智能家居中的无线技术--Zigbee技术

贸泽电子设计圈 今天

以下文章来源于贸泽电子 ，作者马玺

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贸泽电子（Mouser Electronics ）为全球授权半导体和电子元器件授权分销商，分销800多家领先品牌，可订购500多万种在线产品，为设计工程师和采购人员提供一站式采购平台。

Zigbee技术已经出现近十多年。记得Zigbee出现初期，曾有一批公司以Zigbee应用为创业方向。可以说至今Zigbee市场始终没有红火起来，不过随着近年智能家居的应用逐渐增多，Zigbee技术又时常会出现在我们眼前。与同样是2.4GHz频段的蓝牙，Wi-Fi技术相比、Zigbee可以说是一个熟悉又陌生的技术。


图1：Zigbee模块与应用它的智能家居产品（图片拍摄于智能家居展）



什么是Zigbee技术？

我们来看看Zigbee联盟是如何回答这个问题的：Zigbee联盟称其为“唯一完整的物联网解决方案，具有mesh网络和通用的语言，这使得智能设备可以协同工作”。这个回答够简单也够直接。

Mesh网络表示其具有动态自组网能力，对等网络节点可以互连互通，每个节点都可以作为AP使用，从而实现动态路由，大幅提高网络通信效率，适用于多设备网络。万一某个AP节点故障，便可自动开辟新的传输路线，保证数据传输。通用的语言，应该就是标准的协议栈，与蓝牙、Wi-Fi产品一样，不同供应商按照标准协议开发的产品可以互相组网工作。
以上两点确实高度概括，初步指也是适合智能家居的应用场景。据研究者分析，以100平米大小的住宅为例，需要联网的智能家居设备最低也要超过50个，一般的Wi-Fi AP难以管理如此多的设备。另外，这些设备多为传感器应用的简易设备，自动组网以及网络故障自修复能力对其至关重要。智能家居设备品牌众多，标准的协议栈也是不可或缺的。



mesh网络结构及技术指标

除了以上高度概括的两句话外，Zigbee的mesh网络结构及技术指标如下。

  • 网络设备分类构成：

  • Coordinator（routing capable）--协调员

  • Router--路由器

  • End Device--终端设备

  • Zigbee Green Power Device--针对绿色能源应用的Zigbee设备

图2：Zigbee mesh网络拓扑图

（引自https://www.cnblogs.com/stonecastle/p/3140146.html）


  • 网络规模：理论上支持65000个设备组网

  • 无线技术：采用802.15.4标准

  • 频段：2.4GHz

  • 带宽及通道数量：2MHz/16通道

  • 数据传输速率：250kbs

  • 支持加密技术：AES-128

  • 通信距离：

  • 大于300米，室外无遮条件下

  • 75--100米，室内

  • 低功耗：支持设备睡眠模式

由于智能家居设备有许多采用电池供电的传感器设备，低功耗是不可回避的。Zigbee技术也是专门针对低功耗应用的无线解决方案，其标准专门定义了设备睡眠模式。

图3：Zigbee的特色（图片来自Zigbee联盟官网）




Zigbee的协议栈结构

接下来我们再了解一下Zigbee的协议栈，请看图4：

图4：Zigbee协议栈结构（图片来自Zigbee specification）


从图4可以看出，协议层结构分为硬件与软件，硬件层包括IEEE 802.15.4定义的PHY（物理层）和MAC（介质访问层），软件层为Zigbee联盟定义的NWK（网络层）、APS（应用程序支持层）、APL（应用层）。对于Zigbee协议栈的使用者而言，无非就是利用协议栈实现Zigbee设备组网、数据发送和数据接收功能。
智能家居开发工程师在采用Zigbee技术上一般可以通过以下两种方式实现。
  • 一为直接采用Zigbee模块，模块与系统控制MCU通信，将要组网和数据收发功能通过Zigbee模块去实现。这样做的优点是系统开发周期短、技术难度小、回避射频设计，缺点是成本高，体积大。
  • 另一种为采用带有Zigbee功能的SoC，将系统应用与Zigbee系统融合为一体。优点为集成度高、成本低；缺点为技术难度高，需要具有一定的射频设计能力。



Zigbee SoC和模块选型

针对以上两种方案，贸泽都备有足够的Zigbee SoC和模块的选型。请看图5：

图5：贸泽官网提供了超过200颗Zigbee SoC选型

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图6：官网提供超过200个Zigbee模块物料

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在这里，我们以Microchip的MRF24J40MD/ME Zigbee模块为例。看看如何使用模块来搭建Zigbee系统。
MRF24J40MD/ME Zigbee模块尺寸为33mm*22.9mm，采用板载天线，通过SPI接口与MCU向连接，有专门的引脚用于中断信号输出，睡眠及复位。其内部集成了PA，LNA，Zigbee PHY及MAC层。其工作电压为3.3V，工作电流TX：140mA，RX：32mA，发射功率19dbm。休眠电流：10uA。

图7：MRF24J40MD/ME的引脚定义

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图8：模块功能结构框图

图9：模块与MCU采用SPI接口
模块只是实现了Zigbee的硬件部分，即实现了Zigbee协议栈中PHY以及MAC，其他Zigbee软件协议栈部分还需要在与模块相连的系统MCU上运行，该模块与Microchip的MiWi开发环境软件的Zigbee协议栈相适配，用户可以免费下载源代码。各家的模块，硬件结构与协议栈集成度都差不多。
贸泽提供了如此众多的Zigbee资源，相信感兴趣的设计师一定可以快速找到自己想要的方案。


作者：马玺

马玺，多年来深耕半导体产品的技术开发及市场营销，曾任职于梅特勒-托利多研发工程师、富士通半导体产品工程师、贸泽电子技术营销产品经理等职位，具有10多年国际知名企业电子半导体相关领域产品研发及技术营销专业背景，熟悉嵌入式系统、微控制器、存储器及无线领域相关的市场与技术。
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