1、前言-ZIGBEE基本理念与架构
1.1Zigbee基本理念
Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗、低成本、低复杂度的近程无线网络通信技术无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，主要用于近距离无线连接。
ZigBee技术将内嵌到更多的产品及应用中去，包括世界范围内的消费类、商业、工业及政府市场。使得企业也第三次的拥有了一个基于标准的无线平台。并可针对其远程监测及控制应用的独特需求（包括了简易性、可靠性、低成本、低功耗）进行优化。
ZZigBee提供基于开放的全球标准的可靠、成本效益型、低功耗无线网络监测及其控制产品。为客户提供终极的灵活性、移动性及易用性。
而对于那些大量终端产品需要相互通信的居家及建筑自动化无线应用来说，ZigBee标准也对其发展具有重大意义。
ZigBee的网络标准由IEEE 802．15工作组负责制订，ZigBee是IEEE 802.15.4(1nstitute of Electrical and Electronics Engineer--电子电机学会)标准在商业推广上的名称。ZigBee建立在802.15.4标准之上，它确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲要.IEEE802.15.4是IEEE确定的低速率，无线个域网标准.802.15.4标准的适用范围非常贴近生产和生活，对数据速率和QoS的要求不高，而ZGBEETM的主攻市场为：建筑自动化；居家控制／安全；工业自动化；物流与传感器网络等。
1.2zigBee技术特征
除zigBee技术外，其它短程标准，如蓝牙、Wi-Fi都不是针对低功耗监测及控制应用而制定的。而对于ZigBee来说，情况就不同了。ZigBee是针对无线监测及控制应用的专业用途及典型需求的唯—标准。例如：大量网络节点／传感器;超低的系统／节点成本,ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点，同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网；需常年依靠廉价电池运转2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长，这是ZigBee的突出优势,相比较，蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时;网络节点间可靠，安全的连接;易于开发及配置及全球化的解决方案。
zigBee技术除了上述低功耗、高容量等这些特征外还有以下优势：
低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1／10)，降低了对通信控制器的要求。按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费。目前每块芯片的价格大约为3美元，明年有希望降至2美元。
低速率。ZigBee工作在20-250kb／s的较低速率，分别提供250kb／s(2．4GHz)、40kb／s(915MHz)和20kb／s(868MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。
近距离。传输范围一般介于10～100m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1—3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。
短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3-10s、WiFi需要3s。
高安全。ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AESl28)的对称密码，以灵活确定其安全属性。
对于终端产品公司来说，基于标准的ZigBee技术来设计应用，要比从头创建一个新型专有解决方案更具成本效益。并且，得益于符合IEEE 802.15.4的2.4GHz标准化无线产品，使得终端产品公司可获得全球通用的解决方案，而无须依赖于RF-IC供应商。
由于ZigBee兼容解决方案的成本效应.现存的厂商将有线场总线技术移植到ZigBEE之上，不仅为其客户节省了安装成本，还缩减了其产品材料清单。
由上可知为何要选用ZIGBEE了.为此将在ZigBee协议及基于Z-Stack的产品开发方面，打下坚实的基础。
图1为Figure 8 Wireless公司为用户提供的了ZigBee协议堆栈,示意框图。
图1
图1中实体层(PHY)规范确定了在2．4GHz、915MHz和868MHz以250kbps的基准传输率工作的低功耗展频无线电：介质访问层(MAC)规范定义了在同一区域工作的多个802．15．4无线通讯信号如何共享空中通道。ZIGBEE网状网络连接，在由IEEE 802.15.4的定义的PHY和MAC层上，ZigBee通过其互操作牲的应用组合，支持了网状、星型、丛集树状(cluster-tree)网络拓扑的可靠及安全。通过提供贯穿网络的路由/网状网络也实现了高层次的可靠性及可扩展性。
在Zigbee产业链上游微控制器、射频收发器组件部分等方案己闻世，值此介绍坚基于ZIGBEE标准的先进的RF芯片改及应用。
2、符合ZIGBEE标准的先进的单芯片2.4GHzRF收发机与低功耗，低成本单芯片系统(SOC)解决方案
2.1符合ZIGBEE标准单芯片2.4GHzRF收发机特征与应用
以Chipcon厂商的CC2420型为例。其为低成本收发机，特别设计用于2.4GHz无须授权的ISM频带内的低功耗、低电压RF应用，是市面上领先的ZigBee IEEE802.15.4收发机。此芯片在性能上有超越了标准的可选择性，确保了长通信距离以及通信的高效性、可靠性。CC2420基于chipcon的SmartRF*03 0.18μmCMOS工艺。
CC2420达到了ZigBee标准的需求，其成本效益型、基于标准的网络解决方案的协同工作能力支持了系统的低数据率、低功耗、安全及可靠性。
CC2420提供基于AES-128数据加密及数据校验的硬件支持，从而实现了高层次的安全性。同时，芯片所支持的功能还有封包操作、数据缓冲、触发模式传输、地址识别、空闲信道评估、链路质量指示及定时信息。这些功能有效的降低了主控处理器的负担，使CC2420可选用低成本的微控制器。CC2420的主要工作参数及发射／接收FIF0端口可通过SPI接口进行设定及存取。
CC2420RF收发机是高度集成的解决方案。在典型应用中，CC2420与单个微控制器及少量外置无源元件协同使用。图2为CC2420RF收发机结构示意框图。
（点击图片看大图）
2.11CC2420技术特征
真正的单芯片2.4GHz IEEE802.15.4／ZigBeeTM RF收发机，支持MAC；适用于由IEEE IEEE802.15.4所定义FFD(全功能器件)及RFD(简化功能器件)、还适用于符合ZigBee标准的终端器件、路由器及协调器；直接序列扩频(DSSS)调制解调器伪码的码速率为2Mchips／s，有效数据率为250kbps；低电流损耗,接收模式(RX)18.8mA,发送模式(TX)17.4mA；低电源电压(2.1V-3.6V)并带内置稳压器；无须外置RF开关／滤波器；可编程输出功率；I／Q低中频接收机；I／Q直接上转换发射机；极少的外部元件；带128位(RX)+128位(TX)数据缓冲的封包操作；支持数字信号强度指示(RSSI)以及无线连接质量(LQl)；硬件MAC加密及验证(AES-128)及电池监测；QLP-48封装(7x7mm)；拥有强大、灵活的开发工具,易于使用的软件，可供性能评估两个参考设计可选：输出功率分别为0dBm及+10dBm。
2.12 CC2420应用例举
CC2420是用于居家及建筑自动化、工业检测及控制系统、传感器网络、消费电子产品以及智能玩具的理想解决方案。CC2420可轻松的满足此类应用的最常见的需求，如较长的电池工作时间、可靠的通信连接以及较低的系统成本。
煤矿安全管理是一项复杂的系统工程。目前传统的安全管理方式是以人为主要因素，没有定位、定量、准确性差，越来越不适应于生产的发展，必须采用先进的方法和手段才能更好地解解决生命安全保障问题。所希望的未来煤矿安全系统是能够事先预测事故的发生，掌握事故的规律，做出定性和定量的评价.用最新的ZigBce无线网络技术和射频集成芯片技术，结合无线网络传输技术和微功率无线网络定位专利技术来设计煤矿管理服务系统。
煤矿产安全系统采用Chipcon公司提供的CC2420B芯片进行设计和开发。CC2420DB板写入不同的代码，分别作为协调器、路由设备、终端设备来组成网络。终端设备可以采用FFD(全功能设备)，也可以采用RFD(精简功能设备)。如果是RFD，则此设备只能充当接收终端，而不再能转发数据；路由设备：它必须是FFD，用于接收与转发信息；协调器它必须是FFD(全功能设备)，同时也是整个网络的灵魂，向计算机传输数据。系统应用网络模型如图3。
图3
系统所实现的主要功能：事故预警，定位显示，灾后急救信及禁区报警。
2.2 ZigBee／IEEE802.15.4低功耗，低成本单芯片系统(SOC)解决方案
CC2430是针对于ZigBeeTM的真正单芯片系统(SoC)解决方案。使用CC2430 ZigBeeTM节点仅需很低的物料料清单(BoM)成本就能建构。CC2430整合了业界领先的CC2420RF收发机以及工业标准的增强型8051 MCU的卓越性能、还包括了8kBRAM以及许多其他的强大特性。CC2430拥有三种不同的版本：CC2430-F32、CC2430-F64以及CC2430-F128，编号后缀分别代表了芯片具有32kB、64kB或128kB的闪存。结合了chidcon业界领先的ZigBee协议栈(Z-StackTM)之后，CC2430可说是市面最具竞争力的ZigBeeTM解决方案。
CC2430单芯片系统(SoC)是高度集成的解决方案。仅需很少的外置元件，且所选用元件均为低成本型，可支持快速、廉价的ZigBeeTM节点构建。
CC2430单芯片系统保持了CC2420所包括的卓越射频性能，包括超低功耗，高灵敏度、出众的抗噪声及抗干扰能力。所集成的MCU为强大的8位、单周期8051微控制核心(其典型性能可达标准8051性能的8倍)。CC2430-F32、CC2430-F64及CC2430-F128分别具有不同大小的闪存：32kB、64kB及128k8。但都只具有8kB的RAM。另外，CC2430还包括了许多强大的特性，例如：DMA、计时器、AES-128协处理器、8-14位ADC、USART、睡眠模式计时器、上电复位、掉电检测以及21个可编程I／0引脚。
CC2430在接收机传输模式下的电流损耗分别为27mA及25mA。CC2430的睡眠模式及其与工作模式间超短的激活转换时间，使得此RF-IC成为针对超长电池使用寿命应用的理想解决方案。
CC2430可用于ZigBee协调器、路由器及终端设备。
2.3针对无线定位最具竞争力的ZIGBEE／IEEE802.15.4解决方案与应用
带定位引擎(Location engine)的CC2431是真正的单芯片系统解决方案，用于ZigBee IEEE802.15.4无线传感器网络。CC2431整合了领先的CC2420RF收发机以及工业标准的增强型8051 MCU的卓越性能、还包括了8kBRAM，128kBFIash memory以及许多其他的强大特性。结合了Cmpcon领先的ZigBeeTM协议栈(Z-Stack)及定位引擎支持软件之后，CC2431可说是针对低功耗无线传感器网络定位的最具竞争力解决方案。
图4为CC2431电路简易外接功能示意图。
图4
CC2431是定位引擎被用于点对点(ad-hoc)无线网络的节点位置估计。参考节点被置于已知的坐标中，典型的原因是这些节点往往作为已安装的基础设施的一部分。其它需要估计位置的节点被称为盲节点(blind nodes)，这些盲节点通常是处于移动状态或依附于所要追踪的实体。
定位引擎分布式计算法则的实现是通过接收源自已知参考节点的日SSI(接收信号强度指示)信号实现的，例如带相同定位引擎的相邻移动节点，或是固定的下层设施节点。在节点层面进行位置计算，可以减少网络拥堵及通信延迟等可能出现在集中式计算方法中的弊病。
2.31定位引擎具有以下特点
单个盲节点可通过3-8个参考节点实现定位算法；位置估计分辨率可达0.5m；节点位置估算耗时低于40μs；定位范围：64mx64m；最小化CPU占用的定位估计；位置估算误差小于3M，取决于如下所述因素。
为实现可能达到的最佳精确度，推荐用户采用接近各向同性(near-isotropic)辐射特性的天线。引擎的定位误差取决于指定区域的信号环境、参考节点的部署模式和密度。一般情况下，更多的可用参考节点可增加位置估算的精确度。
CC2431特点：基于RSSI的定位引擎；与CC2430完全引脚兼容；标准8051微控制器增强版本的内核，典型性能达标准8051的8倍；2．4GHz IEEE 802.15.4兼容RF收发机(采用领先的CC2420RF收发机核心)；128kB的内置系统可编程闪存；8kB RAM，其中4kB在任何模式下均支持数据保持；强大的DMA功能;四种灵活的功率模式，用于降低功耗；系统时钟源可采用16MHzRC振荡器或32MHz晶体振荡器，无线电工作模式下使用32MHz振荡器；可选择性时钟源，可选择32kHzRC振荡器或32．768kHz晶体振荡器，用于超低功耗运转；睡眠模式至工作模式的超快速转换，实现了低责任周期(dutv—cycle)系统内超低的平均功率；处于深睡眠模式的系统可通过外部中断或实时计数器事件实现唤醒；AES安全协处理器可编程看门狗计时器；上电复位／掉电检测；一个IEEE 802.15.4 MAC计时器，一个通用16位计时器及两个8位计时器；两个可编程USART，用于主／从SPI或UART运转；真正的随机数发生器CSMA／CA协处理器支持数字信号强度指示(RSSl)以及无线连接质量(LQl)；8-14位ADC，最多支持8个输入21个通用I／O引脚，其中两个拥x有20mA的接收／馈送能力；数字电池监测及片置温度传感器；支持硬件调试；带外置功率放大器(PA)的参考设计可提供+10dBm的输出功率(由CC2420外置功率放大器解决方案生成)；遵从RoHS标准，7mmx7mmQLP48封装。
2.32 CC2431定位应用例举
CC2431应用：实体追踪、存货控制、集装箱／托运货盘追踪、设备及人员追踪、安全与车辆(载重车辆)追踪、接入及控制系统。其ZigBee技术支持地理定位功能，它工作于无需注册的2.4GHz ISM频段，传输速率为250kbit／s，传输距离可以从标准的75m，到扩展后的几百米，利用ZigBee技术可由多到65000个无线微功率收发机组成一个庞大而有效的无线数传网络平台。值此以定位应用例举。
可将移动手持终端设备将显示出购物中心的导购图，并在图上标明需前往的采购区。移动手持终端设备上还将随时随地显示出您可能会感兴趣的商品。
射频(RF)技术有望使上述设想成为现实。有些ZigBeeRF设备中内嵌的定位引擎可以与室内GPS系统相媲美，其内嵌的定位引擎使用ZigBee网络的RF基础设施来计算事物或人所处的位置。与GPS相比，定位引擎在单芯片RF收发器中与MCU集成在一起，成本不及GPS硬件的1／10，功耗也只是GPS硬件的一小部分。该种定位引擎既可用于室内，也可用于室外，而且只要有现成的ZigBee网络，就无需安装移动的接收天线。
其典型的应用包括：遥控开／关房屋中所有房间的灯具、跟踪码头仓库的集装箱起运情况、跟踪网站的设备。另外，当新设备接入网络时，该定位引擎能够确定其物理位置，因此，它还能用于简化无线网络的设置。
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