似乎每种电子产品都有无线链路，邻居家的喷水器里就有一个无线单元，主人在室内就能设定浇水时间和顺序。众多厂家推出了各种芯片和模块，使工程师们可轻松地在新产品及现有设计中加入无线链路。有很多设备都符合IEEE-802.15.4中针对无线局域网(WPAN)的规范，这种规范规定了较低的传输速率、短距离通信及低功耗运行，但在某些情况下，非标准的芯片与模块也能适用。

      人们对指定了用于传输信息的射频或“物理层”的802.15.4标准还有些混淆，如常用的ZigBee协议就是在符合802.15.4标准的射频基础上构建的。ZigBee需要一个定义应用如何进行通信的“协议栈”。需要注意，ZigBee与802.15.4并不相同，（图1）除了ZigBee之外，其它协议也可以使用802.15.4射频（ZigBee协议栈很像TCP/IP协议栈，后者是一系列分隔硬件与应用程序的软件层）。

      任何人都可获得与使用内置在某些射频模块中ZigBee的协议栈，但这并不能保证不同厂商间的ZigBee设备具有良好的互操作性。到目前为止，ZigBee联盟已开发了一个针对家庭自动化产品制造商的标准规范。采用该规范的企业可提供能相互通信的设备，如温控器及开关等。而其它行业的工程师们在遇到产品兼容性的问题时，就要自己去解决了。根据终端应用的不同，采用802.15.4射频规范的专有通信产品及协议与采用ZigBee的产品相比，性能毫不逊色，甚至更好。

      工程师们可以从大量的芯片、模块、开发包、软件工具及提供ZigBee或专有通信协议的相关产品中随意选择，我们将介绍一些企业与产品，并在“无线芯片与模块资源”清单中列出其它的企业和产品。

      广泛应用的ZigBee网络

      典型ZigBee网状网络中的射频覆盖了较大的区域，并能在许多无线电模块至无线电模块间传输信息。网络可以有多种结构，如图2所示。“抄表系统中就有网状网络，”Microchip Technology公司的先进微控制器架构部门高级应用经理Rodger Richey指出，“电表、水表、煤气表之间可以互相通信，并将信息传递到主数据采集中心。”

      家庭控制系统中的ZigBee包括10到12个节点，如电灯开关，”Richey指出，“ZigBee支持64,000个以上的节点，所以其协议需要大量代码来维持路由选择表及其它协议信息，典型的ZigBee协议栈需要64KB至96KB的内存，而有些协议栈则需要128KB的内存，所以即使简单的符合ZigBee规范的灯光开关也需要一个昂贵的大型MCU，在某些情况下，ZigBee有些大材小用了。”

      为了帮助工程师们设计小型网络，Microchip开发了其自己的协议栈：“MiWi”，它基本上是一个能与802.15.4无线电规范配合工作的“较薄”的媒介访问控制(MAC)层。MiWi协议栈需要4Kbytes的内存才能运行PIC16 MCU。该协议可支持星形、树状及网状网络中的的1,000个节点，并且信息可以实现4个节点到节点的中继。

      Cirronet推出的模块中包括一个完整的ZigBee协议栈，而且，Cirronet提供了其自己的ZigBee规范，使编程人员无需编写任何代码即可控制通信。“多数情况下，工程师们都采用我们的规范，”Cirronet营销副总裁Tim Cutler解释道，“如果他们想要节点在定时时间过后可以自动唤醒并传输数据，利用我们的规范就可控制这种操作。”

      如果开发人员需要其自己的协议，MaxStream的应用工程师们可以帮助他们制定一个这种协议。“通常情况下，应用并不需要复杂的协议，”MaxStream的技术支持经理John Schwartz说，“收发器发出一个封包并接收一个响应信号，如果接收不到响应信号，它会按设定的次数重发封包。在开发人员开始为自己的设备设计协议时，他们必须考虑网络如何通信及如何处理可能出现的问题。”如果设备间有简单的有线连接，他们可以不考虑如何检测错误及如何请求重新传输数据。

      专有无线电模块类型在工程师们可用的产品中也有一席之地，例如Vishay的RF Waves部门采用直接序列展频和跳频展频技术设计的在2.4GHz非授权ISM波段工作的无线电模块，尽管在ISM波段有许多设备，但Vishay的模块还是与它们“和睦共处”。

      Vishay RFW122L/RFW122M、RFW8M及RFW3M模块有20M的室内通信距离，带有射频放大器的模块室内通信距离可达60M。后一种模块可以在8Mbps的频率上工作，非常适于视频与音频通信。“开发人员把这些模块视为黑匣子，”Vishay的RF Waves部门副总裁David Ben-Bassat说，“他们不需要了解其内部的工作原理，他们只要将模块与数字电路连接就可以工作了，只要将模块的数字信号处理好，RF部分就可以执行其任务了。”

      据Ben-Bassat介绍，无线市场分成标准技术与专有技术两部分，“根据其性质，标准技术占用很大的开销，而精简的专有技术让工程师们可以优化应用的成本和性能。”

      在某些情况下，专有技术还具有其它优势，如设备厂商不想让其产品与其它厂家的产品配合使用。Microchip的Rodger Richey说：“如果是销售家庭安全系统，你就会要将每个家庭作为自己的独家客户，而不希望其它厂家再销售对你系统的附加产品。”在那种情况下，专有方案可保护您的业务。

      尽管无线电模块厂商提供了多种模块、芯片与芯片组，许多客户还希望简化设计，购买一个将无线电模块和MCU整合在一起的集成电路。例如，Ember公司在其EM250 ZigBee芯片上提供了Cambridge Consultants XAP-2 MCU核心。“该芯片看上去像是带有I/O管脚、定时器及无线电模块的标准MCU，”Embe的首席技术官Andy Wheeler说，“它一侧有天线，另一侧有数字I/O。”工程师们可用C语言对MCU进行编程，并将其代码链接到Ember ZigBee库中。

      但这种方法会对工程师们有所限制：他们只能采用一种类型的处理器，并仅有少量的外设和I/O端口可利用。但根据情况，比如需要一个以太网连接，可再添加一个芯片来实现这种功能。以Microchip为例，就可采用隔离射频与MCU的双芯片模式。“客户可以选择无线电模块，并将其与我们的任何MCU配合，”Microchip的Richey说，“这样，如果他们需要以太网端口、更快的ADC或更多内存的话，就可选择不同的MCU。”

      希望从单芯片转向多芯片的工程师们可以选择提供了无线电模块、MCU、I/O端口及数字通信的集成一体式模块，尽管这种结构比单个芯片和元件的成本高，至少它风险较低。“如果芯片厂商升级其芯片，或协议规范发生变化，我们就会相应地修改我们的设计。”MaxStream的John Schwartz说，“在很多情况下，用户不知道这种差异，我们承担了这种风险，并保证无论我们的模块内部采用什么芯片，都能满足特定规范的要求。”

      您想要做什么？

      在工程师们采用一种无线通信技术之前，他们必须要明白通信系统能够做什么。工程师们一般都不在乎关键的基础技术，他们只想解决问题。“如果需要一个简单的点对点链路，可以使用我们的CC2420 802.15.4芯片，”Texas Instruments（德州仪器）低功耗射频产品部业务开发经理Mark Grazier说，“多数情况下，如果设备间的距离较短，只需无线电模块即可，这种情况下，工程师们可以采用一个CC2430DK开发工具包，来编写代码及在两点间传递数据。”

      但是，如果用户需要全网状网络或多节点跳跃连接网络，可以购买TI的CC2430ZDK ZigBee开发工具包，它有5个节点、1个主板及1个可用来检查传输数据封包的监听器（sniffer）（参考边栏：对ZigBee进行监听测试）。

      MaxStream的John Schwartz介绍说，所有新应用都要求点对多点的通信。“一个新客户说，他们不需要完全成熟的网状网络，只要有限的网状网络就行了，以防止出现不能通信的节点。网状网络提供了一种备用方案。”MaxStream是Digi International的一个分公司，提供各种射频开发工具包，这些产品能达到从数百英尺到40英里的通信距离。Rabbit Semiconductor是Digi的分公司，他们在其ZigBee/802.15.4应用开发包中使用MaxStream XBee模块。

      工程师们总是想了解，无线电模块能传输多远的距离。“距离取决于物理条件：无线电模块之间的媒介、有多少路径以及从A模块到B模块间有多少反射及其它效应。”TI的Mark Grazier解释说。Grazier还指出工程师们希望了解在ZigBee网络中能安置多少节点。“我们对200个以上的节点进行了测试，现在已经有些企业开始在较大建筑物内的监控系统中部署ZigBee产品，这些应用可帮助我们了解什么是最实用的。”

      “我与那些认为其设计能达到规格表上的可视距离的人谈过，”MaxStream的John Schwartz说，“他们并不进行任何测试，他们部署原型产品只是要找出不能通信的节点，那样的话，他们只能采用网状网络来解决距离问题，但他们不会对计划或预算进行改动来采用网状网络。”

      Schwartz建议工程师们在典型的工作环境下对其设计进行测试，如办公室建筑、家庭、室外等环境，模块指定室内通信距离是300英尺，但在某些室内条件下该距离也可以仅仅是60英尺。在室外无障碍的条件下，无线电模块能传播1.5英里，在树林中可以传播300英尺的距离。“如果工程师们在部署之前对产品进行了测试，就能了解该产品在现场是如何工作了。”Schwartz表示。

      “我们曾与那些清楚自己所需无线电通信类型的工程师们进行过沟通，也与那些不了解自己所需的工程师进行过交谈。”Cirronet的Tim Cutler说，“他们认为，由于ZigBee的大肆宣传，尽管并不是很需要，但他们还是希望使用ZigBee。我们帮助他们选择模块、工作频率、数据传输速率等，一般来说，新起步的小型公司会制造新的无线产品，而成熟的企业会在现有的产品中添加无线功能。”

      跟其它企业一样，Cirronet为其所有的模块提供了开发工具包。首先，工程师们可以设置一个无线链接来连接两台PC，使两者间可以互相通信，这有助于工程师们了解如何使用工具包的API（应用程序接口），以及如何控制基本的模块操作。其次，工程师们可以使用工具包作为标准参考，如果遇到问题，可以返回到开发工具包查找原因，这样就可以确定究竟是无线网络问题，还是在其设计中应用模块的问题。

      除了部署单个节点外，系统设计师们还必须建立一个控制点或基站，以收集数据并将其发送到中央节点（ZigBee系统将这种无线电模块作为一个协调器）。“一般而言，在客户将一个模块设计到新产品中后，他们会将模块放置在一个靠近PC的盒中作为基站，”Cirronet的Tim Cutler指出，“我们不建议您设计自己的基站，您可以购买一个现成的，而把精力集中在自己产品的设计上。”

      某些经验是必要的

      “经过我们与上述两种开发人员的交流，”Microchip Technology先进微控制器架构部的营销经理Nate Smith说，“某些工程师有丰富的RF经验，有些没有什么经验或根本就没有经验，但他们掌握了很多嵌入式系统的知识，这两种人都想将ZigBee功能添加到设计中。”据Smith介绍，许多设计师认为他们只需将一个模块添加到设计中，就可以进行无线通信了，有时，这种方法比较有效。尽管如此，拥有上述RF电路的经验总是有用的。

      对某些工程师来说，天线设计的过程有点像魔术，与其它企业一样，Vishay的RF Waves Division推出了带天线的模块及无天线的模块。“我们的RFW122L模块中有内置的环形天线。”David Ben-Bassat解释说，“模块应用报告会告诉工程师们什么位置需要安装天线，什么位置不能安装天线。如果他们遵从指导，就不会遇到问题了。”RF Waves提供了技术支持以防开发人员遇到意料不到的障碍。

      Ben-Bassat指出：“除非工程师们有RF经验，否则他们很难清楚如何设计RF天线。如果他们试图设计自己的天线，设计不好的天线会损耗大量的RF能量，只能达到基本的无线性能。Vishay的工程师可以指导客户寻找专业顾问和企业来帮助他们进行天线设计。”

      Cirronet的Tim Cutler在开始调查无线设计时，希望与工程师们讨论关于天线位置的问题。“如果计划在产品内使用天线，我们可提供关于合适的安置位置的提示。他们还要考虑天线的辐射方向图，及如何将模块与天线连接起来。如果他需要为RF信号引出一个PCB源极引线，我们会告诉他们如何创建一个50Ω的导体。”

      TI的工程师向设计人员提出了两个基本问题：第一，你以前设计过RF电路吗？第二，你熟悉天线布局及RF匹配电路吗？“工程师们采用我们的开发工具包，然后创建一个原型产品，就可以了解电路板是如何工作的，这样就可以开始自己的设计了。”TI的Mark Grazier说，“但很多人都没有创建过自己的天线布局，50Ω的接线端子及天线与PC间的不平衡变压器就是一个问题。”

      为了帮助解决天线问题，TI在Gerber文件中提供了一个参考设计（针对天线），工程师们可下载该文件，并无需改动即可直接使用。因此，工程师们可用现成的PCB设计来帮助他们快速完成产品设计。为了保证电路工作，他们必须使用我们推荐的部分。”Grazier强调说，“我们列出了特定的元件，如电压及电容，以方便工程师们能够完全重现我们的参考设计。”

      “在设计及测试产品后，还需要进行某种级别的FCC（美国联邦通信）认证，尽管采用芯片的设计比模块更有价格优势，但基于芯片的设计还是要经过认证。模块可能也具有某些FCC的认证，我们所有的模块都获得了FCC认证，还取得了ETSI认证（欧洲电信标准化组织）。”Cirronet的Tim Cutler说，“我们FCC的认证免除了对终端产品类型的认可，在欧洲，产品需要有CE标记，但ETSI规范免除了进行某些国际性的辐射测试。”

      据Microchip的Rodger Richey介绍指出：“一般在FCC认证中如果出现什么问题，就要进行超负荷测试。例如工程师采用一个数据表中的参考设计，并将其用于PCB上，在测试过程中，若其产品不符合FCC规范，他们就不知道该如何解决这些问题。最大的费用不是来自FCC测试本身，而是来自于反复地重新设计直到通过。”进行认证前测试及向芯片和模块供应商做些必要的咨询，可避免或克服在满足强制规范中所遇到的问题。

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      对ZigBee进行监听测试

      有了设计ZigBee网络的计划后，就可以考虑如何对其进行调试与测试了，毕竟其中有数十个节点，并且会有大量信息在其间传递。基本上，监听器可监听所有的ZigBee通信，并可将信息设为一种格式以帮助你了解你的网络上会泄露些什么。

      Microchip的PICDEM Z 2.4GHz工具有一个Zena无线网络分析板卡，这种分析仪可对在ZigBee或Microchip的MiWi协议中出现的信号进行采集和解码，随附的软件可分析网络流量，以图形方式显示解码的数据包，并可显示网络的拓扑结构图及节点间传递的消息。

      “在我们开发PICDEM Z电路板的过程中，如果要调试系统内两个以上的节点就会有困难。”Microchip Technology先进微控制器架构部门的高级应用经理Rodger Richey说，“我们找不到廉价的测试仪，只好设计了Zena板卡并为其开发了一个软件。这些软件让设计人员可以“看到”节点连接网络及在节点间传递的消息。你还可以记录这些所有的活动。”Zena板卡及软件附带一个PICDEM Z工具包，开发人员也可以单独购买一个Zena监听器，Zena板卡可监听任何ZigBee通信，并可用于任何ZigBee网络。

      TI的两种ZigBee开发工具包CC2420ZDK与CC2430ZDK都带有数据包监听软件，可以与基于PC的网络控制器共同使用。TI及其它企业的ZigBee无线电模块还可以与Daintree Networks的Sensor Network Analyzer软件配合工作，他们提供了从标准版到专业版的多种套件。模块与IC企业也可能在其开发工具包中提供其它网络分析工具，但你必须到其网站上去查找相关信息。