基于2.4GHz和1GHz以下的ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用
出處:wzc_512655 發(fā)布于:2011-08-25 15:43:33
ZigBee標(biāo)準(zhǔn)已面市多年,該標(biāo)準(zhǔn)一直面臨著與其它無線標(biāo)準(zhǔn)所面臨的類似挑戰(zhàn),包括不同的發(fā)展階段,早期采用者的不兼容性,以及ZigBee聯(lián)盟成員間關(guān)于正確發(fā)展方向的諸多討論。
不過,隨著公共應(yīng)用規(guī)范的推出,ZigBee標(biāo)準(zhǔn)已進(jìn)入成熟的發(fā)展階段。任何被允許使用ZigBee標(biāo)識的方案,首先必須通過ZigBee 應(yīng)用規(guī)范驗(yàn)證,這樣就保證了終客戶應(yīng)用層的兼容。此外,測試程序還要驗(yàn)證帶有ZigBee標(biāo)識的終產(chǎn)品已通過嚴(yán)格的測試,從而確保應(yīng)用程序發(fā)送的信息遵從公共應(yīng)用規(guī)范中的某一協(xié)議。
這些公共應(yīng)用規(guī)范兼容性通過一組便于識別的標(biāo)識,讓終端用戶可獲悉其所支持的應(yīng)用規(guī)范。目前已建立的應(yīng)用規(guī)范有(圖1):ZigBee Smart Energy(智能能源),ZigBee Home Automation(住宅自動(dòng)化),ZigBee Health Care(醫(yī)療保?。琙igBee building automation(樓宇自動(dòng)化),ZigBee Telecommunication Services(電信服務(wù)),ZigBee Retail Services(零售服務(wù)),ZigBee Remote Control(遙控)。

雖然某些公共應(yīng)用規(guī)范仍在發(fā)展中,但大多數(shù)重要的技術(shù)指標(biāo)都已終確定,而且市面上已有許多通過這些規(guī)范的產(chǎn)品。目前市場上有影響的應(yīng)用規(guī)范為Zigbee Smart Energy、ZigBee Home Automation、ZigBee Telecommunication Services和ZigBee Remote Control.
ZigBee Smart Energy標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定那些提供多種能源管理及其控制功能的器件,如供終用戶與網(wǎng)絡(luò)交互的電表、負(fù)載控制單元或室內(nèi)顯示等器件;ZigBee Home Automation標(biāo)準(zhǔn)則覆蓋燈開關(guān)、調(diào)光器、采暖、通風(fēng)及空調(diào)(HVAC)及窗簾控制等設(shè)備。
另一個(gè)新的終端產(chǎn)品公共應(yīng)用規(guī)范是ZigBee Remote Control,考慮到該遙控標(biāo)準(zhǔn)的初命名,它通常被稱為ZigBee RF4CE.這項(xiàng)規(guī)范能夠?qū)崿F(xiàn)完整的新一代RF遙控裝置,這種功能豐富的全新遙控器將能夠提升用戶體驗(yàn)。
IEEE802.15.4規(guī)范是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率(<250kbps)、工作在2.4GHz和868/928MHz的無線技術(shù),用于個(gè)人區(qū)域網(wǎng)和對等網(wǎng)絡(luò)。它是ZigBee應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的基礎(chǔ)。ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn),在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量,以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn),所以它們的通信效率非常高。802.15.4采用擴(kuò)展頻譜技術(shù)來提高應(yīng)用設(shè)備在這個(gè)高度擁擠頻段中的抗干擾能力,以確保ZigBee設(shè)備能在藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)并存的環(huán)境中正常工作。該標(biāo)準(zhǔn)還提供另一個(gè)非常有用的可選功能,就是使用地域性頻段。
在藍(lán)牙技術(shù)的使用過程中,人們發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙技術(shù)盡管有許多優(yōu)點(diǎn),但仍存在許多缺陷。對工業(yè),家庭自動(dòng)化控制和工業(yè)遙測遙控領(lǐng)域而言,藍(lán)牙技術(shù)顯得太復(fù)雜,功耗大,距離近,組網(wǎng)規(guī)模太小等,而工業(yè)自動(dòng)化,對無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越強(qiáng)烈,而且,對于工業(yè)現(xiàn)場,這種無線數(shù)據(jù)傳輸必須是高可靠的,并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場的各種電磁干擾。因此,經(jīng)過人們長期努力,ZigBee協(xié)議在2003年正式問世。另外,Zigbee使用了在它之前所研究過的面向家庭網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議Home RF Lite.
這個(gè)地域性頻段范圍通常被稱為"sub-1GHz",也叫做"頻率在1GHz以下頻段".由于頻率較低,這類頻段可使應(yīng)用設(shè)備獲得更好的信號傳輸距離和傳播效果。采用這些頻段,室內(nèi)環(huán)境下多路徑傳播等負(fù)面效應(yīng)減少了;而2.4GHz信號在室內(nèi)環(huán)境中更容易被光滑墻面、金屬構(gòu)件反射,以及被潮濕空氣削弱。目前,經(jīng)批準(zhǔn)的這類頻段有四個(gè),其具體頻段和地域如下:日本,950MHz;北美和澳大利亞,902MHz;歐洲,868MHz;中國,780MHz.
開發(fā)人員利用這些頻段,能夠構(gòu)建出適合范圍及地域性要求的產(chǎn)品,同時(shí)提供可在不同頻段使用相同應(yīng)用層協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議,且發(fā)揮靈活射頻參數(shù)配置(如可用輸出功率)的優(yōu)勢的產(chǎn)品。
使用這些頻段可使智能抄表或住宅自動(dòng)化等應(yīng)用領(lǐng)域受益,因?yàn)楫a(chǎn)品將更容易獲得更大的傳輸距離或穿墻能力;也能讓無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋整個(gè)樓宇,而不必采用昂貴的功率放大電路。sub-1GHz信號的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,可讓一棟普通樓宇的地下室中的某個(gè)電表與層中的一個(gè)室內(nèi)顯示器直接連接。
支持這種靈活的多頻率應(yīng)用所需的是支持這些不同頻段的射頻傳輸系統(tǒng)。
愛特梅爾公司就是少數(shù)幾家能支持2.4GHz頻段,并同時(shí)能夠提供運(yùn)行在上述4個(gè)sub-1GHz頻段之中3個(gè)頻段的器件的公司之一。Atmel AT86RF212就是一款符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)且能在北美、歐洲和中國使用的低功耗射頻收發(fā)器。
開發(fā)人員結(jié)合使用在2.4GHz頻段運(yùn)行的可用引腳兼容器件,能夠獲得極為靈活的解決方案以滿足不同發(fā)射距離要求,并推出針對地域性市場而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品(圖2)。

而且,所有這些符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)的射頻器件都可運(yùn)行相同的應(yīng)用程序,如ZigBee Smart Energy或ZigBee Home Automation.
為實(shí)現(xiàn)這一目的,愛特梅爾公司提供了經(jīng)ZigBee Pro協(xié)議堆棧平臺(tái),并支持各種公共應(yīng)用規(guī)范。開發(fā)人員可通過包含ZigBee Smart Energy、ZigBee Home Automation以及ZigBee Building Automation標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備支持的BitCloud Profile Suite獲得這些產(chǎn)品。愛特梅爾公司近發(fā)布的RF4CE協(xié)議堆棧套件RF4Control可讓開發(fā)人員實(shí)現(xiàn)支持ZigBee Remote Control規(guī)范的ZigBee遙控設(shè)備(圖3)。

ZigBee
使用這些軟件套件時(shí),由于應(yīng)用程序接口(API)是相同的,因而開發(fā)人員能夠更方便地實(shí)現(xiàn)不同頻段中的應(yīng)用。此外,應(yīng)用開發(fā)人員無需為在世界不同地域使用的產(chǎn)品編寫不同的程序代碼。這樣可縮短產(chǎn)品上市周期,同時(shí)擴(kuò)大目標(biāo)市場領(lǐng)域。
不同的公共應(yīng)用規(guī)范以及面向上述4個(gè)不同頻段的射頻設(shè)備提供的靈活性,將為眾多新興無線市場造就豐富多彩的產(chǎn)品。愛特梅爾是業(yè)界能夠提供在不同IEEE頻譜活動(dòng)上,運(yùn)行相同ZigBee堆棧應(yīng)用的企業(yè)。
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