基于2.4GHz和1GHz以下的ZigBee技术设计与应用

　　ZigBee标准已面市多年，该标准一直面临着与其它无线标准所面临的类似挑战，包括不同的发展阶段，早期采用者的不兼容性，以及ZigBee联盟成员间关于正确发展方向的诸多讨论。

　　不过，随着公共应用规范的推出，ZigBee标准已进入成熟的发展阶段。任何被允许使用ZigBee标识的方案，首先必须通过ZigBee 应用规范验证，这样就保证了终客户应用层的兼容。此外，测试程序还要验证带有ZigBee标识的终产品已通过严格的测试，从而确保应用程序发送的信息遵从公共应用规范中的某一协议。

　　这些公共应用规范兼容性通过一组便于识别的标识，让终端用户可获悉其所支持的应用规范。目前已建立的应用规范有（图1）：ZigBee Smart Energy（智能能源），ZigBee Home Automation（住宅自动化），ZigBee Health Care（医疗保健），ZigBee building automation（楼宇自动化），ZigBee Telecommunication Services（电信服务），ZigBee Retail Services（零售服务），ZigBee Remote Control（遥控）。

　　虽然某些公共应用规范仍在发展中，但大多数重要的技术指标都已终确定，而且市面上已有许多通过这些规范的产品。目前市场上有影响的应用规范为Zigbee Smart Energy、ZigBee Home Automation、ZigBee Telecommunication Services和ZigBee Remote Control.

　　ZigBee Smart Energy标准规定那些提供多种能源管理及其控制功能的器件，如供终用户与网络交互的电表、负载控制单元或室内显示等器件；ZigBee Home Automation标准则覆盖灯开关、调光器、采暖、通风及空调（HVAC）及窗帘控制等设备。

　　另一个新的终端产品公共应用规范是ZigBee Remote Control,考虑到该遥控标准的初命名，它通常被称为ZigBee RF4CE.这项规范能够实现完整的新一代RF遥控装置，这种功能丰富的全新遥控器将能够提升用户体验。

　　IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率（<250kbps）、工作在2.4GHz和868/928MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网络。它是ZigBee应用层和网络层协议的基础。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，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。它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点，所以它们的通信效率非常高。802.15.4采用扩展频谱技术来提高应用设备在这个高度拥挤频段中的抗干扰能力，以确保ZigBee设备能在蓝牙网络并存的环境中正常工作。该标准还提供另一个非常有用的可选功能，就是使用地域性频段。

　　在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化，对无线数据通信的需求越来越强烈，而且，对于工业现场，这种无线数据传输必须是高可靠的，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。因此，经过人们长期努力，ZigBee协议在2003年正式问世。另外，Zigbee使用了在它之前所研究过的面向家庭网络的通信协议Home RF Lite.

　　这个地域性频段范围通常被称为"sub-1GHz",也叫做"频率在1GHz以下频段".由于频率较低，这类频段可使应用设备获得更好的信号传输距离和传播效果。采用这些频段，室内环境下多路径传播等负面效应减少了；而2.4GHz信号在室内环境中更容易被光滑墙面、金属构件反射，以及被潮湿空气削弱。目前，经批准的这类频段有四个，其具体频段和地域如下：日本，950MHz;北美和澳大利亚，902MHz;欧洲，868MHz;中国，780MHz.

　　开发人员利用这些频段，能够构建出适合范围及地域性要求的产品，同时提供可在不同频段使用相同应用层协议及网络层协议，且发挥灵活射频参数配置（如可用输出功率）的优势的产品。

　　使用这些频段可使智能抄表或住宅自动化等应用领域受益，因为产品将更容易获得更大的传输距离或穿墙能力；也能让无线网络覆盖整个楼宇，而不必采用昂贵的功率放大电路。sub-1GHz信号的一个优点是，可让一栋普通楼宇的地下室中的某个电表与层中的一个室内显示器直接连接。

　　支持这种灵活的多频率应用所需的是支持这些不同频段的射频传输系统。

　　爱特梅尔公司就是少数几家能支持2.4GHz频段，并同时能够提供运行在上述4个sub-1GHz频段之中3个频段的器件的公司之一。Atmel AT86RF212就是一款符合IEEE 802.15.4标准且能在北美、欧洲和中国使用的低功耗射频收发器。

　　开发人员结合使用在2.4GHz频段运行的可用引脚兼容器件，能够获得极为灵活的解决方案以满足不同发射距离要求，并推出针对地域性市场而设计的产品（图2）。

　　而且，所有这些符合IEEE标准的射频器件都可运行相同的应用程序，如ZigBee Smart Energy或ZigBee Home Automation.

　　为实现这一目的，爱特梅尔公司提供了经ZigBee Pro协议堆栈平台，并支持各种公共应用规范。开发人员可通过包含ZigBee Smart Energy、ZigBee Home Automation以及ZigBee Building Automation标准设备支持的BitCloud Profile Suite获得这些产品。爱特梅尔公司近发布的RF4CE协议堆栈套件RF4Control可让开发人员实现支持ZigBee Remote Control规范的ZigBee遥控设备（图3）。

　　ZigBee

　　使用这些软件套件时，由于应用程序接口（API）是相同的，因而开发人员能够更方便地实现不同频段中的应用。此外，应用开发人员无需为在世界不同地域使用的产品编写不同的程序代码。这样可缩短产品上市周期，同时扩大目标市场领域。

　　不同的公共应用规范以及面向上述4个不同频段的射频设备提供的灵活性，将为众多新兴无线市场造就丰富多彩的产品。爱特梅尔是业界能够提供在不同IEEE频谱活动上，运行相同ZigBee堆栈应用的企业。