2022年面向ZigBee应用设计方案的技巧 .pdf

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1、1 / 6 面向 ZigBee 应用设计的技巧许多工程学科的工程技术人员必须在一起工作，以定义、确定架构、设计、测试和准备好最终供销售的产品。当你开发ZigBee应用的时候，一定会遇到一些诸如此类的问题：在ZigBee 开发中，重要的是什么？我需要什么工具？要涉及什么步骤？要花费多少时间？需要多少投资？有什么无法遇见的问题？在此介绍的设计技巧不一定能够回答每一个人提出的问题，但是，它们将为你开发ZigBee 应用提供一个教程。在开发应用系统的过程中，首要步骤是确定ZigBee 是否适合于你的产品。与选择其它无线方案相比，ZigBee 无线电标准有许多优点。由于具有公共的ZigBee 规范和一致

2、的平台，与其它供应商器件的互通性就确定了。ZigBee 应用产品具有极低功率和超长电池寿命。但是，ZigBee 数据率比选择其它无线电标准要低。虽然比蓝牙或802.11/WiFi的数据率要小得多，但是，ZigBee 堆栈并不是一段简单的软件。伙伴关系在你确定了开发ZigBee 应用系统的要求之后，必须选择一家ZigBee 提供商作为伙伴，ZigBee 伙伴供应商将提供ZigBee 堆栈软件及无线电芯片和基带微控制器。历史上，一直采用两芯片方案。最近，尽管供应商一直在推广应用单芯片ZigBee 器件，并以大量的附加资源支持你开发应用代码。合格的ZigBee 伙伴供应商将为你在最新功能上提供连续升

3、级。ZigBee 提供商有好几家，每一家都投资了许多“开发人年”以实现他们的ZigBee 方案。在选择合作伙伴的过程中，你应该考虑技术方面(芯片与他们的芯片组性能及所支持的功能和提供商的业务方面(公司历史、许可成本、技术支持。ZigBee 也想了解你的信息，如你过去的产品开发经验和你计划销售的器件数量。当这种信息交换完成的时候，你应该能相当快地找到愿意就你的应用(工程开展 协作的 ZigBee提供商。选择了 ZigBee 供应商之后，必须决定如何实现ZigBee无线电？是作为一个模块连接到其它系统呢？还是作为一颗芯片集成到你的电路板电路之中？精选学习资料 - - - - - - - - - 名

4、师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 6 页2 / 6 利用 ZigBee 无线电模块有许多优点，模块方案通常能缩短开发周期。RF 设计已经做好了，你不需要成为RF 专家。此外，模块可能携带FCC 模块证书，那意味着你不必让产品跑一遍FCC 的国际辐射体认证过程。与采用 ZigBee 芯片相比，采用ZigBee 无线电模块的缺点是单位产品的成本较高，模块设计需要更多的外壳物理空间，对产品的工业设计也有更多的限制。此外，模块可能对天线的选择有限制，这样的模块就可能不适合于你的设计。最终体系的任务是完全定义ZigBee 网络结构。 ZigBee 标准产品支持你从多种拓扑网络结构中作

5、出选择，包括网格网、星形网和群集树网络配置，如图1 所示。图1：网络结构图显示网格网、星形网和群集树网络配置选项。典型的 ZigBee 网络配置由低功率功能经过裁减的终点设备组成，通常称为传感器。这些传感器与在网络上处理包路由的全功能网络控制设备通信。ZigBee无线电ZigBee 无线电可在若干RF 频段实现，其中，2.4GHz 到 2.48GHz频段最为常用，因为这是唯一全球通用的RF 频段。在北美，ZigBee 无线电可以采用915MHz频段，它比2.4GHz 频段的优势在于作用距离稍远。有几家芯片供应商提供针对较低频段的芯片，因为天线比较大、通过空中传播的数据率比较低。 868 MHz

6、版本的 ZigBee 也提供有价值的功能，尽管只在欧洲可用。选定了所有架构的之后，就可以打开由ZigBee 的合作伙伴提供的开发系统，并着手应用系统的设计。图2 所示为一个实例。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 6 页3 / 6 图2：样品ZigBee开发平台包括：多指令/诊断接口、集成传感器和GPIO访问，配备集成ZigBee无线电芯片。开发系统提供样品应用代码作为参考。你的最终应用可能类似这个样品，因为，你采用与样品一样的应用编程接口(API 。你可能也要用一样的操作系统、系统呼叫和中断。典型的 API 指令是 For

7、mNetwork(、JoinNetwork(、SendMessage(和ZigBeeStackTick(。要学会喜欢这种API ，今后几个月你将跟它们打交道。在开发阶段，要将面对许多设计挑战，其中许多涉及典型的嵌入式开发问题，与此同时，还会出现新的问题，因为添加了新的设计要素ZigBee 堆栈。功耗优化ZigBee 的功率超低，这对于无线电系统是一大优点，但是，你必须扩展到对整个系统进行低功耗设计。为了充分优化电源的使用和电池寿命，固件、电气和RF 团队必须投入大量时间去优化功耗，其中，要定义微控制器的睡眠模式并加以实现。要小心的是，当系统处于睡眠模式时，开发系统可能会工作不正常。你需要采用老

8、式的“GPIO 触发和示波器跟踪”诊断技术。如果你的系统由电池供电，要记住，ZigBee 无线电不要违反物理定律。ZigBee 无线电采用典型值为20 到 50mA 的电流来发射选定的功率级。电池寿命能否达到几年时间，高度取决于使用的状况。要特别注意，ZigBee 无线电需要唤醒的频度是多少？唤醒需要多长时间？在睡眠过程中，要消耗多少电流？你可能会发现，ZigBee 提供商的数据表对解决此问题的帮助有限，因此，你要自己对电流消耗量进行测量。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 6 页4 / 6 一般地说，你要做的主要是对数据反

9、应时间与电池寿命的折衷。然而，一些情况看来是违反直觉的，因为ZigBee 以 mW 级的低 RF 功率发射信号，在发射和接收模式期间，电池功率的消耗量是类似的。不要假设射频模式将消耗很少的功率，如果它大部分时间都在接收模式的话。你开始时设计的ZigBee 开发系统可能与最终的硬件不匹配，这意味着要为你的设备设计新的接口，包括按钮、显示和存储器等等。你可能也需要把通信通道添加到另一个系统，如系统监视器PC 程序。开始时要花时间完全掌握API 和开发系统，因为你要把这些新接口并入与现有设计的其它接口。互操作性为了验证设备的互操作性，需要购买竞争对手的产品。在开发期间利用另外一台经过认证的 ZigB

10、ee 系统，可能有助于你把产品性能做最好的优化。另外一种测试互操作性的可选方案是参加ZigBee 联盟旗下每一个季度举办的互操作性研讨会ZigFests 。在参加ZigFests之前，你们公司至少要成为ZigBee 联盟的用户级成员。也有一些认证公司提供预先认证的测试环境。要记住， ZigBee 无线电不像蓝牙那样具有跳频功能。在网络形成之前，网络协调器扫描可用的通道以发现最“清静”的通道。执行这种自动频率选择的一种功能就包含在你购买的 ZigBee 堆栈之中；但是，如果没有的话，也便于实现。网络协调器然后可以被编程为周期性地测试网络以确定所选择的频率是否保持最佳状态。如果不是，网络协调者可以

11、不用操作员介入就把网络转到不同的通道。这就确保网络在所有时间都表现最佳性能。如果你的应用要确保数据安全性，ZigBee 提供强大的数据加密措施。ZigBee 数据安全性通过 128 位 AES 算法实现。如果你采用公用的ZigBee 算法，那么，安全决定已经作出并预先定义到算法之中。数据安全性对于需要数据安全性的定制应用，你可以选择在哪里插入安全性程序：在应用代码中？还是在 ZigBee 堆栈的较低层？如果你的应用需要尽可能最高的安全性，那就要在你的应用代码中加密。ZigBee 堆栈在较低层的堆栈定义了可选的安全性，它可被用于验证在你的ZigBee 网络上交换的每一个数据包。开发过程包括系统两

12、端的开发，传感器端可能是功能被裁减的ZigBee 末断设备，以及要与之通信的设备端。系统的每一端将呈现自身的设计挑战。对于传感器来说，功率优化通常是最大的设计问题；对于ZigBee 路由器，消息管理是最大的设计问题。消息管理是应用代码的重要组成部分。应用代码通过向堆栈发送消息与ZigBee 堆栈通信，这个过程中要调用堆栈功能并通过回叫功能从堆栈接收消息。应用代码可能要在其正常的网络管理任务的顶层监视这些消息并可能需要执行任务，如定时消息和清除“遗漏”的消息。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 6 页5 / 6 作为应用开发规

13、划过程的组成部分，要确保写入测试代码的时间。在集成阶段期间，测试代码将有助于识别和验证功能运作的边界条件。在硬件符合性测试期间，可能需要专用测试代码把设备设置为永久发射模式。当工厂生产的设备下线时，适当地设计测试代码能快速和全面地验证每一台设备的运作。设计 ZigBee 应用产品所必须的工具之一是ZigBee RF探测 /协议分析仪。即使你的设计采用了 ZigBee 无线电模块和公用的ZigBee 算法，你终究需要检查它们发向空中的指令。现有的协议探测仪功能繁多，价格差异很大。对探测仪的选择取决于你对协议分析仪的经验、所需要的协议分析的深度、将来要做的ZigBee 工作和每一台设备的成本。最符

14、合逻辑的做法是，开始时用基本测试单元；如果你需要增加性能，再行升级。上市时间如果上市时间是对系统的主要要求，采用ZigBee 无线电模块就是理所当然的选择。基于模块的设计将提供最快的开发周期。许多工程需要最快的上市时间、最少的器件数量以引入一种技术或产品线。常见的情况是，较大批量的生产都会稍后进行。如果情况是这样的话，就可能采取两个阶段的开发：快速阶段利用ZigBee 无线电模块；“降低成本”的设计阶段紧跟其后。这种降低成本阶段常常要把模块功能并入一块电路板中。两阶段方法的时间安排也是有意义的。因为在把模块并入电路板之前已经建立了专门技术。提前计划，就能实现最佳的产品首发上市。跟许多推向市场的

15、电子设备一样，ZigBee 应用产品必须满足规范标准的要求，因为ZigBee 设备会发出电磁辐射，所以设备必须满足全球标准。作为设计的所有者，有责任提交产品以进行符合性测试，要根据需要调整设计以通过测试要求，并与合适的代理机构对最终设计进行文件归档。在设计阶段就要尽早计划几轮测试，这包括就辐射做预先屏蔽测试。因为大多数ZigBee 设计以大约1mW 的低 RF 功率发射，基波RF 辐射不可能产生问题。然而，要特别监测落在FCC “受限频段”的二次和三次谐波的辐射大小。你还必须屏蔽较少的技术符合性区域，如产品标签的要求和天线的限制。要说明你的产品符合ZigBee 标准，必须经过ZigBee 认证

16、产品测试。要提交产品供ZigBee 测试，你们公司必须成为ZigBee 联盟的成员。加入ZigBee 联盟的费用不高，要立即着手实施，因为会员将容许访问大量的ZigBee 相关文件并参与其讨论。请访问网站www.zigbee.org。对每一个ZigBee 产品来说，你要生成独特的802.15.4MAC地址，它是一种8 字节 (64位的数。 IEEE 标准协会向你们公司收取年费，把头三个字节(组织的独特识别符，称为OUI 授予你们公司，然后，你们公司就可以自由地为剩余的5 个字节赋予独特的数值。最后，取决于工厂装配和测试过程，可能要配备一种基于软件的制造测试工具，把MAC地址编程到每一个设备中。

17、在这种情况下，你的应用代码可能要支持非易失性存储写功能；这种功能不是必需的。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 6 页6 / 6 本文小结ZigBee 是定义良好和功能丰富的无线电标准，要重视ZigBee 产品的开发。许多工程学科的工程技术人员必须在一起工作，以定义、确定架构、设计、测试和准备好最终供销售的产品。遵循本文提出的建议，将有助于你制定创新ZigBee 无线电应用的、切实可行的计划。John Sawyer Indesign 首席软件工程师参与的工程涉及许多无线技术，包括ZigBee 、Bluetooth 、WiFi 和专用系统。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 6 页