ZigBee无线技术百花争艳

       ZigBee是一种崭新的，专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术。是目前嵌入式应用的一个大热点。

 Zigbee的特点主要有以下几个方面：

       1)低功耗。在低耗电待机模式下，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。

       2)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。

       3)低速率。ZigBee工作在250kbps的通讯速率，满足低速率传输数据的应用需求。

       4)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。

       5)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3~10 s、WiFi需要3 s。

       6)高容量。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。

       7)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(AES128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。

       8)免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗2.4GHz(全球) (ISM)频段。

       正是这些全新的特点，将使ZIGBEE技术将在无线数传，无线传感器网络，无线实时定位，射频识别，数字家庭，安全监视，无线键盘，无线遥控器，无线抄表，汽车电子，医疗电子,工业自动化等方面得到非常广阔的应用，目前有个口号”WIRELESS ANY WHERe”，要实现这个口号的目标，ZigBee技术的广泛应用，可能是一个重要的前提。

       正是因为ZigBee这个蜜蜂，具有广阔的市场前景,引来了全球众多厂商的青睐，纷纷推出各种ZigBee无线芯片，无线单片机，ZigBee开发系统，形成了百花争艳的市场局面。这种局面，对应降低芯片价格，丰富ZigBee技术的应用软件，加快ZigBee技术普及，是大有好处的事情。但对于刚刚起步开始学习ZigBee技术的电子工程师、单片机工程师而言，如何在这众多的芯片和技术中，选一个高效率，低价格的ZigBee无线技术和相关的学习环境，使自己能快速入门和精通复杂的ZigBee无线技术，确成为了一个难题。许多电子工程师感到无从下手。本文提出了一些实用的建议，希望对电子工程师，单片机工程师快速入门ZigBee技术有所帮助。

第1步:选择自己熟悉的微控制器

       由于ZigBee技术是目前嵌入式应用的大热门。所以目前全世界很多公司陆续投入这个市场，市场上各种ZIGBEE的技术方案五花八门，争奇斗艳，但俗话说”外行看热闹，内行看门道”。以专家的眼光看，每个方案的提供商，无不追求一个”利”字，芯片公司为了推销自己的微处理器，推销给用户不同的微处理器(MCU)，不同公司的硬件平台，不同的编译调试系统。这对应初次进入无线领域的工程师而言，既要面对复杂的ZigBee无线通讯协议，超高频的硬件环境，再加上完全陌生的指令系统，硬件平台。无疑对学习ZigBee是”雪上加霜”。

建议的解决的之道是选择8051 微处理器为ZigBee的核心MCU，8051微处理器诞生30多年。目前在国内最为普及，大学中专，都有广泛的课程，各种参考书，到处都有，开发软件KEIL， IAR早已被大家熟悉，用起来最顺手。

       有言论说8051”老了”，怕不能担当此重任，也有言论说8051会产生数字噪声，影响无线通讯…以专家的眼光看，这些都是没有科学依据的说法。随着芯片科技的发展，今天的8051早已经脱胎换骨，只是片上系统(SoC)的一小部分。而且在低功耗，高速度，低噪声等方面，有了质的飞跃。拿TI/CHIPCON公司最新的ZigBee单片机CC2430/CC2431为例，其8051内核经过特别设计，可以和2.4GHZ的ZIGBEE无线收发电路完美的配合工作，绝不会因为其8051内核的高速运行而对高频无线通讯有任何影响。

从8051入手,入门ZIGBEE技术,好处如下: 1)无需重新学习微处理器结构原理,无需重新熟悉编译/调试工具。 2)对片上系统的I/O, 定时器,A/D, PWM, 看门狗等等,也无需重新学习。 3)如果你没有单片机的基础,学起来也非常容易,也容易找到人请教,交流。

从技术眼光看，ZIGBEE技术的核心是软件，如果MCU是8051，则ZigBee是由C51代码组成的一堆软件而已。无论是无线数据传输，路由算法，网络拓扑…都是各种函数的组合，代码组合。如果你熟悉C51编程，你就很容易熟悉ZigBee的代码，同时将自己的应用代码和ZigBee结合在一起。

       从硬件而言,如果你已经熟悉8051，学习ZigBee最好从片上系统(无线单片机)开始进入。因为对于初学无线的工程师而言，从无线单片机开始，可以避开硬件/高频方面的很多难点(像CC2430/CC2431/CC1110/CC2510无线部分完全集成在芯片中，外部只有很少几只零件，你几乎完全不需要考虑如何焊接，如何调试无线高频部分硬件)。直接进入最关键的部分的学习。

       入门最理想的是选择8051内核的ZIGBEE无线单片机。理想的选择是最新的CC2430，如果需要高精度无线定位的话，可以容易的扩展到CC2431(关于这两种无线单片机网上有很多介绍)。注意CC2430/CC2431无线单片机是目前世界上仅有的带有128K闪存的8051内核的ZigBee无线单片机。

       有几家公司也号称推出了8051内核的ZIGBEE无线单片机，但他们的”单片机”只有ROM(只读存储器)，没有存放程序的闪存，必须要外加一个小的闪存。你的全部程序必须存储在外部的闪存中，如果你使用这样的无线单片机，最大的问题是不能对你自己开发的代码加密，任何人可以从外部闪存轻易中获得你辛辛苦苦开发的代码?!但是使用CC2430/CC2431就不会有这样的问题发生。

第2步, 选择一个低价格高性能的ZigBee开发工具

       有了第一把钥匙，你已经打开了入门ZigBee无线技术的第一道大门。掌握了ZigBee心脏跳动的频率和运行的脉搏，接下来你需要有一套能够进行程序编译、下载、在线调试的实际的ZigBee无线技术开发系统。

       作为入门者,当然希望有一套负担得起的开发平台，从目前市场情况看，作者认为国内用户最理想的选择是深圳无线龙科技的C51RF-3-CC2430无线开发平台，原因如下:1)入门价格低(个人/教育/科研/批量可以另外优惠)，但性能可靠，功能齐全，具有国外高价格ZigBee CC2430/CC2431开发系统全部功能。2)包括一个USB接口的全功能仿真器，两个完全高频测试的ZIGBEE/802.15.4兼容无线模块。IAR编译调试软件和无线表演软件C51源代码光盘等。 3)多年专业无线开发系统生产经验，技术支持，保证质量可靠，已经有清华大学/国防科技大学/重庆大学/上海复旦大学/北京林业大学等大量用户成功使用。

       当 然价格目前比起一般单片机开发系统几百元一台的价格是高了一些。但是，这是全新的高科技，高频高速，市场巨大，都是普通单片机不能相比的。俗话说“舍不得孩子套不着狼”，如果你决心要尽快掌握最先进的无线技术，决心要开发ZIGBEE产品，花点银子也是值得的事情。

       为了证明”物超所值”让我们来看看下面的图画，看看你装备了这套系统后,你可以做些什么:

 图一  C51RF-3-BK CC2430/CC2431 ZIGBEE无线开发系统

       从图片你看到系统包括一个C51RF-3实时在线仿真器，该仿真器通过USB接口直接连接到你的电脑。同时通过10线仿真电缆连接到CC2430ZigBee无线单片及目标板，就方便的完成了连接，无需其他的直流电源。

       编译、调试、下载采用 IAR 7.20 以上C51开发环境。 该软件开发工具非常类似KELL的开发平台，如果你熟悉KELL的C51开发平台，你应该非常容易去使用和非常喜欢这个功能强大的类似的IDE/DEBUG平台。

         深圳无线谷科技有限公司精心设计的这个目标板分成两部分，底板由电源、RS232接口、键盘、图形液晶显示器、电池系统组成。其核心其实是一个移动无线终端的原形，菜单和汉字显示都具备。无论进行联机的开发，软件下载；还是脱机的独立运行，用电池供电，进行无线通讯距离测试，都非常方便。

       更为巧妙的是，将无线CC2430模块从低板上取下来，给模块连接上2个AA电池，无线模块也可以单独运行，下载程序，独立运行。对于许多要求小体积的应用如 RFID等，非常方便。

   对于学习ZigBee技术，你只要连接电脑，运行IAR C51开发环境，就可以方便的观察ZigBee/802.15.4协议栈源代码的运行情况。 跟踪协议栈运行情况：单步、断点、ZigBee的整个协议、完全透明、可控、可操作。无线收发情况也在电脑屏幕上，一目了然，随你控制。

      有了这把钥匙，即使没有任何无线通讯经验的工程师，也能够在很短时间，熟悉复杂的ZigBee协议，很快将自己的应用和ZigBee无线技术结合在一起，成为无线通讯的内行。

第3步, 代有源代码的ZigBee协议栈

      ZigBee技术的核心是几万行ZigBee/802.15.4 C51源代码，这些源代码和ZigBee无线单片机芯片配合，完成数据包装收发，校验，各种网络拓扑，路由计算等复杂的功能。真是因为这个协议栈是ZigBee技术的核心。所以各个国外厂家都几乎一律不提供协议栈源代码，而是提供协议栈目标码库文件。

       虽然目标码库文件和原代码都能实现ZIGBEE协议栈功能，但从开发/使用方便性上而言，两者间有下列明显差异:1)源代码对使用者是全透明的，使用者可以任意修改，添加自己需要的功能，目标码不能改动如何地方。2)ZigBee目标码库内部一般代有内部控制/限制信息，如某国外著名厂家提供的免费协议栈是三个月限制版，到时间该目标码协议栈将自动停止运行，用户需要交纳专利费后才能继续使用。而源代码协议栈对用户完全透明，不会有这样问题。3)源代码协议栈有C语言写成，可以在不同微控制器上移植，而目标代码库只能支持特定的微控制器。4)源代码协议栈可以方便帮助使用者理解ZigBee协议内部结构，实现方法，目标代码库不具备这样功能。

       深圳无线龙科技提供的是ZigBee/802.15.4 协议栈全部C51源代码，而不是像国外同类产品那样，只提供二进制/不可修改的目标码库，深圳无线龙提供的源代码协议栈价格只有国外同类产品(二进制/不可修改的目标码库)价格的几十分之一。是大家买得起，用的起的优秀软件产品。

第4步,动手实践,实战应用ZIGBEE无线技术

       高频无线技术、单片机技术、C51编程、无线传感器技术、无线网络技术和ZigBee/802.15.4技术都属于实验技术和实用技术。具体的掌握这些技术，都需要实际的动手，通过编程序，实际调试，实际电路板，现场测试分析等。来真正了解技术的核心，来具备实际的经验。

从知识准备来讲，可以直接读无线单片机的各种数据手册，ZigBee/802.15.4技术规范等。 也可以看看有没有象《无线通讯的入门和实战》<

       动手去做,在实践中体验无线通讯的原理,自己编程序,自己观察无线通讯的实践过程,师快速掌握ZigBee/802.15.4短距离,低功耗无线网络技术的关键。

结束语

       归纳起来，如果你掌握了这四个步骤，你就具备了打开ZIGBEE大门的全部的全部条件，剩下的就是看你有多少智慧，去实现千千万万的应用，去开发形形色色的无线产品了。