ZigBee技術的硬件實現(xiàn)模式分析

引言
當今世界通信技術迅猛發(fā)展，ZigBee作為一種新興的短距離無線通信技術，正有力地推動著低速率無線個人區(qū)域網(wǎng)絡LR-WPAN(Low-Rate Wireless Personal Area Network)的發(fā)展。ZigBee是基于IEEE 802.15.4標準的應用于無線監(jiān)測與控制應用的全球性無線通信標準，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域。并且，基于ZigBee技術的網(wǎng)絡特征與無線傳感器網(wǎng)絡存在很多相似之處，故很多研究機構已經(jīng)把它作為無線傳感器網(wǎng)絡的無線通信平臺。目前在藍牙技術復雜，應用系統(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技術無疑將擁有廣闊的應用前景。

1 ZigBee的結構體系
相對于其他無線通信標準，ZigBee協(xié)議棧顯得更為緊湊和簡單。如圖1所示，ZigBee協(xié)議棧的體系結構由底層硬件模塊、中間協(xié)議層和高端應用層3部分組成。

1.1 底層硬件模塊
底層硬件模塊是ZigBee技術的核心模塊，所有嵌入ZigBee技術的設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標準協(xié)議定義了兩個物理層(PHY)標準，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，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)服務和物理層管理服務。物理層數(shù)據(jù)服務從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)；物理層管理服務維護一個由物理層相關數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)服務主要包括：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)絡層提供信道選擇依據(jù)。它主要測量目標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。這個信噪比指標和物理層數(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)議標準定義了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)絡層NWK以及通過業(yè)務相關聚合子層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實現(xiàn)設備之間的數(shù)據(jù)幀傳輸，而LLC子層在MAC子層的基礎上，在設備間提供面向連接和非連接的服務。MAC子層提供兩種服務：MAC層數(shù)據(jù)服務和MAC層管理服務。前者保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務中的正確收發(fā)；后者維護一個存儲MAC子層協(xié)議狀態(tài)相關信息的數(shù)據(jù)庫。
NWK層：負責建立和維護網(wǎng)絡連接。它獨立處理傳人數(shù)據(jù)請求、關聯(lián)、解除關聯(lián)和孤立通知請求。
SSCS和IEEE 802.2 LLC：只是ZigBee標準協(xié)議中可能的上層協(xié)議.并不在IEEE 802.15.4標準的定義范圍之內(nèi)。SSCS為IEEE 802.15.4的MAC層接入IEEE802.2標準中定義的LLC子層提供聚合服務。LLC子層可以使用SSCS的服務接口訪問IEEE 802.15.4網(wǎng)絡，為應用層提供鏈路層服務。

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

2 ZigBee硬件的實現(xiàn)
隨著ZigBee標準的發(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單芯片硬件模塊結構圖。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SPI主器件，而RF收發(fā)器充當從器件。控制器實現(xiàn)了IEEE 802.15.4 MAC子層和ZigBee協(xié)議層，還包含了特定應用的邏輯，并且使用SPI總線與RF收發(fā)器交互。

圖2 ZigBee單芯片硬件模塊結構圖
總結起來.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設備的核心，任何ZigBee設備都要有射頻收發(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，可快速應用到ZigBee產(chǎn)品中。CC2420基于Chipcon公司的SmartRF 03技術，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)部結構與工作原理
CC2420的內(nèi)部結構如圖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轉換器轉換成數(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?；鶐盘柕耐喾至亢驼环至恐苯颖籇／A轉換器轉換成模擬信號，通過低通濾波器后，直
接變頻到設定的信道上。
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該在4O1O-6以內(nèi)。圖5給出了CC2420應用電路的一個實例。

3.2 基本功能及應用
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 mm7 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，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技術是一種結構簡單、成本較低的無線通信技術，它使得在低電能和低吞吐量的應用環(huán)境中使用無線連接成為可能。本文所描述的ZigBee技術硬件實現(xiàn)模式分析，只是ZigBee核心技術中的一小部分，隨著ZigBee技術的進一步完善和發(fā)展，更多的注意力和研發(fā)力量將轉移到應用的設計和實現(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。