1 概述
ZigBee技術(shù)發(fā)展了很多年，這項技術(shù)從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化的過程中，經(jīng)歷了很多變遷，國際間的技術(shù)推廣、技術(shù)本身透過廠商產(chǎn)品的不同設(shè)計，以及最終用戶根據(jù)應(yīng)用需求對產(chǎn)品的特定需求，都在塑造著ZigBee技術(shù)的實用化形式，可以說ZigBee技術(shù)的發(fā)展，本身就是國際組織、各個科研機構(gòu)、政府部門、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計廠商以及無數(shù)的客戶共同參與繪制的一幅圖畫。
本文站在ZigBee技術(shù)應(yīng)用的第一線，關(guān)注ZigBee無線通訊系統(tǒng)設(shè)計中，用戶最為關(guān)心的一些因素。之所以關(guān)注這些因素，一方面用戶可以將本文看做應(yīng)用ZigBee無線技術(shù)參考指南，另一方面又可以從中窺探到，用戶需求對于ZigBee這項技術(shù)發(fā)展，特別是產(chǎn)品形式，起到的一個塑造力。
2 應(yīng)用中的問題
筆者在ZigBee模塊研發(fā)與應(yīng)用中碰到不少的客戶，咨詢同樣的問題，將這些問題匯總起來，不難看出，設(shè)計一個2.4 GHz無線通信系統(tǒng)，需要考慮以下幾個方面。
2.1 模塊能傳多遠，能否滿足我的設(shè)計需要
這是一個不容易回答的問題，在標(biāo)準(zhǔn)流程的無線系統(tǒng)設(shè)計過程中，現(xiàn)場勘查與信道評估是項目開始之前的準(zhǔn)備工作，無線通信系統(tǒng)沒有了信號線，空間成為了信道，我們知道不同材料的傳播速度不一樣，復(fù)雜的空間物體布局，便像一個材質(zhì)混雜的導(dǎo)線，不了解現(xiàn)場情況，你沒辦法說從發(fā)射到接收之間信號衰減了多少，更無法評估無線信號傳播距離。因此，信道評估應(yīng)該在前期做好勘查，并讓設(shè)計人員參與其中，做好勘查記錄。
得到現(xiàn)場的資料之后，要知道ZigBee模塊是否能達到要求，我們還需要知道一些關(guān)于無線信號傳輸?shù)囊恍┗局R，主要體現(xiàn)在以下三個方面。
(1)無線信號衰減曲線
如圖 1所示，信號在自由空間按照指數(shù)形式衰減，離發(fā)射源最近的1 m內(nèi)，通常會有40 dB的信號衰減，1 m～10 m又有20 dB的衰減，也就是說到達10 m，即使空間中沒有任何障礙物，輸出功率也會由源的0 dBm(1 mW)，下降到-60 dBm(1 μW)，詳細數(shù)據(jù)如表1所示。
(2)障礙物衰減
除去自由空間，現(xiàn)場往往還有障礙物，不同材質(zhì)的障礙物對于2.4 GHz無線信號的衰減有一些經(jīng)驗參數(shù)，如表2所示。
(3)鏈路預(yù)算
鏈路預(yù)算為發(fā)送功率和接收靈敏度的絕對值之和，它在某種程度上，體現(xiàn)了一個射頻芯片的總體收發(fā)性能。
以ZM2410模塊為例，接收靈敏度-97 dB，發(fā)送功率6 dBm(5 mW），6+|-97|=103，ZICM2410芯片的鏈路預(yù)算為 8+|-98|=106 dB，從芯片到模塊，損耗了3 dB。
對于ZM2410模塊103 dBm的鏈路預(yù)算，根據(jù)表 1和表2的數(shù)據(jù)可知，在1 m之外，只剩下63 dB的鏈路預(yù)算，從而能估算出還可以穿透3～6堵鋼筋混凝土墻。
2.2 對等網(wǎng)還是主從式網(wǎng)絡(luò)
在ZigBee應(yīng)用當(dāng)中，組網(wǎng)是一個需要仔細考量的問題，用戶需要考慮實際通信需求，一般來說，對等網(wǎng)也稱MESH網(wǎng)絡(luò)，即任何節(jié)點都可以向其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，每個節(jié)點都會幫助其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，應(yīng)用簡單，冗余性強，適合大多數(shù)應(yīng)用。而對于實時性要求嚴格，且對于路由有特殊需求的客戶，則應(yīng)當(dāng)使用主從式網(wǎng)絡(luò)，區(qū)分出主機和從機來，由主機發(fā)起通信，從機只做應(yīng)答，采用輪詢的方式進行交互，這樣的實時性是最好的。
對于主從式網(wǎng)絡(luò)與對等網(wǎng)絡(luò)，可以參照現(xiàn)有的傳媒模式來做個對比，主從式網(wǎng)絡(luò)好比傳統(tǒng)的傳媒，由電視臺和報社派出記者，到現(xiàn)場采訪，民眾回答記者的問題，記者回到報社撰稿發(fā)布信息。而MESH對等網(wǎng)，則類似時下流行的微博，每個人都是一個微記者，參與對實事的感知和信息采集發(fā)布，每個人也都作為一個轉(zhuǎn)發(fā)者，路由傳遞信息。
這兩種組網(wǎng)方式，各有優(yōu)缺點，在選擇的時候，不妨橫向用傳媒的例子去對比，或許對于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會有更深的理解。
2.3 二次開發(fā)還是拿來主義
用戶的應(yīng)用千差萬別，沒有哪個模塊能實現(xiàn)所有的需求，對于功耗需求嚴格，且功能較為簡單的應(yīng)用，可以考慮在內(nèi)嵌MCU的單射頻芯片當(dāng)中，嵌入自己的應(yīng)用，完成全部的功能，目前市面上的ZigBee模塊一般作為一個通信Maxim模塊使用，然而射頻芯片有不少集成了8位甚至32位的MCU核，供芯片級應(yīng)用客戶（多為有實力的代理商）在內(nèi)部開發(fā)無線路由協(xié)議棧，因此在硬件資源上，是具備用戶二次開發(fā)的基礎(chǔ)的。
然而目前的現(xiàn)狀是，要么全部開發(fā)工作都交給客戶，廠商只提供一些底層函數(shù)，要么僅提供為數(shù)不多的AT配置命令，實際上，對客戶開放的程度過深或者過淺，都不利于開發(fā)使用。
筆者認為，目前在二次開發(fā)方面做得較好的是一家美國的嵌入式軟件公司——Synapse Wireless，該公司專門為專業(yè)射頻廠商提供無線路由固件，采取“虛擬機+腳本”的形式，大部分的路由和底層操作都由底層驅(qū)動來完成，而面向客戶的是類似VB開發(fā)環(huán)境的IDE編程環(huán)境，用戶程序以腳本的形式下載到虛擬機中，被虛擬機按照事件驅(qū)動的形式執(zhí)行，用戶體驗非常好。
Synapse Wireless公司的固件稱為SNAP，有專門針對CEL公司的射頻芯片ZICM2410的版本，也有針對TI、飛思卡爾以及Ateml公司的射頻芯片版本。
周立功公司代理的CEL公司模塊ZICM2410以及自主研發(fā)模塊ZM2410，都可以運行SNAP固件，并且對每個用戶，都有六個節(jié)點的免費授權(quán)。
2.4 排針封裝還是貼片封裝
國外品牌的ZigBee模塊，大都使用貼片形式的ZigBee模塊封裝，這雖然是一個大趨勢，但是在焊接工藝還不太成熟的廠商，以及應(yīng)用初期階段(可能需要更改模塊)，這樣的封裝是比較麻煩的，焊接與拆卸不但麻煩，還容易出現(xiàn)問題，因此，針對中國現(xiàn)階段的市場，排針形式的ZigBee模塊，相對會更受工程師的喜愛。
2.5 天線接頭的選擇
2.4 GHz無線模塊外置天線一般有兩種形式的接頭，如圖 2所示,一種為U.FL接頭，體積很小，一種是SMA接頭。模塊上的U.FL接頭需要通過天線轉(zhuǎn)接線轉(zhuǎn)到SMA接頭上，才能與外置天線連接，這其中存在兩個問題：一是饋線的接頭扣得不緊容易造成連接不牢靠，這是系統(tǒng)中的一個薄弱環(huán)節(jié)，必須使用優(yōu)質(zhì)廠商(如日本村田公司)的射頻饋線，二是這樣的小接頭不能使用較粗的饋線，這在一定程度上產(chǎn)生了線路損耗。因此，對于安裝精密程度不太高的、應(yīng)用環(huán)境較為惡劣的場合，建議直接使用SMA接頭的模塊，直接將模塊安置在產(chǎn)品PCB靠近外殼的邊上。
2.6 外置天線的選擇
對于外置天線的選擇，需要考慮頻段、增益和駐波比三個參數(shù)。
不同頻段的天線是不能混用的，除非特別指明是寬頻段天線，否則ZigBee必須使用2.4 GHz的天線。
天線的作用僅僅是將球型輻射的功率變成水平或者扇形的，無源的天線并不會增加系統(tǒng)的輸出功率，而只是在其輻射區(qū)域相比于球型輻射增強了信號。選擇天線時，需要指定天線的增益，增益越大，長度越長，5dBi的增益長度在20 cm左右，3dBi增益的長度在12 cm左右。增益越大，輻射區(qū)域傳輸距離越遠，但是非輻射面的信號就越差。
駐波比反映了天線輻射能量的能力，參數(shù)上是一個大于1的值，越接近1越好，不等于1的原因是天線將一部分能量反射回系統(tǒng)中。一般天線廠商會將此值做到1.5以下，駐波比為1.5時，表示天線能將前級給它的能量輻射出96%，也有部分廠商只做到2以下，駐波比為2時，也能輻射出88.9%。
對于ZigBee產(chǎn)品應(yīng)用，本文只是冰山一角地提到了工程師常遇到的問題，在實際應(yīng)用中，還有許多需要考慮的問題，比如無線路由節(jié)點的布局，低功耗處理等，只有各家芯片廠商不斷地交流分享應(yīng)用心得，互動起來，才能有效地推動整個技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。