引言

据预测，嵌入式无线监控网络的市场将会有突破性的增长。其典型的应用领域为商住及住宅建筑自动化，工业监控，资产追踪，环境监控以及其他控制及传感器应用。ZigBee就是符合以上系统的无线网络标准。对于ZigBee的市场，SoC(系统芯片)解决方案将变得越来越重要。因为SoC可以大大节省ZigBee节点的成本。

功耗及单元成本的降低是目前短距离无线通信RF-IC开发的主要原动力。采用具有高性价比的亚微级CMOS技术和高集成度的发射接收结构是实现以上要求的关键因素。而且，基于CMOS的技术可以更好的发展无线通信SoC。这些集成电路把射频收发器、微控制器、数据和程序存储器以及外围单元都集成到了同一个硅片中。

在ZigBee所强调的市场中，由于SoC可以节省整个系统的成本，因此其地位也将越来越重要。另外，SoC还具有更多的优点，如占用较小的PCB空间，易于组装、测试，提高了系统的可靠性，降低了外部杂散噪声。而且，ZigBee SoC另一个重要特点就是其RF收发器可以有效地与MCU融为一体，成为其外围单元，这一点使得其开发大大易于使用两颗独立芯片的解决方案。

对于大多数的ZigBee系统来讲，低功耗是最基本的要求。因此，ZigBee SoC具有低有效电流消耗是极为重要的。同时，超低功耗的睡眠模式及较短的从睡眠模式切换到工作模式的时间也相当重要。例如，一个ZigBee灯控开关（一个典型的ZigBee终端设备）在大多数的情况下工作在无信标模式并且只有在中断信号来时发送数据,如按一下开关。

大量的节点/传感器是无线监控系统的典型需求。这一点也使得无线解决方案成为必要，由于传感器节点需要在廉价的电池上工作几年，因此要求他们必须具有很低的功耗。此外，传感器节点所发送的数据有限，因此通信链路的数据传输速率也并不用太高。显然，通信链路需要安全可靠，并且通讯解决方案的成本要足够低才能赢得所期待的市场增长。

现今大部分的无线监控系统都是使用专有解决方案。然而，对于一个系统开发者来讲，基于一个像ZigBee这样具有公共标准的开发平台来开发、设计应用才更有益处。ZigBee只是基于射频的网络标准，主要满足无线监控网络系统的不同需要。ZigBee规范是建立在IEEE 802.15.4 的媒体接入层(MAC)和物理层(PHY)标准之上，提供网络及应用支持。

终端产品的设计者使用ZigBee可在标准的应用架构上搭建自己的应用，而无须解决采用个人专有网络所带来的繁杂的射频及网络问题。采用已通过测试的符合ZigBee规范的开发平台将更进一步的减少系统开发成本，缩短产品面世的时间。最终，由于IEEE802.15.4提供的2.4GHz标准射频接口，使得终端产品的制造商可以从厂家获得全球性的解决方案和供应商。2.4GHz ISM(工业、科学、医疗)波段是全球免申请波段。

ZigBee/IEEE802.15.4

ZigBee联盟于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定公开的，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：

表1 ZigBee应用领域

ZigBee是建立在IEEE802.15.4定义的可靠的物理层(PHY)和媒体接入控制层(MAC)之上的标准。并且在PHY层和MAC层之上定义了具有数据安全特性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。

众所周知，像Bluetooth和WLAN这样的标准是不适合用于低功率嵌入式传感器网络应用中的。这是因为这些标准都需要较高的节点成本及复杂且耗电的RF-ICs和协议。然而，ZigBee却是唯一一个明确定位于无线监控应用典型需要的标准。

* 大量的节点/传感器使无线解决方案成为必要
* 极低的系统/节点成本
* 使用廉价的电池可工作数年；这需要极低功耗的RF-ICs和协议。
* 节点间的链路必须安全可靠
* 网络必须易于配置
* 传感器节点所发出的信息总量有限，因此所需通信链路的数据传输速率也处于较低或中等水平。
* 低占空比的定期发送或间歇性发送(低功耗)是该网络通信的特点，传感器节点通常会保持长时间的静止状态。

* 提供全球性的解决方案

表2 进行了ZigBee 与Bluetooth和WLAN的比较，从表中可以看出这些标准在很大程度是相互补充的。例如，Bluetooth 适合于ad-hoc网络，可以取代电缆，再如手机的无线手持解决方案，传输图形/图片和中等大小的文件。WLAN适用于传输或下载大数据量的文件。而ZigBee适用于传输以静态为主，节点繁多但每个节点仅需以较低的占空比发射有限数据的网络。

表2 ZigBee与 WLAN 和 Bluetooth的比较



IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4标准定义其物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)即可用于全球统一的2.4GHz波段上也可以用于具有区域性的868MHz或915MHz波段上。

IEEE802.15.4 中无线信道的接入方式采用载波监听多路检测-碰撞避免(CSMA-CA)。支持
竞争模式和非竞争模式两种接入方式。IEEE802.15.4标准使用64位的IEEE地址和16位网络地址，理论上提供了每个网络高到65536个节点。

IEEE 802.15.4所规定的数据传输调制方式描绘如下：每一个数据字节的低四位和高四位分别经由16位伪随机序列调制，形成32码片的数据流。每个码片会转换成一个半正弦波进入数字偏置四相相移键控(offset-QPSK)调变器，这样的处理方式提供了具有250Kbps数据传输率和2Mchip/s传码率的高效的直接序列扩频(DSSS)调变。这种恒定包络调制方式可等效为最小频移键控以达到相关非线性功率放大器设计简单，低成本的效果。

PHY所包括的功能有接收强度监测(ED),链路质量指示(LQI)和空闲信道评估(CCA)。

IEEE 802.15.4 MAC子层的作用:
· 初始化 个人区域网络(PAN)
· 在网络中发射信标(可选)
· 信标同步(可选)
· 网络的建立及断开
· 支持MAC层安全(AES-128 加密)
· 信道接入使用CSMA-CA机制
· 数据包应答及重发
· FCS(Frame Check Sequenc)计算与检测
· 在两个同等MAC实体间提供可靠的链路。即为进行传输数据，提供具有可靠链路的高层（如ZigBee网络层）。

ZigBee 规范

ZigBee规范是由ZigBee联盟制定的，它定义了基于IEEE802.15.4PHY和MAC层之上的网络，安全及应用层。ZigBee联盟同时也制定了互操作性和兼容性测试的规范。

ZigBee网络层主要功能是发现设备并建立设备间无线链路，其网路层支持三种网络拓扑结构，星状网，网状网(对等)和集群树状网结构(图1)。

网状网具有较高的可靠性和可控性，因此可以提供不止一条的网络路径。像这样的网络还具有所谓的“自修复”功能。例如，如果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足够大（即有冗余路径）。

图1 ZigBee 网络类型

ZigBee网络的建立是非常简单的，因为网络的形成是自动完成的。此外，ZigBee网络还具有很好的可控性。

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系统中，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协调器，ZigBee路由器，和ZigBee终端设备。这些是ZigBee的逻辑设备类型。

ZigBee协调器的主要职责是建立网络并设定他们的主要参数。(例如，选择射频通道，分配不同的网络地址)。它可以通过ZigBee路由器来延伸网络的通信范围。这些路由器也可作为由于距离太远而无法直接通讯的两个设备间的中继器。ZigBee的终端不参与传递。

FFD可以与RFD或其他FFD通讯,但RFD却只能与FFD通讯。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；他们并不需要发射大量的数据，只是某一时间需要与一个FFD进行通讯。因此，RFD只需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。

为Zigbee 应用设计的一颗真正的SoC

CC2430是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。