,最优的体系划分(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和体系底成本,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。吻合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,具有低功耗的特征,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征和完备的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、有用、可靠的通讯。

  图2展示了CC2420RF-收发芯片的应用电路图。可以看到因为其集成度很高所以所需的外围元器件数目极少。CC2420在现实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信均是通过SPI接口来完成的。一些对准时要求严酷的MAC层功能都包含在RF-收发芯片中了,如CRC校验,加密及一些准时功能。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统一颗单片机上。

吻合ZigBee协议的RF解决方案的实现细致讲解

  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体系来讲低功耗是最关键的题目。因此,ZigBee RF-收发芯片和微控制器的低电流损耗就显得尤其紧张。然而,在睡眠模式下的超低功耗和从睡眠状况到唤醒所需的极短的时间也同样紧张。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,仅在停止触发时发射数据,比如按键按下。为了延伸电池的寿命,睡眠模式下的电流必须要求极低。

  Chipcon使用本身的射频收发芯片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讯情况下,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体系级芯片变为可能。如许一颗芯片应包括IEEE 802.15.4射频收发器,微控制器,可编程/数据存储器(flash和RAM)和需要的外围器件。由于SOC具有高集成度,小型化及最紧张的高成本服从。因此预计SOC对于ZigBee/IEEE 802.15.4体系将变得越来越紧张。图3展出了ZigBee SOC的简单的方框图

吻合ZigBee协议的RF解决方案的实现细致讲解

  图3 理论上的ZigBee SoC 框图

  如何实现吻合ZigBee协议的解决方案

  开发吻合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吻合ZigBee 联盟所制订规范的开发平台上进行开发。

  吻合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 吻合IEEE802.15.4且经过测试的RF收发芯片

  o 微控制器

  o 需要的外围元器件,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 需要的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体例,以使ZigBee平台供给商提供具有ZigBee适应性的开发平台。

  ZigBee适应性平台可以体现为能够被设计者复制的一个参考设计,或者作为一个自力的射频模块。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必要被编写。

  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。

  细致是否受标准规定的认可不是ZigBee鉴定测试的一部分,这点是紧张的。对于工作在2.4到2.4835GHz频带的射频设备最紧张的频率规定是ETSI EN 300 440, ETSI EN 300 328, FCC CFR Part 15 and ARIB STD-T66。

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