面向2.4GHz和1GHz以下频段的ZigBee技术

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        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,这样就保证了最终客户应用层的兼容。测试机构通过其测试步骤确保所有设备不仅使用相同的网络层标准(即ZigBee Pro功能集)在网上发送数据,而且要保证这些设备之间能够安全通信。此外,测试程序还要验证带有ZigBee认证标识的最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最终确定,而且市面上已有许多通过这些规范认证的产品。目前市场上最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,如供最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最初命名,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,用于电视或机顶盒等消费电子产品。它可在遥控装置和消费电子设备之间实现AES加密双向通信链路,而无需红外遥控器等视线(line-of-sight)控制装置。由于可以实现电视机与遥控装置之间的双向通信(backchannel),这种功能丰富的全新遥控器将能够提升用户体验。

        ZigBee基于IEEE 802.15.4-2003标准,这意味着ZigBee应用程序可以使用该国际IEEE标准规定的媒体访问控制层(MAC)和物理层(PHY)功能。IEEE标准的物理层规范描述了调制方式、数据速率、设备功能、数据传输概念以及可使用的频段。其中最知名的频段是2.4GHz ISM频段。IEEE 802.15.4标准允许在这个全球频段内使用250kbps的数据速率。此外,该频段也被其它技术使用,如IEEE 802.11或IEEE 802.15.1,即大家所知的Wi-Fi和蓝牙技术。

        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。

        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,能够构建出适合全球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第一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协议堆栈认证平台,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。爱特梅尔公司最近发布的RF4CE协议堆栈套件RF4Control可让开发人员实现支持最新ZigBee Remote Control规范的ZigBee遥控设备(图3)。

        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。爱特梅尔是业界首家能够提供在不同IEEE频谱活动上,运行相同ZigBee堆栈应用的企业。

作者:耿立锋

市场战略经理

爱特梅尔公司

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