ZigBee技術(shù)的硬件實現(xiàn)模式分析

引言
    當(dāng)今世界通信技術(shù)迅猛發(fā)展，ZigBee作為一種新興的短距離無線通信技術(shù)，正有力地推動著低速率無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)LR-WPAN(Low-Rate Wireless Personal Area Network)的發(fā)展。ZigBee是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用于無線監(jiān)測與控制應(yīng)用的全球性無線通信標(biāo)準(zhǔn)，強調(diào)簡單易用、近距離、低速率、低功耗(長電池壽命)且極廉價的市場定位，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、家庭自動化、醫(yī)療護理、智能農(nóng)業(yè)、消費類電子和遠程控制等領(lǐng)域。并且，基于ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)特征與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在很多相似之處，故很多研究機構(gòu)已經(jīng)把它作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通信平臺。目前在藍牙技術(shù)復(fù)雜，應(yīng)用系統(tǒng)費用高，功耗高，供電電池壽命短，且還無法突破價格瓶頸的情況下，ZigBee技術(shù)無疑將擁有廣闊的應(yīng)用前景。

1 ZigBee的結(jié)構(gòu)體系
    相對于其他無線通信標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee協(xié)議棧顯得更為緊湊和簡單。如圖1所示，ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)由底層硬件模塊、中間協(xié)議層和高端應(yīng)用層3部分組成。
 
1.1 底層硬件模塊
    底層硬件模塊是ZigBee技術(shù)的核心模塊，所有嵌入ZigBee技術(shù)的設(shè)備都必須包括底層模塊。它主要由射頻RF(Radio-Frequency)、ZigBee無線RF收發(fā)器和底層控制模塊組成。
    ZigBee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議定義了兩個物理層(PHY)標(biāo)準(zhǔn)，分別是2.4 GHz物理層和868／915 MHz物理層。兩個物理層都基于直接序列擴頻DSSS技術(shù)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式；區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制方式、信號處理過程和傳輸速率。
    底層控制模塊定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)；物理層管理服務(wù)維護一個由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)服務(wù)主要包括：激活和休眠射頻收發(fā)器，收發(fā)數(shù)據(jù)，信道能量檢
測，鏈路質(zhì)量指示和空閑信道評估。
    信道能量檢測：為網(wǎng)絡(luò)層提供信道選擇依據(jù)。它主要測量目標(biāo)信道中接收信號的功率強度，由于這個檢測本身不需要進行解碼操作，所以檢測結(jié)果是有效信號功率和噪聲信號功率之和。
    鏈路質(zhì)量指示：為MAC層或者應(yīng)用層提供接收數(shù)據(jù)幀時無線信號的強度和質(zhì)量信息。與信道能量檢測不同的是，它要對信號進行解碼，生成一個信噪比指標(biāo)。這個信噪比指標(biāo)和物理層數(shù)據(jù)單元一起提交給上層處理。
    空閑信道評估：判斷信道是否空閑。ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)定義了3種空閑信道評估模式：第一種是判斷信道的信號能量，若信號能量低于某一個門限量，則認(rèn)為信道空閑；第二種是判斷無線信道的特征，這個特征主要包括兩方面，即擴頻信號和載波頻率；第三種模式是前兩種模式
的綜合，同時檢測信號強度和信號特征，給出信道空閑判斷。

1.2 中間協(xié)議層
    中間協(xié)議層由IEEE 802.15.4 MAC子層、IEEE 802.15.4鏈路控制(LLC，Logical Link Contro1)子層、網(wǎng)絡(luò)層NWK以及通過業(yè)務(wù)相關(guān)聚合子層SSCS(Service Specific Convergence Sublayer)協(xié)議承載的IEEE 802.2 LLC子層(選用協(xié)議層)組成。
MAC子層：使用物理層提供的服務(wù)實現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)幀傳輸，而LLC子層在MAC子層的基礎(chǔ)上，在設(shè)備間提供面向連接和非連接的服務(wù)。MAC子層提供兩種服務(wù)：MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)和MAC層管理服務(wù)。前者保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中的正確收發(fā)；后者維護一個存儲MAC子層協(xié)議狀態(tài)相關(guān)信息的數(shù)據(jù)庫。
NWK層：負責(zé)建立和維護網(wǎng)絡(luò)連接。它獨立處理傳人數(shù)據(jù)請求、關(guān)聯(lián)、解除關(guān)聯(lián)和孤立通知請求。
SSCS和IEEE 802.2 LLC：只是ZigBee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中可能的上層協(xié)議.并不在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的定義范圍之內(nèi)。SSCS為IEEE 802.15.4的MAC層接入IEEE802.2標(biāo)準(zhǔn)中定義的LLC子層提供聚合服務(wù)。LLC子層可以使用SSCS的服務(wù)接口訪問IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)，為應(yīng)用層提供鏈路層服務(wù)。

1.3 高端應(yīng)用層
    高端應(yīng)用層位于ZigBee協(xié)議棧的最上面，主要包括以下5部分：應(yīng)用支持(APS)子層、ZigBee設(shè)備對象(ZDO)子層、ZigBee設(shè)備配置(ZDC)子層、應(yīng)用層(APL)和用戶應(yīng)用程序組成。
APS子層：主要提供ZigBee端點接口。應(yīng)用程序?qū)⑹褂迷搶哟蜷_或關(guān)閉一個或多個端點，并且獲取或發(fā)送數(shù)據(jù)。
ZDO子層：通過打開和處理目標(biāo)端點接口來響應(yīng)接收和處理遠程設(shè)備的不同請求。與其他的端點接口不同，目標(biāo)端點接口總是在啟動時就被打開并假設(shè)綁定到任何發(fā)往該端口的輸入數(shù)據(jù)幀。
ZDC子層：提供標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee配置服務(wù)，定義和處理描述符請求。遠程設(shè)備可以通過ZDO子層請求任何標(biāo)準(zhǔn)的描述符信息。當(dāng)接收到這些請求時，ZDO會調(diào)用配置對象以獲取相應(yīng)的描述符值。
APL層：提供高級協(xié)議棧管理功能。用戶應(yīng)用程序使用此模塊來管理協(xié)議棧功能。
用戶應(yīng)用程序：主要包括廠家預(yù)置的應(yīng)用軟件。同時，為了給用戶提供更廣泛的應(yīng)用，該層還提供了面向儀器控制、信息電器和通信設(shè)備的嵌入式API.從而可以更廣泛地實現(xiàn)設(shè)備與用戶的應(yīng)用軟件間的交互。

2 ZigBee硬件的實現(xiàn)
    隨著ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布.世界各大無線芯片生產(chǎn)廠商陸續(xù)推出了支持ZigBee的節(jié)點模塊。圖2為ZigBee單芯片硬件模塊結(jié)構(gòu)圖。微處理器通過SPI總線和一些離散控制信號與RF收發(fā)器相連。微處理器充當(dāng)SPI主器件，而RF收發(fā)器充當(dāng)從器件?？刂破鲗崿F(xiàn)了IEEE 802.15.4 MAC子層和ZigBee協(xié)議層，還包含了特定應(yīng)用的邏輯，并且使用SPI總線與RF收發(fā)器交互。
 
圖2 ZigBee單芯片硬件模塊結(jié)構(gòu)圖
    總結(jié)起來.一個典型的ZigBee節(jié)點模塊至少必須具備以下組件：

•  一片帶SPI接口的微處理器，如ATmega128、PIC18F和HCS08等。微處理器主要用于處理射頻信號、控制和協(xié)調(diào)各部分器件的工作，具體地說.就是負責(zé)比特流調(diào)制和解調(diào)后的所有比特級處理、控制RF收發(fā)器等。
•  一個帶有所需外部元件的RF(射頻)收發(fā)器.如Freescale公司推出的MC13192和Chipcon公司推出的CC2420等。射頻收發(fā)器是ZigBee設(shè)備的核心，任何ZigBee設(shè)備都要有射頻收發(fā)器。它與用于廣播的普通無線收發(fā)器的不同之處在于體積小，功耗低.支持電池供電的設(shè)備。射頻收發(fā)器的主要功能包括：信號的調(diào)制與解調(diào)、信號的發(fā)送和接收，以及幀定時恢復(fù)等。
•  一根天線，可以是PCB上的引線形成的天線或單根天線。近程通信中最常用的天線有單極天線、螺旋形天線和環(huán)形天線。對于低功耗應(yīng)用，建議使用范圍最佳且簡單的1／4波長單極天線。天線必須盡可能靠近集成電路連接。如果天線位置遠離輸入引腳.則必須與提供的傳輸線匹配(50Ω)。

Freescale公司推出的ZigBee節(jié)點模塊的應(yīng)用模型如圖3所示。
 

3 CC2420無線RF收發(fā)器
    CC2420是Chipcon公司推出的一款兼容2.4 GHz IEEE 802.15.4的無線收發(fā)芯片，可快速應(yīng)用到ZigBee產(chǎn)品中。CC2420基于Chipcon公司的SmartRF 03技術(shù)，使用0.18 um CMOS工藝生產(chǎn)，采用QLP-48封裝，具有很高的集成度。

3.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理
    CC2420的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。CC2420是一個低中頻的接收器，所接收到的射頻信號首先經(jīng)過LNA(低噪聲放大器)，然后正交下變頻到2 MHz的中頻上，形成中頻信號的同相分量和正交分量。兩路信號經(jīng)過濾波和放大后，直接通過A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。后繼的處理(如自動增益控制、最終信道選擇、解調(diào)以及幀同步等)，都是以數(shù)字信號形式處理的。
 
    CC2420發(fā)送數(shù)據(jù)時，使用直接正交上變頻。基帶信號的同相分量和正交分量直接被D／A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號，通過低通濾波器后，直
接變頻到設(shè)定的信道上。
    CC2420射頻信號的收發(fā)采用差分方式傳送，其最佳差分負載是(115+j180)Ω，阻抗匹配電路應(yīng)該根據(jù)該數(shù)值進行調(diào)整。如果使用單端天線，則需要使用平衡／非平衡阻抗轉(zhuǎn)換電路(BALUN，巴倫電路)，以達到最佳收發(fā)效果。
    CC2420需要有16 MHz的參考時鐘用于250 kbps數(shù)據(jù)的收發(fā)。這個參考時鐘可以來自外部時鐘源，也可以使用內(nèi)部晶振產(chǎn)生。如果使用外部時鐘，則直接從XOSCl6_Q1引腳引入，XOSCl6_Q2引腳保持懸空；如果使用內(nèi)部晶振，則晶振接在XOSC16_Q1和XOSC16_Q2引腳之間。CC2420要求時鐘源的精度應(yīng)該在±4O×1O-6以內(nèi)。圖5給出了CC2420應(yīng)用電路的一個實例。

3.2 基本功能及應(yīng)用
    CC2420工作于全球統(tǒng)一開放的2.4 GHz ISM頻帶，具有工作電壓低(1.8 V)、體積小(7 mm×7 ram)、功耗低(TX：24 mA，RX：17 mA)和靈敏度高(-119 dB)等優(yōu)點，最高工作速率可達250 kbps；采用了直接序列擴頻方式，抗噪聲干擾能力強；用硬件實現(xiàn)了IEEE 802.15.4的MAC子層基于128位的AES數(shù)據(jù)加密和鑒別操作，安全性較高；具有完全集成的壓控振蕩器，只需天線、16 MHz晶振和幾個阻容、電感元件等非常少的外圍電路就能在2.4 GHz頻帶上工作，基本無需調(diào)試；MAC子層支持信息包處理、數(shù)據(jù)緩存、突發(fā)傳輸、地址識別、信道能量檢測、鏈路質(zhì)量指示和空閑信道評估等功能，從而可減輕主控制器負擔(dān)，且可與低成本的控制器配合使用。CC242O單芯片適合于在計算機遙測遙控、家庭及樓宇自動化、消費類電子、汽車儀表數(shù)據(jù)讀取等無線數(shù)據(jù)發(fā)射／接收系統(tǒng)中使用。
 

    ZigBee技術(shù)是一種結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的無線通信技術(shù)，它使得在低電能和低吞吐量的應(yīng)用環(huán)境中使用無線連接成為可能。本文所描述的ZigBee技術(shù)硬件實現(xiàn)模式分析，只是ZigBee核心技術(shù)中的一小部分，隨著ZigBee技術(shù)的進一步完善和發(fā)展，更多的注意力和研發(fā)力量將轉(zhuǎn)移到應(yīng)用的設(shè)計和實現(xiàn)、互聯(lián)互通測試和市場推廣等方面。相信在不遠的將來，會有越來越多的ZigBee設(shè)備進入我們的生活，使我們的生活變得更加便利和豐富多彩。