ZigBee無線技術(shù)百花爭艷
ZigBee是一種嶄新的，專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。是目前嵌入式應(yīng)用的一個(gè)大熱點(diǎn)。
Zigbee的特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：
1)低功耗。在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6~24個(gè)月，甚至更長。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。相比較，藍(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時(shí)。
2)低成本。通過大幅簡化協(xié)議（不到藍(lán)牙的1/10），降低了對通信控制器的要求，按預(yù)測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專利費(fèi)。
3)低速率。ZigBee工作在250kbps的通訊速率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。
4)近距離。傳輸范圍一般介于10～100m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1~3km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。
5)短時(shí)延。ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要3~10 s、WiFi需要3 s。
6)高容量。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。
7)高安全。ZigBee提供了三級(jí)安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。
8)免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療2.4GHz(全球) (ISM)頻段。
正是這些全新的特點(diǎn)，將使ZIGBEE技術(shù)將在無線數(shù)傳，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無線實(shí)時(shí)定位，射頻識(shí)別，數(shù)字家庭，安全監(jiān)視，無線鍵盤，無線遙控器，無線抄表，汽車電子，醫(yī)療電子,工業(yè)自動(dòng)化等方面得到非常廣闊的應(yīng)用，目前有個(gè)口號(hào)”WIRELESS ANY WHERe”，要實(shí)現(xiàn)這個(gè)口號(hào)的目標(biāo)，ZigBee技術(shù)的廣泛應(yīng)用，可能是一個(gè)重要的前提。
正是因?yàn)閆igBee這個(gè)蜜蜂，具有廣闊的市場前景,引來了全球眾多廠商的青睞，紛紛推出各種ZigBee無線芯片，無線單片機(jī)，ZigBee開發(fā)系統(tǒng)，形成了百花爭艷的市場局面。這種局面，對應(yīng)降低芯片價(jià)格，豐富ZigBee技術(shù)的應(yīng)用軟件，加快ZigBee技術(shù)普及，是大有好處的事情。但對于剛剛起步開始學(xué)習(xí)ZigBee技術(shù)的電子工程師、單片機(jī)工程師而言，如何在這眾多的芯片和技術(shù)中，選一個(gè)高效率，低價(jià)格的ZigBee無線技術(shù)和相關(guān)的學(xué)習(xí)環(huán)境，使自己能快速入門和精通復(fù)雜的ZigBee無線技術(shù)，確成為了一個(gè)難題。許多電子工程師感到無從下手。本文提出了一些實(shí)用的建議，希望對電子工程師，單片機(jī)工程師快速入門ZigBee技術(shù)有所幫助。
第1步:選擇自己熟悉的微控制器
由于ZigBee技術(shù)是目前嵌入式應(yīng)用的大熱門。所以目前全世界很多公司陸續(xù)投入這個(gè)市場，市場上各種ZIGBEE的技術(shù)方案五花八門，爭奇斗艷，但俗話說”外行看熱鬧，內(nèi)行看門道”。以專家的眼光看，每個(gè)方案的提供商，無不追求一個(gè)”利”字，芯片公司為了推銷自己的微處理器，推銷給用戶不同的微處理器(MCU)，不同公司的硬件平臺(tái)，不同的編譯調(diào)試系統(tǒng)。這對應(yīng)初次進(jìn)入無線領(lǐng)域的工程師而言，既要面對復(fù)雜的ZigBee無線通訊協(xié)議，超高頻的硬件環(huán)境，再加上完全陌生的指令系統(tǒng)，硬件平臺(tái)。無疑對學(xué)習(xí)ZigBee是”雪上加霜”。
建議的解決的之道是選擇8051 微處理器為ZigBee的核心MCU，8051微處理器誕生30多年。目前在國內(nèi)最為普及，大學(xué)中專，都有廣泛的課程，各種參考書，到處都有，開發(fā)軟件KEIL， IAR早已被大家熟悉，用起來最順手。
有言論說8051”老了”，怕不能擔(dān)當(dāng)此重任，也有言論說8051會(huì)產(chǎn)生數(shù)字噪聲，影響無線通訊…以專家的眼光看，這些都是沒有科學(xué)依據(jù)的說法。隨著芯片科技的發(fā)展，今天的8051早已經(jīng)脫胎換骨，只是片上系統(tǒng)(SoC)的一小部分。而且在低功耗，高速度，低噪聲等方面，有了質(zhì)的飛躍。拿TI/CHIPCON公司最新的ZigBee單片機(jī)CC2430/CC2431為例，其8051內(nèi)核經(jīng)過特別設(shè)計(jì)，可以和2.4GHZ的ZIGBEE無線收發(fā)電路完美的配合工作，絕不會(huì)因?yàn)槠?051內(nèi)核的高速運(yùn)行而對高頻無線通訊有任何影響。
從8051入手,入門ZIGBEE技術(shù),好處如下: 1)無需重新學(xué)習(xí)微處理器結(jié)構(gòu)原理,無需重新熟悉編譯/調(diào)試工具。 2)對片上系統(tǒng)的I/O, 定時(shí)器,A/D, PWM, 看門狗等等,也無需重新學(xué)習(xí)。 3)如果你沒有單片機(jī)的基礎(chǔ),學(xué)起來也非常容易,也容易找到人請教,交流。
從技術(shù)眼光看，ZIGBEE技術(shù)的核心是軟件，如果MCU是8051，則ZigBee是由C51代碼組成的一堆軟件而已。無論是無線數(shù)據(jù)傳輸，路由算法，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹际歉鞣N函數(shù)的組合，代碼組合。如果你熟悉C51編程，你就很容易熟悉ZigBee的代碼，同時(shí)將自己的應(yīng)用代碼和ZigBee結(jié)合在一起。
從硬件而言,如果你已經(jīng)熟悉8051，學(xué)習(xí)ZigBee最好從片上系統(tǒng)(無線單片機(jī))開始進(jìn)入。因?yàn)閷τ诔鯇W(xué)無線的工程師而言，從無線單片機(jī)開始，可以避開硬件/高頻方面的很多難點(diǎn)(像CC2430/CC2431/CC1110/CC2510無線部分完全集成在芯片中，外部只有很少幾只零件，你幾乎完全不需要考慮如何焊接，如何調(diào)試無線高頻部分硬件)。直接進(jìn)入最關(guān)鍵的部分的學(xué)習(xí)。
入門最理想的是選擇8051內(nèi)核的ZIGBEE無線單片機(jī)。理想的選擇是最新的CC2430，如果需要高精度無線定位的話，可以容易的擴(kuò)展到CC2431(關(guān)于這兩種無線單片機(jī)網(wǎng)上有很多介紹)。注意CC2430/CC2431無線單片機(jī)是目前世界上僅有的帶有128K閃存的8051內(nèi)核的ZigBee無線單片機(jī)。
有幾家公司也號(hào)稱推出了8051內(nèi)核的ZIGBEE無線單片機(jī)，但他們的”單片機(jī)”只有ROM(只讀存儲(chǔ)器)，沒有存放程序的閃存，必須要外加一個(gè)小的閃存。你的全部程序必須存儲(chǔ)在外部的閃存中，如果你使用這樣的無線單片機(jī)，最大的問題是不能對你自己開發(fā)的代碼加密，任何人可以從外部閃存輕易中獲得你辛辛苦苦開發(fā)的代碼?!但是使用CC2430/CC2431就不會(huì)有這樣的問題發(fā)生。
第2步, 選擇一個(gè)低價(jià)格高性能的ZigBee開發(fā)工具
有了第一把鑰匙，你已經(jīng)打開了入門ZigBee無線技術(shù)的第一道大門。掌握了ZigBee心臟跳動(dòng)的頻率和運(yùn)行的脈搏，接下來你需要有一套能夠進(jìn)行程序編譯、下載、在線調(diào)試的實(shí)際的ZigBee無線技術(shù)開發(fā)系統(tǒng)。
作為入門者,當(dāng)然希望有一套負(fù)擔(dān)得起的開發(fā)平臺(tái)，從目前市場情況看，作者認(rèn)為國內(nèi)用戶最理想的選擇是深圳無線龍科技的C51RF-3-CC2430無線開發(fā)平臺(tái)，原因如下:1)入門價(jià)格低(個(gè)人/教育/科研/批量可以另外優(yōu)惠)，但性能可靠，功能齊全，具有國外高價(jià)格ZigBee CC2430/CC2431開發(fā)系統(tǒng)全部功能。2)包括一個(gè)USB接口的全功能仿真器，兩個(gè)完全高頻測試的ZIGBEE/802.15.4兼容無線模塊。IAR編譯調(diào)試軟件和無線表演軟件C51源代碼光盤等。 3)多年專業(yè)無線開發(fā)系統(tǒng)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)支持，保證質(zhì)量可靠，已經(jīng)有清華大學(xué)/國防科技大學(xué)/重慶大學(xué)/上海復(fù)旦大學(xué)/北京林業(yè)大學(xué)等大量用戶成功使用。
當(dāng) 然價(jià)格目前比起一般單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)幾百元一臺(tái)的價(jià)格是高了一些。但是，這是全新的高科技，高頻高速，市場巨大，都是普通單片機(jī)不能相比的。俗話說“舍不得孩子套不著狼”，如果你決心要盡快掌握最先進(jìn)的無線技術(shù)，決心要開發(fā)ZIGBEE產(chǎn)品，花點(diǎn)銀子也是值得的事情。
為了證明”物超所值”讓我們來看看下面的圖畫，看看你裝備了這套系統(tǒng)后,你可以做些什么:
圖一 C51RF-3-BK CC2430/CC2431 ZIGBEE無線開發(fā)系統(tǒng)
從圖片你看到系統(tǒng)包括一個(gè)C51RF-3實(shí)時(shí)在線仿真器，該仿真器通過USB接口直接連接到你的電腦。同時(shí)通過10線仿真電纜連接到CC2430ZigBee無線單片及目標(biāo)板，就方便的完成了連接，無需其他的直流電源。
編譯、調(diào)試、下載采用 IAR 7.20 以上C51開發(fā)環(huán)境。 該軟件開發(fā)工具非常類似KELL的開發(fā)平臺(tái)，如果你熟悉KELL的C51開發(fā)平臺(tái)，你應(yīng)該非常容易去使用和非常喜歡這個(gè)功能強(qiáng)大的類似的IDE/DEBUG平臺(tái)。
深圳無線谷科技有限公司精心設(shè)計(jì)的這個(gè)目標(biāo)板分成兩部分，底板由電源、RS232接口、鍵盤、圖形液晶顯示器、電池系統(tǒng)組成。其核心其實(shí)是一個(gè)移動(dòng)無線終端的原形，菜單和漢字顯示都具備。無論進(jìn)行聯(lián)機(jī)的開發(fā)，軟件下載；還是脫機(jī)的獨(dú)立運(yùn)行，用電池供電，進(jìn)行無線通訊距離測試，都非常方便。
更為巧妙的是，將無線CC2430模塊從低板上取下來，給模塊連接上2個(gè)AA電池，無線模塊也可以單獨(dú)運(yùn)行，下載程序，獨(dú)立運(yùn)行。對于許多要求小體積的應(yīng)用如 RFID等，非常方便。
對于學(xué)習(xí)ZigBee技術(shù)，你只要連接電腦，運(yùn)行IAR C51開發(fā)環(huán)境，就可以方便的觀察ZigBee/802.15.4協(xié)議棧源代碼的運(yùn)行情況。 跟蹤協(xié)議棧運(yùn)行情況：單步、斷點(diǎn)、ZigBee的整個(gè)協(xié)議、完全透明、可控、可操作。無線收發(fā)情況也在電腦屏幕上，一目了然，隨你控制。
有了這把鑰匙，即使沒有任何無線通訊經(jīng)驗(yàn)的工程師，也能夠在很短時(shí)間，熟悉復(fù)雜的ZigBee協(xié)議，很快將自己的應(yīng)用和ZigBee無線技術(shù)結(jié)合在一起，成為無線通訊的內(nèi)行。
第3步, 代有源代碼的ZigBee協(xié)議棧
ZigBee技術(shù)的核心是幾萬行ZigBee/802.15.4 C51源代碼，這些源代碼和ZigBee無線單片機(jī)芯片配合，完成數(shù)據(jù)包裝收發(fā)，校驗(yàn)，各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌酚捎?jì)算等復(fù)雜的功能。真是因?yàn)檫@個(gè)協(xié)議棧是ZigBee技術(shù)的核心。所以各個(gè)國外廠家都幾乎一律不提供協(xié)議棧源代碼，而是提供協(xié)議棧目標(biāo)碼庫文件。
雖然目標(biāo)碼庫文件和原代碼都能實(shí)現(xiàn)ZIGBEE協(xié)議棧功能，但從開發(fā)/使用方便性上而言，兩者間有下列明顯差異:1)源代碼對使用者是全透明的，使用者可以任意修改，添加自己需要的功能，目標(biāo)碼不能改動(dòng)如何地方。2)ZigBee目標(biāo)碼庫內(nèi)部一般代有內(nèi)部控制/限制信息，如某國外著名廠家提供的免費(fèi)協(xié)議棧是三個(gè)月限制版，到時(shí)間該目標(biāo)碼協(xié)議棧將自動(dòng)停止運(yùn)行，用戶需要交納專利費(fèi)后才能繼續(xù)使用。而源代碼協(xié)議棧對用戶完全透明，不會(huì)有這樣問題。3)源代碼協(xié)議棧有C語言寫成，可以在不同微控制器上移植，而目標(biāo)代碼庫只能支持特定的微控制器。4)源代碼協(xié)議棧可以方便幫助使用者理解ZigBee協(xié)議內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)方法，目標(biāo)代碼庫不具備這樣功能。
深圳無線龍科技提供的是ZigBee/802.15.4 協(xié)議棧全部C51源代碼，而不是像國外同類產(chǎn)品那樣，只提供二進(jìn)制/不可修改的目標(biāo)碼庫，深圳無線龍?zhí)峁┑脑创a協(xié)議棧價(jià)格只有國外同類產(chǎn)品(二進(jìn)制/不可修改的目標(biāo)碼庫)價(jià)格的幾十分之一。是大家買得起，用的起的優(yōu)秀軟件產(chǎn)品。
第4步,動(dòng)手實(shí)踐,實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用ZIGBEE無線技術(shù)
高頻無線技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、C51編程、無線傳感器技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和ZigBee/802.15.4技術(shù)都屬于實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)用技術(shù)。具體的掌握這些技術(shù)，都需要實(shí)際的動(dòng)手，通過編程序，實(shí)際調(diào)試，實(shí)際電路板，現(xiàn)場測試分析等。來真正了解技術(shù)的核心，來具備實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)。
從知識(shí)準(zhǔn)備來講，可以直接讀無線單片機(jī)的各種數(shù)據(jù)手冊，ZigBee/802.15.4技術(shù)規(guī)范等。 也可以看看有沒有象《無線通訊的入門和實(shí)戰(zhàn)》<
動(dòng)手去做,在實(shí)踐中體驗(yàn)無線通訊的原理,自己編程序,自己觀察無線通訊的實(shí)踐過程,師快速掌握ZigBee/802.15.4短距離,低功耗無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的關(guān)鍵。
結(jié)束語
歸納起來，如果你掌握了這四個(gè)步驟，你就具備了打開ZIGBEE大門的全部的全部條件，剩下的就是看你有多少智慧，去實(shí)現(xiàn)千千萬萬的應(yīng)用，去開發(fā)形形色色的無線產(chǎn)品了。
